DE102010007617B4

DE102010007617B4 - Verfahren und Vorrichtung für eine Permanentmagnetmaschine mit asymmetrischen Rotormagneten

Info

Publication number: DE102010007617B4
Application number: DE102010007617.1A
Authority: DE
Inventors: Khwaja M. Rahman; Edward L. Kaiser; Peter J. Savagian
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2030-02-12
Also published as: US8174158B2; US20100213781A1; CN101820238A; CN101820238B; DE102010007617A1

Abstract

Permanentmagnetmaschine mit innenliegenden Magneten (110A, 110B), die umfasst:einen Stator;einen Rotor (104), der zur magnetischen Interaktion mit dem Stator ausgestaltet ist, wobei der Rotor (104) eine äußere Oberfläche und eine Vielzahl von Polen aufweist, welche durch jeweilige Polachsen (150A, 150B) definiert sind;eine Vielzahl von Rotorbarrieren (125), die innerhalb des Rotors (104) bereitgestellt sind; undeine Vielzahl von Permanentmagneten (110A, 110B), die innerhalb des Rotors (104) derart angeordnet sind, dass die Magneten (110A, 110B) mit Bezug auf die Polachsen (150A, 150B) asymmetrisch ausgestaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dassdie Vielzahl von Polen einen ersten Pol und einen zweiten Pol umfasst, wobei die Magnete (110A) innerhalb des ersten Pols nicht die gleiche Ausgestaltung wie die Magnete (110B) innerhalb des zweiten Pols aufweisen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein magnetische Einrichtungen, wie etwa Elektromotoren, und sie betrifft insbesondere Permanentmagnetmaschinen mit innenliegenden Magneten.
Permanentmagnetmaschinen mit innenliegenden Magneten (IPM-Maschinen) werden aufgrund ihrer wünschenswerten Eigenschaften - d.h. gute Drehmomentdichte, guter Gesamtwirkungsgrad, guter Konstantleistungsbereich usw. - für den Betrieb von Brennstoffzellen- und Hybridelektrofahrzeugen bevorzugt. Bei einer Permanentmagnetmaschine wird das Rotorfeld durch dessen Struktur erhalten, anders als bei anderen Maschinen, wie etwa Induktionsmaschinen und Maschinen mit geschalteter oder synchroner Reluktanz, bei denen das Feld durch einen Statorstrom erzeugt wird, der von einer Quelle bereitgestellt wird. Als Folge weisen Permanentmagnetmaschinen im Vergleich zu anderen derartigen Maschinen einen überlegenen Wirkungsgrad auf.
Wie Maschinen mit oberflächenmontierten Permanentmagneten ist jedoch auch eine IPM-Maschine durch die Tatsache belastet, dass das Permanentmagnetfeld selbst dann vorhanden ist, wenn die Maschine nicht mit Leistung versorgt wird, was zu Verlusten führt, die durch das rotierende Permanentmagnetfeld des Rotors induziert werden. Darüber hinaus unterliegen derartige Strukturen einem Welligkeits- und Nutrastmoment, das zwei Hauptquellen aufweist. Die erste sind Wicklungsoberwellen, deren Hauptteil die 6-te Oberwelle ist, die von den 5-ten und 7-ten Oberwellen des Wicklungsraums erzeugt wird. Diese Wicklungsoberwellen können verringert werden, indem der Wicklungsabstand verkürzt wird. Zum Beispiel kann bei einem Entwurf mit sechs Nuten je Pol der Wicklungsabstand um eine Nut verkürzt werden (eine Abstandsverkürzung um 1/6).
Die zweite und wesentlichste Quelle der Drehmomentwelligkeit ist der Nutungseffekt (englisch: slotting effect), der durch das Versenken des Magneten im Inneren des Rotors herbeigeführt wird. Die Interaktion zwischen den Rotornuten und den Staturnuten (den Wicklungsnuten) erzeugt eine wesentliche Drehmomentwelligkeit. Eine Möglichkeit zur Minimierung dieses Effekts besteht im Abschrägen (englisch: skew) entweder des Rotors oder des Stators, was zu einer gewissen Mittelwertbildung führt, wodurch effektiv ein Großteil der Drehmomentwelligkeit und des Nutrastens beseitigt wird. Das Abschrägen ist in der Industrie weitgehend bekannt und wird routinemäßig ausgeführt, um das Nutrast- und Welligkeitsdrehmoment zu verringern. Jedoch verringert dieser Ansatz ein Maschinendrehmoment und erhöht die Komplexität und die Kosten der Herstellung.
Die US 2008 0231135 A1 offenbart einen Rotor mit innenliegenden Magneten nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 6 und 8.
In der US 2008 0224558 A1 ist ein Permanentmagnetmotor mit innenliegenden Magneten und Flussbarrieren im Rotor offenbart, der im Rotor nichtlineare, mit Magneten gefüllte Nuten aufweist. Die Nuten weisen in einem inneren Bereich einen größeren Abstand zur Rotoroberfläche auf als an ihren zwei Endbereichen.
Die US 2007 0228861 A1 offenbart einen Rotor mit innenliegenden Permanentmagneten, der mit Nuten oder Rillen an der Oberfläche versehen ist, um eine Leckage des Magnetflusses zu verringern.
In der DE 10 2007 014 973 A1 sind Rotoren mit innenliegenden Permanentmagneten und Herstellungsverfahren offenbart, bei denen die Rotorpole durch flüssiges Magnetmaterial, das in Hohlräume des Rotors injiziert wurde und sich dort verfestigt hat, gebildet sind, wobei die Permanentmagnete teilweise aus zwei Magnetmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften bestehen.
Die DE 10 2008 018 948 A1 offenbart Verfahren zum Bilden eines Magneten in einem Rotor, bei denen magnetisierbare Partikel in Verbindung mit einem nicht metallischen Material in einen Rotor eingesetzt und dort magnetisiert werden.
Folglich ist es wünschenswert, verbesserte herstellbare IPM-Maschinen bereitzustellen, die das Nutrasten und die Drehmomentwelligkeit verringern. Andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden genauen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem vorstehenden technischen Gebiet und Hintergrund.
Figurenliste
Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung kann durch Bezugnahme auf die genaue Beschreibung und die Ansprüche erreicht werden, wenn diese in Verbindung mit den folgenden Figuren gelesen werden, wobei in allen Figuren gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen.

1a und 1b stellen verschiedene Permanentmagnetmaschinen mit innenliegenden Magneten (IPM-Maschinen) im Querschnitt dar; und
2 stellt eine IPM-Maschine gemäß einer Ausführungsform im Querschnitt dar.

GENAUE BESCHREIBUNG
Die folgende genaue Beschreibung ist rein darstellender Natur und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungsmöglichkeiten der Erfindung einzuschränken. Darüber hinaus besteht keine Absicht, durch irgendeine explizite oder implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem vorstehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der folgenden genauen Beschreibung dargestellt ist. Die Erfindung kann hier mit Hilfe von funktionalen und/oder logischen Blockkomponenten und verschiedenen Verarbeitungsschritten beschrieben sein. Es ist festzustellen, dass derartige Blockkomponenten durch eine beliebige Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmwarekomponenten realisiert sein können, die zum Ausführen der angegebenen Funktionen ausgestaltet sind. Der Kürze halber sind herkömmliche Techniken und Systeme mit Bezug auf Elektromotoren, Magnetismus und dergleichen hier nicht im Detail beschrieben.
Die verschiedenen Ausführungsformen sind allgemein auf eine Permanentmagnetmaschine („PM-Maschine“) und insbesondere auf eine Permanentmagnetmaschine mit innenliegenden Magneten („IPM-Maschine“) gerichtet, welche Rotormagnete enthält, die bezüglich des Rotorumfangs asymmetrisch ausgestaltet sind, wodurch sie einen Mittelwertbildungseffekt erzeugen, der demjenigen ähnelt, der durch das traditionelle Abschrägen der Rotormagnete erreicht wird. Bei alternativen Ausführungsformen können die Spanne, die Platzierung und/oder die Gestalt der Magneten von einem Pol zum nächsten variieren.
Wie bekannt ist, enthalten PM-Maschinen mit innenliegenden Magneten oft eine oder mehrere Rotorbarrieren (oder einfach „Barrieren“). Zum Beispiel veranschaulichen 1(a) und 1(b) teilweise Querschnitte durch verschiedene beispielhafte IPM-Maschinen 100 mit Rotoren mit einfachen und doppelten Barrieren. Insbesondere veranschaulicht 1(a) einen Rotor 104 mit Magneten 110 und Lufttaschen 125, die in die Struktur an verschiedenen Stellen mit Bezug auf die Magnete 110 eingebaut sind. Wie es üblich ist, enthält die IPM 100 einen Stator 101 mit einer Vielzahl von Wicklungen 102, die mit Magneten 110 innerhalb des Rotors 104 magnetisch interagieren. Innerhalb des Rotors 104 sind verschiedene Hohlräume vorgesehen und alle oder ein Teil dieser Hohlräume können auf herkömmliche Weise mit Permanentmagneten gefüllt sein oder auch nicht, in Abhängigkeit von der Anzahl von Schichten, die in die Struktur eingebaut sind.
1(b) stellt insbesondere einen PM-Rotor mit zwei Barrieren dar, wobei die zweite Barriere teilweise mit Magneten 110 gefüllt ist. Die in 1(b) gezeigte hinzugefügte zweite Barriere fügt dem Magnetfeld, das von der unteren Magnetbarriere erzeugt wird, einen zusätzlichen Widerstand hinzu, wodurch der Magnetfluss im Luftspalt verringert wird. Das Hinzufügen der zweiten Barriere im Rotor kann jedoch den Rotor mechanisch schwächen. Zudem ist bei einigen Maschinen das Hinzufügen einer beliebigen derartigen zweiten Barriere geometrisch nicht durchführbar (z.B. bei dem Rotor von 1(a)).
Es können auch Rotoren mit mehr als zwei Barrieren bereitgestellt werden; derartige Entwürfe erhöhen die Komplexität der Herstellung jedoch in ungewünschter Weise. Das Erhöhen der Anzahl von Barrieren verbessert die Ausprägung oder Schenkeligkeit (englisch: saliency) des Rotors und verbessert damit das Maschinendrehmoment. Darüber hinaus wirkt die zweite Rotorbarriere oft als eine Barriere für die innere Magnetschicht, wodurch sie folglich den Magnetfluss im Luftspalt verringert. Das Verringern des Magnetflusses im Luftspalt verringert das magnetische Moment, wird aber durch die erhöhte Ausprägung des Rotors in gewisser Weise kompensiert.
Bei Hybridanwendungen, wenn die PM-Maschine Teil eines Getriebes ist, rotiert die Maschine sehr oft in Verbindung mit einem anderen Zahnradsatz, obwohl die Maschine kein Drehmoment oder ein sehr geringes Drehmoment erzeugt. Wenn der Betrieb ohne Last oder mit leichter Last ein wesentlicher Teil des Maschinenfahrzyklus ist, ist der Gesamtwirkungsgrad des Getriebes betroffen. Ein rotierender Magnetfluss induziert auch eine Spannung in der Statorwicklung, die allgemein als Gegen-EMK bezeichnet wird. Der hohe Magnetfluss eines Permanentmagnetrotors kann im Stator eine sehr hohe Spannung induzieren, speziell bei einem Betrieb der Maschine mit hoher Drehzahl. Daher ist bei derartigen Maschinen das Verringern des Luftspaltflusses der Maschine sehr wünschenswert.
Wie in 1a und 1b gezeigt ist, ist bei herkömmlichen IPM-Maschinen jede Ausgestaltung der Magnete 110 symmetrisch - d.h. sie zeigen eine Achsensymmetrie mit Bezug auf eine Achse 150 (oder auf eine senkrechten Ebene dort hindurch) für den veranschaulichten Pol.
Im Gegensatz dazu veranschaulicht 2 eine IPM-Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher Magnete 110 mit Bezug auf zugehörige Achsen 150 innerhalb jedes Pols asymmetrisch angeordnet sind. Das heißt, dass Magnete 110B keine zweifache Achsensymmetrie mit Bezug auf die Achse 150B zeigen. Auf die gleiche Weise zeigen Magnete 110A keine zweifache Achsensymmetrie mit Bezug auf eine Achse 150A. Wie zuvor erwähnt wurde, kann die Natur und das Ausmaß der Asymmetrie für jeden Pol gleich oder für jeden Pol verschieden sein (wie in 2 veranschaulicht ist).
Die Asymmetrie der IPM-Maschine mit Bezug auf die Polachsen 150 kann auf viele Weisen erreicht werden - d.h. nicht nur durch eine geometrische Asymmetrie, wie in 2 veranschaulicht ist. Zum Beispiel können Magnete 110 unterschiedliche Abmessungen (z.B. Massen) oder Gestalten aufweisen. Dies wird hier allgemein als eine Rotorbarrierenasymmetrie bezeichnet. Jede beliebige asymmetrische Konfiguration, die einen Mittelwertbildungseffekt erzeugt, der demjenigen ähnelt, der durch das herkömmliche Abschrägen der Rotormagnete erreicht wird, kann verwendet werden.
Allgemein können die Abmessung, die Stelle und die Geometrie jedes Magnets 110 gewählt werden, um die gewünschte Asymmetrie zu erreichen und damit das gewünschte Niveau an Mittelwertbildung für den Rotor 106 bereitzustellen. Eine derartige Optimierung kann empirisch oder mit Hilfe von herkömmlichen Computermodellierungsverfahren, die in der Technik bekannt sind, ausgeführt werden.
Obwohl 2 eine Querschnittsansicht von Magneten 110 und Lufttaschen 125 veranschaulicht, ist zu verstehen, dass sich der Hohlraum in den Rotor 104 hinein erstreckt und ein dreidimensionales Volumen definiert, das eine beliebige geeignete Gestalt aufweist. Der Rotor 104 wird geeignet ausgebildet, indem Hohlräume geschaffen werden, die dann ganz oder teilweise durch einen Magnet 110 gefüllt werden, wobei in diesem Fall verschiedene Lufttaschen, d.h. die Lufttaschen 125, benachbart dazu ausgebildet werden. Der Begriff „Hohlraum“ wird folglich verwendet, um die leeren Regionen zu bezeichnen, die vor dem Einbringen des Magnets 110 existieren.
In 2 sind Paare rechteckiger Magnete 110 zueinander gewinkelt ausgestaltet - d.h. sie definieren einen stumpfen Winkel, der zu der Statoroberfläche nach außen zeigt. Es ist zu verstehen, dass durch diese Erfindung viele andere Ausgestaltungen in Betracht gezogen werden.
Obwohl mindestens eine beispielhafte Ausführungsform in der vorstehenden genauen Beschreibung dargestellt wurde, ist festzustellen, dass eine große Anzahl an Variationen existiert. Zum Beispiel können zusätzliche Barriereschichten zusätzlich zu der einzelnen veranschaulichten Schicht eingebaut sein. Es ist auch festzustellen, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen, die hier beschrieben ist bzw. sind, nicht dazu gedacht sind, den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung der Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken. Stattdessen wird die vorstehende genaue Beschreibung Fachleuten eine brauchbare Anleitung zum Implementieren der beschriebenen Ausführungsform oder Ausführungsformen bereitstellen. Es ist zu verstehen, dass in der Funktion und Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Umfang der Erfindung und der juristischen Äquivalente desselben zu verlassen.

Claims

Permanentmagnetmaschine mit innenliegenden Magneten (110A, 110B), die umfasst: einen Stator; einen Rotor (104), der zur magnetischen Interaktion mit dem Stator ausgestaltet ist, wobei der Rotor (104) eine äußere Oberfläche und eine Vielzahl von Polen aufweist, welche durch jeweilige Polachsen (150A, 150B) definiert sind; eine Vielzahl von Rotorbarrieren (125), die innerhalb des Rotors (104) bereitgestellt sind; und eine Vielzahl von Permanentmagneten (110A, 110B), die innerhalb des Rotors (104) derart angeordnet sind, dass die Magneten (110A, 110B) mit Bezug auf die Polachsen (150A, 150B) asymmetrisch ausgestaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Polen einen ersten Pol und einen zweiten Pol umfasst, wobei die Magnete (110A) innerhalb des ersten Pols nicht die gleiche Ausgestaltung wie die Magnete (110B) innerhalb des zweiten Pols aufweisen.
Permanentmagnetmaschine mit innenliegenden Magneten (110A, 110B) nach Anspruch 1, wobei die Magnete (110A, 110B) innerhalb jedes Pols im Wesentlichen die gleiche Größe und Gestalt aufweisen, aber mit Bezug auf die Polachsen asymmetrisch beabstandet sind.
Permanentmagnetmaschine mit innenliegenden Magneten (110A, 110B) nach Anspruch 1, wobei die Magnete innerhalb jedes Pols unterschiedliche Abmessungen aufweisen.
Permanentmagnetmaschine mit innenliegenden Magneten (110A, 110B) nach Anspruch 1, wobei die Magnete innerhalb jedes Pols unterschiedliche Gestalten aufweisen.
Permanentmagnetmaschine mit innenliegenden Magneten (110A, 110B) nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Magneten (110A, 110B) in Paaren ausgestaltet ist, die zu der äußeren Oberfläche des Rotors (104) hin einen konkaven Winkel definieren, und/oder wobei die Vielzahl von Magneten (110A, 110B) Ferritmagnete sind.
Verfahren zum Herstellen einer Permanentmagnetmaschine mit innenliegenden Magneten (110A, 110B), das umfasst, dass: ein Stator bereitgestellt wird; ein Rotor (104) bereitgestellt wird, der ausgestaltet ist, um mit dem Stator magnetisch zu interagieren, wobei der Rotor (104) eine äußere Oberfläche und eine Vielzahl von Polen aufweist; eine Vielzahl von Rotorbarrieren (125) innerhalb des Rotors (104) ausgebildet wird; eine Vielzahl von Permanentmagneten (110A, 110B) innerhalb des Rotors (104) derart platziert wird, dass die Rotorbarrieren (125) mit Bezug auf ihre jeweiligen Polachsen (150A, 150B) asymmetrisch sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Polen einen ersten Pol und einen zweiten Pol umfasst, wobei die Magnete (110A) innerhalb des ersten Pols nicht die gleiche Ausgestaltung wie die Magnete (110B) innerhalb des zweiten Pols aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Magnete (1 10A, 110B) innerhalb jedes Pols im Wesentlichen die gleiche Abmessung und Gestalt aufweisen, aber mit Bezug auf die Polachsen (150A, 150B) asymmetrisch beabstandet sind, und/oder wobei die Magnete innerhalb jedes Pols verschiedene Abmessungen aufweisen, und/oder wobei die Magnete innerhalb jedes Pols unterschiedliche Gestalten aufweisen, und/oder wobei die Vielzahl von Magneten (110A, 110B) in Paaren ausgestaltet ist, die zu der äußeren Oberfläche des Rotors (104) hin einen konkaven Winkel definieren, und/oder wobei die Vielzahl von Magneten (110A, 110B) Ferritmagnete sind.
Antriebsmotor des Typs, der in Verbindung mit einem Hybridelektrofahrzeug verwendet wird, wobei der Antriebsmotor umfasst: einen Stator; einen Rotor (104), der zur magnetischen Interaktion mit dem Stator ausgestaltet ist, wobei der Rotor (104) eine äußere Oberfläche und eine Vielzahl von Polen aufweist, die durch jeweilige Polachsen (150A, 150B) definiert sind; eine Vielzahl von Rotorbarrieren (125), die innerhalb des Rotors (104) bereitgestellt sind; und eine Vielzahl von Permanentmagneten (110A, 110B), die innerhalb des Rotors (104) derart angeordnet sind, dass die Magnete (110A, 110B) zum Erzeugen einer Rotorbarrierenasymmetrie ausgestaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Polen einen ersten Pol und einen zweiten Pol umfasst, wobei die Magnete (110A) innerhalb des ersten Pols nicht die gleiche Ausgestaltung wie die Magnete (110B) innerhalb des zweiten Pols aufweisen.
Antriebsmotor nach Anspruch 8, wobei die Magnete (110A, 110B) innerhalb jedes Pols im Wesentlichen die gleiche Abmessung und Gestalt aufweisen, aber mit Bezug auf die Polachsen (150A, 150B) asymmetrisch beabstandet sind, und/oder wobei die Magnete innerhalb jedes Pols unterschiedliche Abmessungen aufweisen, und/oder wobei die Magnete innerhalb jedes Pols unterschiedliche Gestalten aufweisen, und/oder wobei die Vielzahl von Magneten (110A, 110B) in Paaren ausgestaltet ist, die zu der äußeren Oberfläche des Rotors (104) hin einen konkaven Winkel definieren.