DE102006039499A1

DE102006039499A1 - Permanent magnet synchronous motor

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Publication number: DE102006039499A1
Application number: DE200610039499
Authority: DE
Original assignee: ABM Greiffenberger Antriebstechnik GmbH
Current assignee: ABM Greiffenberger Antriebstechnik GmbH
Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2008-03-27
Also published as: WO2008022788A1

Abstract

Bei einem Permanentmagnet-Synchronmotor (1), der einen mehrere Permanentmagnete (20, 21) tragenden Rotor (10), einen den Rotor (10) umgebenden Stator (30) mit Statorwicklungen sowie eine Steuerschaltung (5) aufweist, welche den Statorwicklungen einen zeitveränderlichen Strom zuführt, ist die Steuerschaltung (5) dazu ausgebildet, eine durch den Rotor (10) in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung zu ermitteln, auf Basis der ermittelten Gegenspannung die Winkellage (gamma) des Rotors (10) zu bestimmen und in Abhängigkeit von der ermittelten Winkellage (gamma) des Rotors (10) die Statorwicklungen anzusteuern. Der Rotor (10) ist derart ausgebildet, dass die in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung einen im Wesentlichen sinusförmigen Verlauf aufweist.In a permanent magnet synchronous motor (1) having a rotor (10) carrying a plurality of permanent magnets (20, 21), a stator (30) surrounding the rotor (10) with stator windings, and a control circuit (5) which time-varying the stator windings Supplying current, the control circuit (5) is adapted to determine a by the rotor (10) induced in the stator windings countervoltage, based on the determined back voltage to determine the angular position (gamma) of the rotor (10) and in dependence on the determined Angular position (gamma) of the rotor (10) to control the stator windings. The rotor (10) is designed in such a way that the countervoltage induced in the stator windings has a substantially sinusoidal profile.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Permanentmagnet-Synchronmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem eine sog. sensorlose Steuerung vorgesehen ist.The The present invention relates to a permanent magnet synchronous motor according to the generic term of claim 1, wherein a so-called. Sensorless control provided is.

Permanentmagnet-Synchronmotoren (PSM) finden in letzter Zeit im Vergleich zu herkömmlichen Schrittmotoren zunehmend Verwendung, da sie die Anforderungen nach einer hohen Zuverlässigkeit, einer hohen Leistungsdichte, einem hohen Wirkungsgrad und einem ruhigen Lauf besser erfüllen. Während bei herkömmlichen Schrittmotoren die Richtungsumschaltung des Stroms für die Statorwicklungen unabhängig von der Lage des Rotors bzw. der Lage der an dem Rotor vorgesehenen Permanentmagnete erfolgt, wird beim Synchronmotor synchron zum Rotor weitergeschaltet. Aufgrund der Orientierung am Rotormagnetfeld erlaubt daher der Synchronmotor den Einsatz höherer Drehmomente und damit eine höhere Dynamik. Auch die Drehzahlbereiche, in denen Synchronmotoren eingesetzt werden können, sind im Vergleich zu Schrittmotoren deutlich größer.Permanent magnet synchronous motors (PSM) lately compared to conventional stepper motors increasingly use, since they meet the requirements for a high Reliability, a high power density, a high efficiency and a to perform quieter running better. While at conventional Stepper motors the direction switching of the current for the stator windings independently from the position of the rotor or the position provided on the rotor Permanent magnets takes place, is synchronous with the synchronous motor to the rotor advanced. Due to the orientation on the rotor magnetic field allowed Therefore, the synchronous motor the use of higher torques and thus a higher one Dynamics. Also the speed ranges in which synchronous motors are used can be are significantly larger compared to stepper motors.

Ein klassischer Permanentmagnet-Synchronmotor besteht aus einem metallischen Rotor, der die Permanentmagnete trägt, sowie einem Stator, der die Wicklungen beherbergt. Üblicherweise ist der Motor als Drehstrommotor ausgeführt, wobei die Wicklungen zu drei Phasen in Stern oder Dreieck geschaltet sind.One Classic permanent magnet synchronous motor consists of a metallic Rotor, which carries the permanent magnets, as well as a stator, the houses the windings. Usually the motor is designed as a three-phase motor, with the windings to three phases are connected in star or delta.

Um sicherzustellen, dass der Synchronmotor tatsächlich synchron zum Rotor weitergeschaltet wird, ist eine im Vergleich zu einem Schrittmotor aufwendigere elektronische Kommutierung der Phasen erforderlich, da die Kommutierung möglichst genau an die Rotorlage angepasst werden muss. Diese Vorgehensweise wird üblicherweise als Feldorientierung bezeichnet (FOC bzw. Field Oriented Control), weil mit der Lage des Rotors auch die Lage des Magnetfelds erfasst wird und die geeignete Bestromung der Statorwicklung eingestellt werden kann. In der Vergangenheit wurden hierzu in erster Linie spezielle Lagesensoren eingesetzt, um die Rotorlage zu erfassen. Insbesondere ist hierbei der Einsatz sog. Hall-Sensoren oder Resolver bekannt.Around to ensure that the synchronous motor is actually indexed synchronously with the rotor, is a more expensive compared to a stepper motor electronic Commutation of the phases required, as the commutation possible must be adapted exactly to the rotor position. This approach becomes common referred to as field orientation (FOC or Field Oriented Control), because with the position of the rotor and the position of the magnetic field detected is set and the appropriate energization of the stator winding can be. In the past, this was primarily special position sensors are used to detect the rotor position. In particular, in this case the use of so-called. Hall sensors or resolver known.

Da durch den Einsatz zusätzlicher Sensoren allerdings die Anzahl der Bauelemente für den Motor erhöht wird, wurde nach Lösungen gesucht, um die Rotorlage auf anderem Wege zu ermitteln. Hierbei wurde eine sog. sensorlose Rotorsteuerung entwickelt, die darauf beruht, dass die durch die Rotormagnete in die Statorwicklungen induzierte Spannung, welche oftmals auch als elektromotorische Kraft bzw. Back EMF oder Gegenspannung bezeichnet wird, zur Lageerfassung des Rotors herangezogen wird. Diese Vorgehensweise beruht also darauf, dass die sich mit dem Rotor drehenden Permanentmagneten in die Statorwicklungen eine Spannung induzieren, deren Form bzw. Verlauf Auskunft über die Winkellage des Rotors gibt. Da bei dieser Vorgehensweise die Rotorlage ausschließlich durch die an den Wicklungen anliegende Spannung bzw. den Verlauf des Wicklungsstroms erfasst werden kann, kann auf den Einsatz separater Sensoren verzichtet werden.There through the use of additional Sensors, however, the number of components for the engine is increased, became solutions sought to determine the rotor position in other ways. This was developed a so-called sensorless rotor control based on that induced by the rotor magnets in the stator windings Stress, which often also as electromotive force or Back EMF or reverse voltage is called, for detecting the position of the rotor is used. This approach is based on the fact that the rotor rotating with the permanent magnet in the stator windings induce a voltage whose shape or course provides information about the Angular position of the rotor gives. As in this approach, the rotor position exclusively by the voltage applied to the windings or the course of the winding current can be detected on the use of separate Sensors are omitted.

9 zeigt den typischen Verlauf der Gegenspannung bei einem herkömmlichen Permanentmagnet-Synchronmotor, wie er heutzutage eingesetzt wird. Der Verlauf der Gegenspannung erinnert im weiteren Sinne an einen sinusförmigen Verlauf, wobei allerdings in den Bereichen der Maxima und Minima Bereiche bzw. Plateaus vorliegen, in denen die Gegenspannung nahezu konstant ist. Hierbei ergibt sich das Problem, dass in diesen Bereichen keine eindeutige Differenzierung möglich ist, was wiederum bedeutet, dass die Winkellage des Rotors nur mit einer begrenzten Genauigkeit bestimmt werden kann. Dies hat letztendlich zur Folge, dass eine Anpassung bzw. synchrone Ansteuerung der Wicklungen zur Rotorlage nur begrenzt möglich ist, weshalb sich sensorlose Motoren bislang lediglich in einem gewissen Umfang durchsetzen konnten. 9 shows the typical course of the reverse voltage in a conventional permanent magnet synchronous motor, as it is used today. The course of the countervoltage is reminiscent in a broader sense of a sinusoidal course, but in the areas of the maxima and minima areas or plateaus are present in which the counter-voltage is almost constant. This results in the problem that no clear differentiation is possible in these areas, which in turn means that the angular position of the rotor can only be determined with a limited accuracy. This ultimately has the consequence that an adaptation or synchronous control of the windings to the rotor position is only possible to a limited extent, which is why sensorless motors have so far been able to prevail only to a certain extent.

Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, bekannte Permanentmagnet-Synchronmotoren mit einer sensorlosen Steuerung derart weiter zu entwickeln, dass eine genauere Ansteuerung der Wicklungen synchron zur Rotorlage ermöglicht ist und dementsprechend die Einsatzmöglichkeiten eines derartigen Motors insgesamt erweitert werden.Of the present invention is based on the object, known Permanent magnet synchronous motors with sensorless control continue to develop such that a more accurate control of the Windings synchronous to the rotor position is possible and accordingly the possible uses be extended as a whole of such an engine.

Die Aufgabe wird durch einen Permanentmagnet-Synchronmotor, welcher die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The Task is by a permanent magnet synchronous motor, which having the features of claim 1, solved. Advantageous developments The invention is the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, den Motor derart weiter zu entwickeln, dass im Rahmen der sensorlosen Steuerung eine genauere Ermittlung der Winkellage des Rotors ermöglicht ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Rotor in spezieller Weise ausgebildet ist, insbesondere derart, dass die in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung nun einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf aufweist.The The present invention is based on the idea of further developing the engine to develop that in the context of sensorless control a more accurate determination the angular position of the rotor allows is. This is inventively characterized ensures that the rotor is designed in a special way, in particular in such a way that the countervoltage induced in the stator windings now a substantially sinusoidal History has.

Erfindungsgemäß wird also speziell die Ausgestaltung des Rotors derart beeinflusst, dass die in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung im Vergleich zu dem in 9 dargestellten Spannungsverlauf keine horizontalen Plateaus mehr aufweist. Stattdessen wird ein durchgängig sinusförmiger Verlauf angestrebt, der es letztendlich ermöglicht, in sämtlichen Positionen des Rotors dessen Winkellage mit einer hohen Genauigkeit zu bestimmen.According to the invention, the design of the rotor is thus influenced in particular in such a way that the countervoltage induced in the stator windings, in comparison to that in FIG 9 shown voltage curve has no horizontal plateaus more. Instead, a continuous sinusoidal course is sought, which ultimately allows, in all positions of the rotor to determine its angular position with high accuracy.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird deshalb ein Permanentmagnet-Synchronmotor vorgeschlagen, der einen mehrere Permanentmagnete tragenden Rotor, einen den Rotor umgebenden Stator mit Statorwicklungen sowie eine Steuerschaltung aufweist, welche den Statorwicklungen einen zeitveränderlichen Strom zuführt, wobei die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, eine durch den Rotor in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung zu ermitteln, auf Basis der ermittelten Gegenspannung die Winkellage des Rotors zu bestimmen und in Abhängigkeit von der ermittelten Winkellage des Rotors die Statorwicklungen anzusteuern, und wobei der Rotor derart ausgebildet ist, dass die in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf aufweist.According to the present Invention, therefore, a permanent magnet synchronous motor is proposed, the one a rotor carrying a plurality of permanent magnets, a rotor surrounding the rotor Stator having stator windings and a control circuit, which supplies a time-varying current to the stator windings, wherein the control circuit is adapted to a through the rotor in the stator windings induced to detect reverse voltage on Base of the determined counter tension to the angular position of the rotor determine and depending to control the stator windings from the determined angular position of the rotor, and wherein the rotor is formed such that in the stator windings induced countervoltage a substantially sinusoidal course having.

Die Art und Weise der Ausgestaltung des Rotors, durch die diese erfindungsgemäße Maßnahme erreicht wird, ist insbesondere Gegenstand der abhängigen Ansprüche. So wird das Ziel des im wesentlichen sinusförmigen Verlauf der Gegenspannung insbesondere dadurch erzielt, dass der Rotor eine verhältnismäßig starke magnetische Asymmetrie (Reluktanz) aufweist. Dies wird durch mehrere Maßnahmen erzielt, welche nachfolgend näher erläutert werden.The Manner of the design of the rotor through which this measure according to the invention achieved is particularly subject of the dependent claims. So becomes the goal of the substantially sinusoidal course of the counter tension achieved in particular by the fact that the rotor has a relatively strong magnetic asymmetry (reluctance) has. This is done by several measures achieved, which is closer below explained become.

So kann zunächst erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Permanentmagnete des Rotors nicht an dessen Außenumfang anliegen, sondern stattdessen innerhalb des Rotors angeordnet sind. Hierzu kann der Rotor in seinem Umfangsbereich sich in Axialrichtung erstreckende Ausnehmungen aufweisen, welche der Aufnahme der Permanentmagnete dienen. Die Ausnehmungen und damit die Permanentmagnete weisen hierbei vorzugsweise einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wobei jedoch besonders bevorzugt vorgesehen ist, dass an den Längsseiten der Permanentmagnete zusätzliche Aussparungen in den Ausnehmungen vorgesehen sind, welche bspw. halbkreisförmig ausgestaltet sind und der Reduzierung des magnetischen Streuflusses dienen. Die Aussparungen können ferner auch dazu dienen, Klebstoff oder eine andere Vergussmaße einzubringen, um die Magnete in einfacher Weise innerhalb des Rotors zu befestigen.So can first provided according to the invention be that the permanent magnets of the rotor is not on the outer periphery abuts, but instead are disposed within the rotor. For this For example, the rotor may extend axially in its peripheral area Have recesses, which recording the permanent magnets serve. The recesses and thus the permanent magnets have this preferably a substantially rectangular cross-section, however, it is particularly preferred that on the long sides the permanent magnets additional recesses are provided in the recesses, which, for example, designed semicircular and are used to reduce the magnetic leakage flux. The Recesses can also serve to introduce adhesive or other potting to easily fix the magnets within the rotor.

Eine weitere Maßnahme, welche entscheidend zur Ausbildung der erforderlichen Reluktanz des Rotors dient, besteht darin, dass im Außenumfangsbereich des Rotors zwischen den Magneten befindliche Ausnehmungen vorgesehen sind. Hierdurch wird die asymmetrische Impedanzverteilung des Rotors weiter erhöht, was letztendlich zur Ausbildung der gewünschten sinusförmigen Spannung beiträgt. Weiterhin kann durch die Maßnahme der Wirkungsgrad des Rotors verbessert werden, da durch das Einbringen dieser Ausnehmungen nicht nutzbare Oberwellenmomente vermieden werden. Dies führt ferner auch zu einer Reduzierung der Geräuschemission sowie zur Reduzierung der Drehmomentenwelligkeit innerhalb einer einzelnen Umdrehung des Rotors.A further consequences, which is crucial to the formation of the required reluctance of Rotor serves, is that in the outer peripheral region of the rotor are provided between the magnets located recesses. As a result, the asymmetric impedance distribution of the rotor continues elevated, which ultimately leads to the formation of the desired sinusoidal voltage contributes. Farther can by the measure the efficiency of the rotor can be improved because of the introduction These recesses unusable harmonic torques are avoided. This also leads also to a reduction of the noise emission as well as to the reduction the torque ripple within a single revolution of the Rotor.

Der Rotor selbst besteht vorzugsweise aus einer Vielzahl von in Axialrichtung hintereinander angeordneten Blechen, welche insbesondere aus einem magnetfluss-leitenden Material bestehen. Diese Bleche können dann jeweils die zuvor angesprochenen Ausnehmungen zur Aufnahme der Permanentmagnete sowie die Ausnehmungen im Umfangsbereich aufweisen. Stirnseitig können allerdings Bleche eingesetzt werden, bei denen auf die Ausnehmungen für die Magneten verzichtet wurde, so dass letztendlich jeder Magnet vollständig von den Blechen eingeschlossen wird.Of the Rotor itself preferably consists of a plurality of in the axial direction successively arranged sheets, which in particular from a magnetic flux conducting Material exist. These sheets can then each one before addressed recesses for receiving the permanent magnets and have the recesses in the peripheral region. Front side, however, can Sheets are used in which on the recesses for the magnets was dispensed, so that eventually every magnet completely from enclosed in the sheets.

Eine zusätzliche Weiterbildung kann ferner darin bestehen, dass sich die Magnete in Axialrichtung lediglich über einen Teilbereich des Rotors erstrecken. Dies ermöglicht es, die magnetischen und elektrischen Eigenschaften des Rotors bedarfsgerecht an die Geometrie des Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator anzupassen. Letztendlich führt dies dazu, dass der nutzbare Drehzahlbereich des Motors erhöht wird und eine verbesserte Drehmomentausbeute bei hohen Drehzahlen erzielt werden kann.A additional Further development may also consist in that the magnets in the axial direction only over extend a portion of the rotor. This makes it possible the magnetic and electrical properties of the rotor as needed to the geometry of the air gap between the rotor and the stator adapt. Ultimately, this leads to increase the usable speed range of the engine and achieved an improved torque output at high speeds can be.

Die bisher angesprochenen Maßnahmen zur Verbesserung des sensorlosen Permanentmagneten-Synchronmotors betrafen primär die Ausgestaltung des Rotors. Allerdings können auch am Stator zusätzliche Maßnahmen vorgesehen sein, um den angestrebten sinusförmigen Verlauf der Gegenspannung zu fördern. Hierbei kann insbesondere zunächst vorgesehen sein, die Statorwicklungen auf eine Vielzahl von Statornuten zu verteilen. Idealerweise ist hierbei wiederum eine sinusförmige Induktivitätsverteilung der Polwicklungen vorgesehen, was zu einer weiteren Verbesserung des Zusammenspiels zwischen Stator und Rotor führt.The previously mentioned measures to improve the sensorless permanent magnet synchronous motor were primarily the embodiment of the rotor. However, additional can be done on the stator activities be provided to the desired sinusoidal course of the reverse voltage to promote. This can in particular first be provided, the stator windings on a plurality of stator slots to distribute. Ideally, this again is a sinusoidal inductance distribution the pole windings provided, resulting in a further improvement the interaction between stator and rotor leads.

Eine weitere Maßnahme betrifft die Ausgestaltung der Statorwicklungen. Dabei ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, diese in Form von Etagenwicklungen zu realisieren, wobei dann die Wicklungen jeweils in vier Gruppen parallel geschaltet sind. Diese Mehrfachparallel-Schaltung erlaubt eine höhere Strombelastung, was insbesondere zu Vorteilen bei niedrigen Betriebsspannungen des Motors führt.A further consequences relates to the configuration of the stator windings. It is according to a special preferred embodiment provided to realize this in the form of stack windings, wherein then the windings each connected in parallel in four groups are. This multiple parallel circuit allows a higher current load, which especially to advantages at low operating voltages of the engine leads.

Letztendlich wird also ein Gesamtkonzept für einen sensorlosen Motor vorgeschlagen, der im Vergleich zu bislang realisierten Motoren deutliche Vorteil hinsichtlich seiner Betriebseigenschaften aufweist.Ultimately, therefore, an overall concept for a sensorless engine is proposed, which in comparison to previously realized engines clearly before having part in terms of its operating characteristics.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:following the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Permanent-Synchronmotors; 1 schematically the structure of a permanent-synchronous motor according to the invention;

2 die seitliche Ansicht eines bei dem erfindungsgemäßen Motors eingesetzten Permamentmagnet-Rotors; 2 the side view of a permanent magnet rotor used in the motor according to the invention;

3 eine Schnittdarstellung des Rotors gemäß dem Schnitt I-I in 2; 3 a sectional view of the rotor according to the section II in 2 ;

4 die Ansicht II-II des Rotors in 2; 4 the view II-II of the rotor in 2 ;

5 eine Schnittdarstellung in Axialrichtung des Rotors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; 5 a sectional view in the axial direction of the rotor according to a first embodiment;

6 eine Schnittdarstellung des Rotors in Axialrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; 6 a sectional view of the rotor in the axial direction according to a second embodiment;

7a bis 7c Darstellungen unterschiedlicher Möglichkeiten zur Ausgestaltung der Statorwicklungen; 7a to 7c Representations of different possibilities for the design of the stator windings;

8a die winkelabhängige Induktivität des Rotors; 8a the angle-dependent inductance of the rotor;

8b den sich bei dem erfindungsgemäßen Motor gebenden Verlauf der Gegenspannung und 8b the course of the counter-voltage and, in the case of the motor according to the invention, giving

9 den Verlauf der Gegenspannung bei einem Motor gemäß dem Stand der Technik. 9 the course of the reverse voltage in a motor according to the prior art.

Das in 1 dargestellte Blockschaltbild eines allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehenen erfindungsgemäßen Permanentmagneten-Synchronmotors entspricht dem klassischen Aufbau eines derartigen Motortyps. Kernelement des Motors 1 ist zunächst ein Permanentmagnet-Rotor 10, der drehbar innerhalb eines Stators 30 angeordnet ist. Der Stator 30 trägt die Statorwicklungen, welche auf eine Vielzahl von Statornuten verteilt sind und durch die Zuführung entsprechender Ströme ein sich drehendes Magnetfeld bereitstellen. Dieses wiederum wirkt mit den innerhalb des Permanentmagnet-Motors 10 angeordneten Magneten derart zusammen, dass eine Drehung des Rotors 10 erfolgt.This in 1 illustrated block diagram of a generally with the reference numeral 1 provided permanent magnet synchronous motor according to the invention corresponds to the classical structure of such a motor type. Core element of the engine 1 is initially a permanent magnet rotor 10 which is rotatable within a stator 30 is arranged. The stator 30 supports the stator windings which are distributed on a plurality of stator slots and provide a rotating magnetic field by supplying respective currents. This in turn interacts with those within the permanent magnet motor 10 arranged magnets together such that a rotation of the rotor 10 he follows.

Die Ansteuerung der Statorwicklungen erfolgt durch eine Steuerschaltung bzw. einen Stromregler 5, der unter Berücksichtigung im zugeführter externer Signale, welche beispielsweise eine Solldrehzahl U_soll für den Motor 1 oder ein gewünschtes Drehmoment vorgeben, eine ihm nachgeordnete Drehstrombrücke 6 ansteuert, welche entsprechend den Informationen des Stromreglers 5 einen zeitlich veränderlichen Statorstrom zur Verfügung stellt. Hierbei werden drei Statorwicklungen mit sinusförmigen Strömen versorgt, welche jeweils um 120° Phasen-versetzt sind. Durch den Einsatz sinusförmiger Ströme für die Statorwicklungen können dabei die Drehmomentenrippel während des Motorbetriebs vermieden werden, was zu einem ruhigeren Rotorlauf führt. Auf der anderen Seite muss die Ansteuerung der Statorwicklungen möglichst synchron zur Rotorstellung erfolgen, was durch den Stromregler 5 sichergestellt ist.The control of the stator windings is effected by a control circuit or a current regulator 5 taking into account in the supplied external signals, for example, a target speed U _soll for the engine 1 or specify a desired torque, a three-phase bridge downstream of it 6 controls, which according to the information of the current controller 5 provides a time-varying stator current. Here, three stator windings are supplied with sinusoidal currents, which are offset by 120 ° each phase. Through the use of sinusoidal currents for the stator windings while the torque ripple can be avoided during engine operation, resulting in a quieter rotor. On the other hand, the control of the stator windings must be as synchronous as possible to the rotor position, which by the current regulator 5 is ensured.

Im Gegensatz zu Lösungen, bei denen separate Sensoren zur Ermittlung der Rotorlage vorgesehen sind, ist hierbei ein sensorloser Betrieb vorgesehen. Dies bedeutet, dass keine zusätzlichen Sensoren als Bauteile eingesetzt werden, um die Rotorlage zu bestimmen. Stattdessen wird die Winkellage γ des Rotors 10 aus der in die Statorwicklungen induzierten Gegenspannung ermittelt, welche durch das sich drehende Magnetfeld des Permanentmagnet-Rotors 10 hervorgerufen wird. Durch Auswertung dieser induzierten Gegenspannung (Back EMF) kann also die Steuerschaltung 5 die Winkellage γ des Rotors 10 bestimmen und eine entsprechende Ansteuerung der Statorwicklungen vornehmen.In contrast to solutions in which separate sensors are provided for determining the rotor position, a sensorless operation is provided here. This means that no additional sensors are used as components to determine the rotor position. Instead, the angular position γ of the rotor 10 determined from the induced in the stator windings counter voltage, which by the rotating magnetic field of the permanent magnet rotor 10 is caused. By evaluating this induced back voltage (Back EMF) so the control circuit 5 the angular position γ of the rotor 10 determine and make a corresponding control of the stator windings.

Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Motors 1 besteht dabei darin, dass die durch den Rotor 10 induzierte Gegenspannung einen annähernd sinusförmigen Verlauf hat, was durch besondere Maßnahmen an dem Rotor 10 und dem Stator 30 bewirkt wird. Diese sollen nachfolgend näher erläutert werden, wobei zunächst die Ausgestaltung des Rotors näher besprochen und anschließend der Stator erläutert wird.The peculiarity of the engine according to the invention 1 consists in that by the rotor 10 induced counter-voltage has an approximately sinusoidal course, which by special measures on the rotor 10 and the stator 30 is effected. These will be explained in more detail below, with first the design of the rotor discussed in more detail and then the stator is explained.

2 zeigt zunächst eine seitliche Ansicht des Rotors 10, der mittels einer nicht näher beschriebenen Achse 7 drehbar innerhalb des Stators 30 angeordnet ist. Der Rotor 10 besteht aus einem Paket von in Axialrichtung hintereinander angeordneten Blechen 11, deren Ausgestaltung der Darstellung in 3 entnommen werden kann. Jedes Blech 11 besitzt dabei eine kreisartige Form mit einer Durchgangsöffnung 11a zur Durchführung der Rotorachse 7. 2 first shows a side view of the rotor 10 , by means of an unspecified axis 7 rotatable within the stator 30 is arranged. The rotor 10 consists of a package of plates arranged one behind the other in the axial direction 11 , whose embodiment of the representation in 3 can be removed. Every sheet 11 has a circular shape with a through hole 11a for carrying out the rotor axis 7 ,

Die grundsätzliche Ausgestaltung eines Rotors durch ein derartiges Blechpaket ist bereits hinlänglich bekannt. Eine erste Besonderheit besteht nunmehr allerdings darin, dass die Permanentmagnete 20 bzw. 21 nicht an der Außenseite des Rotors 10 angeordnet sondern stattdessen in diesem aufgenommen sind. Hierzu weisen die Bleche 11 im Umfangsbereich befindliche Ausnehmungen 13, 14 auf, welche zur Aufnahme der Magnete 20, 21 vorgesehen sind. Die Ausnehmungen 13, 14 und damit auch die Magnete 20, 21 weisen einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wodurch der Einsatz herkömmlicher, quaderfömiger Stabmagnete für die Permanentmagnete 20, 21 ermöglicht wird. Dies trägt zunächst zu einer kostengünstigeren Herstellung des Rotors 10 bei.The basic design of a rotor through such a laminated core is already well known. A first special feature, however, is that the permanent magnets 20 respectively. 21 not on the outside of the rotor 10 arranged but instead are included in this. For this purpose, the sheets 11 in the peripheral region recesses 13 . 14 on, which for receiving the magnets 20 . 21 are provided. The recesses 13 . 14 and with it the magnets 20 . 21 have a substantially rectangular cross-section, whereby the use of conventional, cuboid bar magnets for the permanent magnets 20 . 21 is possible. This initially contributes to a more cost-effective production of the rotor 10 at.

Des Weiteren besteht allerdings ein besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung auch darin, dass durch die Anordnung der Magnete 20, 21 unterhalb der Oberfläche des Rotors 10 die Ausbildung eines magnetischen Streuflusses, welcher den Motorbetrieb negativ beeinträchtigen könnte, reduziert wird. Hierzu trägt ferner auch bei, dass die Ausnehmungen 13, 14 zur Aufnahme der Magnete 20, 21 an ihren beiden Enden jeweils zusätzliche Aussparungen 13a, 14a aufweisen, welche gemäß der Darstellung vorzugsweise halbkreisförmig ausgebildet sind. Auch andere Formen für diese Aussparungen 13a, 14a, welche ebenfalls die Ausbildung des magnetischen Streuflusses reduzieren, wären möglich. Darüber hinaus bieten diese Aussparungen 13a, 14a auch eine einfache Möglichkeit zur Befestigung der Magnete 20, 21, da in sie ein Klebstoff oder andere Vergussmassen eingebracht werden können, um die Magnete 20, 21 sicher innerhalb des Rotors 10 zu lagern. Eine Weitere Funktion dieser Aussparungen 13a, 14a kann auch darin bestehen, diese optional zur Ausbildung eines Anlaufkäfigs für den Motor 1 zu nutzen. Anzumerken ist ferner, dass anstelle der dargestellten vier Permanentmagnete die Anzahl dieser auch variiert werden kann.Furthermore, however, a particular advantage of this embodiment is also that by the arrangement of the magnets 20 . 21 below the surface of the rotor 10 the formation of a magnetic stray flux, which could negatively affect the engine operation, is reduced. This also contributes to the fact that the recesses 13 . 14 for holding the magnets 20 . 21 at each of its two ends additional recesses 13a . 14a have, which are formed according to the illustration preferably semicircular. Also other shapes for these recesses 13a . 14a , which also reduce the formation of the magnetic leakage flux, would be possible. In addition, these recesses provide 13a . 14a also a simple way to attach the magnets 20 . 21 in that an adhesive or other potting compounds can be introduced into them, around the magnets 20 . 21 safe inside the rotor 10 to store. Another function of these recesses 13a . 14a may also consist in this optional for the formation of a starter cage for the engine 1 to use. It should also be noted that instead of the illustrated four permanent magnets, the number of these can also be varied.

Um zusätzlich eine Sicherung der Magnete 20, 21 in Axialrichtung zu erhalten, sind ferner die beiden stirnseitigen Bleche 12, wie in 4 dargestellt, ohne diese Ausnehmungen 13, 14 ausgestaltet. Dementsprechend sind die Magnete 20, 21 allseitig von den Blechen 11 bzw. 12 umschlossen, so dass sie sicher innerhalb des Rotors 10 gehalten werden.In addition, a fuse of the magnets 20 . 21 To obtain in the axial direction, are also the two end plates 12 , as in 4 shown without these recesses 13 . 14 designed. Accordingly, the magnets 20 . 21 all sides of the sheets 11 respectively. 12 enclosed, so that they are safe inside the rotor 10 being held.

Eine weitere Besonderheit des erfindungsgemäßen Rotors 10 besteht in Ausnehmungen 15, welche im Außenumfangsbereich der einzelnen Bleche 11 angeordnet sind, insbesondere im Bereich zwischen zwei benachbarten Magneten 20, 21. Diese Ausnehmungen 15 bewirken eine Trennung zwischen einzelnen Polschuhen 16 des Rotors 10 und haben zur Folge, dass der Rotor 10 eine starke magnetische Asymmetrie zwischen der Querinduktivität L_q und der Längsinduktivität L_d aufweist. Diese magnetische Asymmetrie bzw. Reluktanz des Rotors erlaubt letztendlich eine genaue Rotorlageermittlung ohne den Einsatz spezieller Sensoren. Dies kann der Darstellung in 8a entnommen werden, welche die Winkelabhängigkeit der Induktivität des Rotors 10 zeigt. Erkennbar ist, dass diese eine sinusähnliche Form aufweist, was dann letztendlich auch zu der Generierung der angestrebten im wesentlichen sinusförmigen Gegenspannung beiträgt. Ferner kann der Darstellung in 8a entnommen werden, dass kleine Unterschiede in den aufeinander folgenden Maximal- bzw. Minimalwerten vorliegen, was auf Hystereseeffekte zurückzuführen ist und die Möglichkeit eröffnet, eindeutig zwischen Nord- und Südpol des Rotors 10 zu unterscheiden. Insbesondere bei der Drehzahl 0 und bei niedrigen Drehzahlen liefert dementsprechend diese ausgeprägte Kurvenform des Induktivitätsverlaufs ein für die Rotorlageerkennung eindeutig auswertbares Signal.Another special feature of the rotor according to the invention 10 exists in recesses 15 , which in the outer peripheral area of the individual sheets 11 are arranged, in particular in the region between two adjacent magnets 20 . 21 , These recesses 15 cause a separation between individual pole shoes 16 of the rotor 10 and cause the rotor 10 has a strong magnetic asymmetry between the transverse inductance L _q and the longitudinal inductance L _d . This magnetic asymmetry or reluctance of the rotor ultimately allows accurate rotor position determination without the use of special sensors. This may be the illustration in 8a taken from the angle dependence of the inductance of the rotor 10 shows. It can be seen that this has a sinusoidal shape, which then ultimately also contributes to the generation of the desired essentially sinusoidal countervoltage. Furthermore, the illustration in FIG 8a It can be seen that there are small differences in the successive maximum and minimum values, which is due to hysteresis effects and opens the possibility of clearly between north and south pole of the rotor 10 to distinguish. Accordingly, in particular at the speed 0 and at low speeds, this pronounced curve shape of the inductance curve supplies a signal which can be evaluated unambiguously for the rotor position detection.

Anzumerken ist, dass die durch die Ausnehmungen 15 gebildeten Polschuhe 16 annähernd eine Kreissegmentform aufweisen, wobei allerdings das Zentrum der jeweiligen Kreisform nicht zwingend mit dem Zentrum des Rotors 10 zusammenfällt. Stattdessen besitzen die Polschuhe 16 eine etwas stärker Krümmung, was weiter zum Ausprägen der starken magnetischen Asymmetrie beiträgt.It should be noted that the through the recesses 15 formed pole shoes 16 have approximately a circle segment shape, although the center of the respective circular shape is not necessarily with the center of the rotor 10 coincides. Instead, have the pole shoes 16 a slightly greater curvature, which further contributes to the expression of strong magnetic asymmetry.

Die Permanentmagnete 20, 21 können sich gemäß der Darstellung in 5 über die gesamte Axiallänge des Rotors 10 erstrecken. Alternativ hierzu wäre es allerdings gemäß der Darstellung in 6 auch denkbar, dass sich die Magnete 20, 21 lediglich über einen mittleren Teilbereich erstrecken. Diese spezielle Ausgestaltung hat zur Folge, dass die Induktivität in d-Richtung weiter vergrößert wird, was von Vorteil ist, falls der Motor mit einem zusätzlichen feldbildenden Statorstrom gespeist werden soll. Durch die größere Induktivität in d-Richtung ergibt sich ein dementsprechend größerer Spannungsabfall, welcher die generatorisch erzeugte Spannung durch die Magnete 20, 21 kompensiert. Dies wiederum bedeutet, dass der Motor mit einer höheren Drehzahl betrieben werden kann, ohne dass die Stromrichterausgangsspannung erhöht werden muss. Es besteht dementsprechend die Möglichkeit, die Drehzahl des Motors über seine Bemessungsdrehzahl hinaus zu erhöhen, d.h. die Motorleistung bleibt bis zu einem von der Auslegung des Motors abhängigen Wert konstant bei gegebener Bemessungsleistung.The permanent magnets 20 . 21 can, as shown in 5 over the entire axial length of the rotor 10 extend. Alternatively, however, it would be as shown in FIG 6 also possible that the magnets 20 . 21 extend only over a central portion. This special design has the consequence that the inductance in the d-direction is further increased, which is advantageous if the motor is to be fed with an additional field-forming stator current. Due to the larger inductance in the d-direction results in a correspondingly greater voltage drop, which is the generator generated voltage through the magnets 20 . 21 compensated. This in turn means that the motor can be operated at a higher speed without having to increase the power converter output voltage. There is accordingly the possibility of increasing the speed of the motor beyond its rated speed, ie the motor power remains constant up to a value dependent on the design of the motor for a given rated power.

Die bisherigen Maßnahmen, welche zur Ausbildung der möglichst sinusförmigen Gegenspannung beitragen, beschränkten sich auf den Rotor 10. Nachfolgend sollen nun Maßnahmen an dem Stator 30 erläutert werden, welche ebenfalls den Zweck verfolgen, die sinusfömige Zusammenwirkung und damit eine verbesserte sensorlose Steuerung zu unterstützen.The previous measures, which contribute to the formation of the most sinusoidal counter-voltage, limited to the rotor 10 , Below are now measures on the stator 30 which also serve the purpose of supporting the sinusoidal interaction and thus improved sensorless control.

Eine erste Maßnahme besteht hierbei in einer Verteilung der Statorwicklung auf mehrere Nuten bzw. Polzähne, was zu einem näherungsweise sinusförmigen Feldverlauf des durch die Statorwicklungen gebildeten Magnetfelds führt. Hierbei besteht die Möglichkeit, die Wicklung in Serie oder in zwei Gruppen parallel zu schalten, wie den Darstellungen in den 7a und 7b entnommen werden kann. Beide Figuren zeigen schematisch den Verlauf der drei Statorwicklungen in den zwischen den Zähnen 31 gebildeten Statornuten 32. 7a zeigt dabei eine Serienschaltung, während hingegen die Wicklungen bei dem Schema gemäß 7b in zwei Gruppen parallel geschaltet sind.A first measure consists in a distribution of the stator winding on a plurality of grooves or pole teeth, resulting in an approximately sinusoidal field profile of the magnetic field formed by the stator windings. Here is the Possibility to connect the winding in series or in two groups in parallel, as the representations in the 7a and 7b can be removed. Both figures show schematically the course of the three stator windings in between the teeth 31 formed Statornuten 32 , 7a shows a series connection while, however, the windings in the scheme according to 7b are connected in parallel in two groups.

Bei dem erfindungsgemäßen Motor besteht nunmehr die Möglichkeit, die Wicklungen in Serie oder zwei Gruppen parallel zu schalten. Darüber hinaus besteht eine besonders bevorzugte und in 7c dargestellte Variante darin, die Wicklungen in vier Gruppen parallel zu schalten. Das sich hierbei ergebende Wicklungsschema hat zur Folge, dass sich die Windungszahl pro Nut vervielfacht. Dies wiederum hat zur Folge, dass die Wicklungen auch für sehr kleine Spannungen – beispielsweise bei einem Batteriebetrieb – genau ausgeführt werden können.In the motor according to the invention, it is now possible to connect the windings in series or in two groups in parallel. In addition, there is a particularly preferred and in 7c illustrated variant is to switch the windings in four groups in parallel. The resulting winding scheme has the consequence that the number of turns per groove multiplied. This in turn means that the windings can also be designed precisely for very small voltages-for example, during battery operation.

In vorteilhafter Weise erfolgt die Anordnung der Wicklungen ferner in Etagen, was zur Folge hat, dass sich gegenüber herkömmlichen Anordnungen in zwei Etagen eine kleinere mittlere Wicklungslange durch kürzere Stirnverbindungen ergibt. Hierdurch verringert sich der Kupferbedarf für die gesamten Statorwicklungen, was wiederum zu einer kostengünstigen Realisierung des erfindungsgemäßen Motors beiträgt.In Advantageously, the arrangement of the windings takes place further in floors, which has the consequence that over conventional arrangements in two Store a smaller average winding length through shorter end connections results. This reduces the copper requirement for the entire stator windings, which in turn becomes a cost effective one Realization of the motor according to the invention contributes.

Die Wicklungsstrange werden vorzugsweise in einer Dreiecksschaltung verschaltet. Diese Anordnung ist an sich problematisch, da sie bislang zu verhältnismäßig hohen Verlusten führte. Da gemäß der vorliegenden Erfindung das Grundfeld allerdings möglichst sinusförmig ausgestaltet ist, tritt keine dritte Oberwelle in der Spannung auf, was zur Folge hat, dass zusätzliche Verluste, welche durch zusätzliche Kreisströme hervorgerufen werden könnten, vermieden werden. Die Bemessungsleistung des Motor muss dementsprechend nicht reduziert werden, was zur Folge hat, dass der Wirkungsgrad des Motors deutlich größer ist als bei einem herkömmlichen Motor, in dem sich Kreisströme ausbilden können.The Winding strings are preferably in a triangular circuit connected. This arrangement is problematic in itself, as it has so far to relatively high Losses resulted. As according to the present Invention designed the basic field, however, sinusoidal possible is, occurs no third harmonic in the voltage, what the result has that extra Losses caused by additional circulating currents could become, be avoided. The rated power of the motor must be accordingly not be reduced, which has the consequence that the efficiency the engine is significantly larger as in a conventional one Engine in which circulating currents can train.

Letztendlich führt also die gesamte Ausgestaltung des Motors in der erfindungsgemäßen Weise dazu, dass – wie in 8b dargestellt – die durch den sich drehenden Rotor in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung einen annähernd sinusfömigen Verlauf hat. Dies ermöglicht im Vergleich zu dem Verlauf der Gegenspannung gemäß dem Stand der Technik von 9 eine bei jeder Drehzahl und Stellung des Rotors deutlich präzisere Ermittlung der Rotorwinkellage und dementsprechend eine genauere und effektivere Ansteuerung des Motors.Ultimately, therefore, the entire design of the engine in the manner according to the invention leads to the fact that - as in 8b shown - the induced by the rotating rotor in the stator windings counter voltage has an approximately sinusoidal course. This allows in comparison to the course of the counter-tension according to the prior art of 9 a clearly more precise determination of the rotor angle position at each rotational speed and position of the rotor, and accordingly a more accurate and more effective control of the motor.

Durch die vorliegende Erfindung wird also ein Gesamtkonzept für einen Permanentmagnet-Synchronmotor zur Verfügung gestellt, der aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften und seinem optimierten Wirkungsgrad vielfältig eingesetzt werden kann. Die hierbei vorgesehenen Maßnahmen können dabei kostengünstig realisiert werden, was einen weiteren Vorteil der Erfindung darstellt.By Thus, the present invention is an overall concept for a Permanent magnet synchronous motor provided due to its excellent properties and its optimized efficiency diverse can be used. The measures provided here can economical be realized, which represents a further advantage of the invention.

Claims

Permanent magnet synchronous motor ( 1 ), comprising • a plurality of permanent magnets ( 20 . 21 ) bearing rotor ( 10 ), • one the rotor ( 10 ) surrounding stator ( 30 ) with stator windings, and • a control circuit ( 5 ), which supplies a time-variable current to the stator windings, wherein the control circuit ( 5 ) is adapted to one through the rotor ( 10 ) to determine counter tension induced in the stator windings, on the basis of the determined counter voltage, the angular position (γ) of the rotor ( 10 ) and in dependence on the determined angular position (γ) of the rotor ( 10 ) to drive the stator windings, characterized in that the rotor ( 10 ) is designed such that the counter-voltage induced in the stator windings has a substantially sinusoidal profile.

Permanent magnet synchronous motor according to claim 1, characterized in that the permanent magnets ( 20 . 21 ) within the rotor ( 10 ) are arranged.

Permanent magnet synchronous motor according to claim 2, characterized in that the rotor ( 10 ) in the peripheral region extending in the axial direction recesses ( 13 . 14 ), in which the permanent magnets ( 20 . 21 ) are arranged.

Permanent magnet synchronous motor according to claim 3, characterized in that the permanent magnets ( 20 . 21 ) have a substantially rectangular cross-section or are cuboidal.

Permanent magnet synchronous motor according to claim 4, characterized in that the recesses ( 13 . 14 ) for receiving the permanent magnets ( 20 . 21 ) on the longitudinal sides of the permanent magnets ( 20 . 21 ) Recesses ( 11a . 12a ) exhibit.

Permanent magnet synchronous motor according to claim 5, characterized in that the recesses ( 13a . 14a ) are semicircular.

Permanent magnet synchronous motor according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor ( 10 ) in Außenumfangsbe rich between the magnets ( 20 . 21 ) recesses ( 15 ) having.

Permanent magnet synchronous motor according to one of the preceding claims, characterized in that the permanent magnets ( 20 . 21 ) seen in axial directions only over a portion of the rotor ( 10 ).

Permanent magnet synchronous motor according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor ( 10 ) of a plurality of axially successively arranged sheets ( 11 ) consists.

Permanent magnet synchronous motor according to claim 9, characterized in that the sheets ( 11 ) consist of a magnetic flux-conducting material.

Permanent magnet synchronous motor according to one of the preceding claims, characterized in that the stator windings on a plurality of stator slots ( 32 ) are distributed.

Permanent magnet synchronous motor according to claim 11, characterized in that the stator windings to four-groups are connected in parallel.