DE102011086280A1

DE102011086280A1 - Hochdrehende permanenterregte Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102011086280A1
Application number: DE102011086280A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Heinrich; Marco Abeßer; Guido Zitzmann; Frank Gerber; Andre Spörer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2013-05-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine permanenterregte 3-phasige Synchronmaschine für hohe Drehzahlen und Leistungen. Um einen hohen Wirkungsgrad bereitszustellen, umfasst die Maschine • einen Stator (1) mit Zahnspulenwicklung, die als Bruchlochwicklung mit der Lochzahl 0,5 und rechteckig profilierter HF-Litze (2) ausgebildet ist und • einen geblechten Rotor (3) mit vergrabenden Permanentmagneten.

Description

Die Erfindung betrifft eine permanenterregte 3-phasige Synchronmaschine für hohe Drehzahlen und Leistungen.
Eine derartige dynamoelektrische Maschine kommt beispielsweise als Antriebsmaschine in Elektro- oder Hybridfahrzeugen zum Einsatz. Aber auch bei Industrieanwendungen mit Anforderungen an hohe Drehzahlen wie beispielsweise im Bereich von Textil- oder bestimmten Werkzeugmaschinen ist ein vorteilhafter Einsatz der hier beschriebenen Synchronmaschine denkbar.
In reinen Elektrofahrzeugen oder auch in Hybridfahrzeugen werden wegen des begrenzten Raumangebotes oder zur Massebegrenzung besonders hohe Anforderungen an die Kompaktheit und Effizienz der Traktionsantriebe gestellt. Die dabei häufig auftretenden Leistungsforderungen Pmech = M × n (mit M: Moment; n: Drehzahl) zwischen 40 und 100 kW sind am besten auf hohem Drehzahlniveau erreichbar. Höhere Drehzahlen bedingen jedoch in der Regel auch höher frequente magnetische Felder in der permanenterregten Synchronmaschine und damit eine von Erhöhung Eisen- und Hystereseverlusten.
Hochdrehende Antriebe werden aber auch in vielen industriellen Anwendungen benötigt, wobei auch in diesem Umfeld die Anforderungen an Energieeffizienz und damit auch an die Umweltverträglichkeit zunehmend an Bedeutung gewinnen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen hochdrehende permanenterregte Synchronmaschine mit einem hohen Wirkungsgrad bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine permanenterregte 3-phasige Synchronmaschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Eine derartige Maschine umfasst

• einen Stator mit Zahnspulenwicklung, die als Bruchlochwicklung mit der Lochzahl 0,5 und rechteckig profilierter HF-Litze ausgebildet ist und
• einen geblechten Rotor mit vergrabenden Permanentmagneten.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Das Drehmoment M einer elektrischen Maschine ist proportional D² × H (D: Luftspaltdurchmesser, H: Luftspalthöhe). Ein hohes Drehmoment bedingt daher zwangsläufig ein höheres Bauvolumen des Motors. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass hingegen die Drehzahl und somit auch die Leistung der Maschine unter gewissen Voraussetzungen unabhängig vom Bauvolumen gesteigert werden kann.
Die erfindungsgemäße Synchronmaschine eignet sich durch die Kombination der hier vorgeschlagenen Merkmale für außergewöhnlich hohe Drehzahlen und ermöglicht so beispielsweise einen Einsatz in Elektro- oder Hybridfahrzeugen bei Drehzahlen bis ca. 15000 Umdrehungen pro Minute. Der Motor kann hierbei mit oder auch ohne Getriebestufe zu Traktionszwecken eingesetzt werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Permanentmagnete als vergrabene Magnete, die völlig von Rotorblech umschlossen sind, wird verhindert, dass diese sich aufgrund der hohen Fliehkräfte bei solchen Anwendungsfällen lösen können.
Statoren für schnelldrehende Motoren werden gemäß dem Stand der Technik meist mit verteilten Wicklungen und Lochzahlen Q größer oder gleich 1 ausgeführt, weil damit die geringeren Rotorverluste erreichbar sind. Verteilte Wicklungen haben jedoch den Nachteil, dass sich die außerhalb der Nut liegenden Wickelköpfe umschlingen oder kreuzen und in aller Regel damit gedrängte Aufbauten verhindern. Da alle außerhalb der Nut verlaufenden Wicklungsbestandteile nicht zur Drehmomentbildung beitragen, entsteht darin lediglich Verlustleistung.
In dieser Hinsicht effizienter ist daher der erfindungsgemäße Motor mit Zahnspulenwicklungen. Hier können die Wickelköpfe deutlich kleiner gestaltet werden, wodurch die Baulänge gegenüber verteilten Wicklungen verkürzbar ist. Auch die Drehmomentausbeute wird bei gleichen Kupferverlusten größer, bzw. die Kupferverluste bei gleichem Moment geringer.
Zahnspulenwicklungen führen jedoch im Allgemeinen wegen der verstärkt auftretenden Oberwellen abhängig von der Motortopologie zu mehr oder weniger großen Verlusten im Rotor bzw. in den Magneten, die in allen bekannten Motoren hauptsächlich die Drehzahl begrenzen. Besonders markant ist dieser Effekt bei den im Maschinenbau häufig eingesetzten Zahnspulenmotoren mit Lochzahlen z.B. Q = 2/5 oder 4/11 ausgeprägt (Q: Anzahl der Nuten je Pol und Phase). Hier wird aufgrund der maximalen Ausnutzungsfaktoren zwar die maximale Momentausbeute bei minimierten Coggingeffekten erreicht. Die Rotorverluste schränken jedoch schon bei einigen hundert Hertz die Leistungsabgabe (M × n) stark ein.
Der Erfindung liegt weiter die Erkenntnis zugrunde, dass die Rotorverluste deutlich geringer bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bruchlochwicklung mit einer Lochzahl Q = 1/2 sind. Eine weitere Erkenntnis in diesem Zusammenhang, die der Erfindung zugrunde liegt, äußert sich darin, dass ein solcher im Prinzip sehr einfach aufgebauter Elementarmotor mit 3 Zähnen bzw. Nuten und 2 Magnetpolen bzw. deren Vielfache eine sehr starke Coggingneigung, d. h. magnetische Rasteffekte im stromlosen Zustand, aufweist.
Um dem zu begegnen, wird daher in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung der Rotor als sogenannter Staffelläufer ausgebildet. Er umfasst demnach mindestens zwei Teilrotoren, die gegeneinander bevorzugt um eine halbe Coggingperiode in Umfangsrichtung betrachtet versetzt angeordnet sind. Selbstverständlich ist auch ein Aufbau mit mehr als zwei axial aneinandergrenzenden in Umfangsrichtung versetzten Teilrotoren denkbar und von der Erfindung umfasst.
Die erfindungsgemäße rechteckig profilierte HF-Litze trägt in vielerlei Hinsicht synergetisch mit den weiteren Anspruchsmerkmalen zur Eignung der erfindungsgemäßen Synchronmaschine für Hochdrehzahlanwendungen bei.
Schnelldrehende Motoren erfordern wegen der anzustrebenden geringen Spannungskonstanten relativ niedrige Windungszahlen mit hohem Wicklungsquerschnitt. Die Flexibilität des Wickeldrahtes sinkt mit dem Querschnitt stark ab, wodurch die Spulenherstellung komplizierter wird. Um den Wickelquerschnitt zu begrenzen, werden gewöhnlich mehrere Spulen mit gleicher Phasenlage parallelgeschaltet.
Bei Erregerfrequenzen im kHz-Bereich kommt es jedoch zwangsläufig zu unerwünschten Ausgleichsströmen zwischen den parallelgeschalteten Spulen, weil wegen ungleicher lokaler Magnetflussdichten entweder durch Luftspaltschwankungen oder ungleiche Magnetisierung in den Teilwicklungen unterschiedliche Gegenspannungen durch die rotierenden Permanentmagnete erzeugt werden. Diese Ausgleichsströme können unter ungünstigen Umständen Kupferverluste bis in den kW-Bereich erzeugen und den nutzbaren Drehzahlbereich stark einschränken. Zur Umgehung derartiger Ausgleichsströme können auch alle Zahnspulen einer Phase in Reihe geschaltet werden. Dann muss jedoch zur Herstellung gleicher Verhältnisse der Wickelquerschnitt im Verhältnis der vorherigen Parallelschaltungen vergrößert werden.
Für schnell drehende Motoren im betrachteten Anwendungsbereich bedeutet das entweder eine Wicklung mit massiven Kupferleitern und Querschnitten von ca. 8..12 mm² oder aber eine Wicklung mit parallelen Drähten, die außerhalb der Nut kurzgeschlossen sind und relativ aufwendig verbunden werden müssen.
In massiven Kupferleitern ist ferner die Stromverdrängungsproblematik zu beachten. Es ist bekannt, dass bereits bei einem Drahtdurchmesser von 3,5 mm mm und einer Frequenz 1 kHz ein technisch relevanter Effekt auftritt. Dieser erhöht den wirksamen Wicklungswiderstand und damit die Motorverluste im oberen Drehzahlbereich.
In parallelgeschalteten Einzeldrähten ist die Schlingstromproblematik in Verbindung mit Nutquerfeldern zu beachten. Um beispielsweise einen Querschnitt von 10 mm² zu erreichen, können 16 Einzeldrähte mit Durchmesser 0,9 mm verschaltet werden. Da zwangsläufig nicht alle Drähte in der gleichen Nutebene liegen, werden bei relevanten Streufeldern bzw. Nutquerfeldern in den Einzeldrähten unterschiedliche Spannungen induziert, die zur allgemein bekannten Schlingstromproblematik führen. Ein Verdrillen dieser Einzeldrähte behebt diese Problematik, führt jedoch zwangsläufig zu einer Reduzierung des Kupferfüllfaktors.
Die erfindungsgemäße HF-Litze besteht aus einer Vielzahl von elektrisch isolierten Kupferlackdrähten, die verdrillt und nachträglich in ein rechteckiges Profil gepresst sind. Somit wird im Litzenquerschnitt ein deutlich höherer Kupferfüllfaktor als mit unverpressten Einzeldrähten erreicht. Die HF-Litze ist vorteilhafterweise mit ca. 50–70 Einzeladern ausgebildet. Durch den Einsatz der verdichteten und profilierten HF-Litze werden jegliche frequenzabhängige und drehzahlabhängige Störeffekte wie Stromverdrängung (Skin-Effekt), Schlingströme oder auch Ausgleichströme zwischen räumlich verteilten Zahnspulen gänzlich vermieden und damit optimale Voraussetzungen für den Betrieb mit hohen Frequenzen und Drehzahlen geschaffen.
Durch die erfindungsgemäße rechteckig profilierte HF-Litze ist insbesondere durch eine geeignete Verdichtung bei der Herstellung ein hoher Kupferfüllfaktor, z.B. zwischen 0,6 und 0,65, unter Vermeidung der Stromverdrängung und der damit verbundenen ohmschen Verluste möglich. Durch das Rechteckprofil ist der Kupferfüllfaktor der Nut nur unwesentlich kleiner als der der Litze selbst. Ferner ermöglicht das rechteckige Profil und der damit verbundene hohe Kupferfüllfaktor eine hervorragende Wärmeabfuhr von den Leitern zum Statorblechpaket, da die HF-Litzenspule großflächig über eine relativ dünne elektrische Isolationsschicht eng an den Nutwandungen, sowohl am Blechzahn als auch am Blechjoch, anliegt.
Die vorgeschlagene HF-Litze ist bevorzugt zwischen allen Zahnspulen einer Motorphase durchgeschleift so dass zusätzliche voluminöse Verbindungsstellen zwischen den Zahnspulen entfallen.
Als besonders vorteilhaft hat sich eine Windungszahl der HF-Litze kleiner als 10 erwiesen.
Die Kühlung des Stators wird in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch noch weiter verbessert, dass zwischen den in einer Nut aneinandergrenzenden Spulenseiten ein mit dem Statorjoch fest verbundener geblechter Wärmeleitkeil angeordnet ist. In weiterer vorteilhafter Ausbildung hiervon ragt der Wärmeleitkeil maximal bis zur halben Nuthöhe vom Nutgrund in radialer Richtung hervor, damit ein ungewollter Nutquerfluss nicht relevant erhöht wird. Vorteilhafterweise ist auch der Wärmeleitkeil geblecht ausgeführt, um Wirbelströme zu unterdrücken.
Ein ausreichendes Drehmoment bei noch vertretbar hoher Ständerfrequenz lässt sich durch eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung erzielen, bei der der Stator die Polpaarzahl Vier aufweist.
Bei einer Polpaarzahl = 4 und 14000 rpm beträgt die Erregerfrequenz (Grundwelle) trotzdem 933 Hz. Im auftretenden Frequenzbereich um 1 kHz ist dennoch grundsätzlich mit hohen Magnetverlusten sowie Blechverlusten durch Wirbelströme und Ummagnetisierung sowohl im Stator als auch im Rotor zu rechnen. Ebenso sind die bereits genannten wicklungsbedingten Effekte wie Stromverdrängung und Schlingströme zu beachten. Die Auswahl der Motortopologie sowie die Beherrschung aller ungewollten Effekte und thermischen Verluste setzt eindeutig die technisch vertretbare Drehzahlgrenze fest. Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen zur Reduktion der Verluste erhöhen hierbei in ihrem synergetischen Zusammenwirken diese vertretbare Grenze signifikant, wobei Wirtschaftlichkeit in Herstellung und Betrieb gewährleistet sind und eine außerordentlich kompakte Bauform verfügbar gemacht wird.
Zu Magnetflusskonzentration und Drehmomentsteigerung weist der Rotor in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung je Rotorpol zwei V-förmig angeordnete Permanentmagnete auf. Diese erzeugen bezüglich des von ihnen verursachten Luftspaltfeldes eine Art Linseneffekt.
Je nach Anordnung der Magnete, Polgestaltung und Luftspaltgeometrie besitzen Zahnspulenmotoren kombiniert mit derartigen Rotoren wegen der unterschiedlichen Induktivitäten in Flussrichtung (Ld) und in Querrichtung (Lq) auch mehr oder wenig stark ausgeprägte Reluktanzmomente, die das Laufverhalten der Motoren stark prägen. Der Erfindung liegt jedoch weiter die Erkenntnis zugrunde, dass Rotoren mit nahe am Luftspalt liegenden Magneten oder stark ausgeprägten Reluktanzmomenten zwar eine gute Drehmomentausbeute bewirken, jedoch aufgrund eines höheren Oberwellengehaltes im Magnetfluss auch höhere Stator- und Rotorverluste entstehen, die wiederum das Drehzahlverhalten einschränken. Demnach wird bevorzugt eine vergleichsweise tiefe Anordnung der Permanentmagnete im Rotorblech in radialer Richtung betrachtet vorgesehen. Unter einer tiefen Anordnung in diesem Sinne ist beispielsweise zu verstehen, dass jeder Permanentmagnet an jeder Stelle mindestens einen Millimeter von dem an den Luftspalt grenzenden Rotorblechrand in radialer Richtung beabstandet ist.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass der Rotor über den Rotorpolen einen größeren Radius als zwischen den Rotorpolen aufweist, so dass sich über dem oder den rotorpolbildenden Permanentmagneten jeweils ballig geformte Polkappen ergeben. Mithin hat der Rotor keinen zylindrischen Luftspalt. Die gesamte zum Luftspalt gerichtete Poloberfläche ist hierbei so ausgebildet, dass der Motor ein geringes Reluktanzmoment und einen weitgehend sinusförmigen Magnetfluss aufweist.
Damit reduzieren sich der Oberwellenanteil im Magnetfluss und damit die Blechverluste im Stator und Rotor.
Eine weitere neue Erkenntnis, die dieser Ausgestaltung zugrunde liegt, liegt darin, dass die ballige Ausgestaltung der Polkappen zudem auch einen überraschenden thermischen Vorteil bewirkt, der insbesondere im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Merkmalen zum Tragen kommt, die den Hochdrehzahlbetrieb von beispielsweise mehr als 10000 Umdrehungen pro Minute ermöglichen.
Die Einkerbungen im Rotor üben bei schneller Drehung eine gezielte Pumpfunktion im Bezug auf die mitrotierende Luft aus. In den Einschnitten wird seitlich Luft angesaugt, nach außen zentrifugiert und durch die Engstellen des Luftspaltes wieder seitlich nach außen gedrückt. Dadurch stellt sich eine Luftzirkulation ein, die die sehr warm werdende Rotoroberfläche kühlt und die Wärme letztendlich an den beispielsweise wassergekühlten Stator abgibt.
Letztendlich haben die ausgeprägten balligen Polkappen des Rotors demnach eine Doppelfunktion, nämlich die Reduktion der Verluste und die indirekte Rotorkühlung über die Zwangszirkulation der Luft.
Um einen magnetischen Kurzschluss zwischen den mindestens zwei Teilrotoren zu vermeiden, sind diese in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung durch einen nichtmagnetischen Abstandshalter voneinander beabstandet.
Die außenliegenden Stirnseiten des geteilten Rotors weisen von Polkappe zu Polkappe in der Regel ein starkes Streufeld auf, das sich beispielsweise bis zu ca. 15 mm axialem Abstand auf stehende stromleitende Teile wie z.B. das Gehäuse auswirkt und bei schneller Rotation dort Wirbelströme erzeugt. Da der Rotor im Regelfall um den Betrag der Wickelkopfhöhe kürzer als der Stator ist, könnte wegen dieser Streufeldproblematik der an die Stirnseiten angrenzende Raum nur bedingt genutzt werden.
Um axialen Bauraum zu gewinnen, liegen daher in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung an beiden Stirnseiten des Rotors jeweils eine nichtmagnetische Abstandsscheibe auf dem Rotorblechpacket an, an die an der dem Rotor abgewandten Seite ein ferromagentisches Schirmblech anschließt.
Durch diese Maßnahme können Lagersitze und Gehäusewandungen teilweise in den Motorinnenraum verlegt und deutlich kürzer gebaut werden als ohne. Zwischen dem Rotor und einer stehenden Gehäusewand kann so ein Abstand von z.B. 1 mm realisiert werden. Ohne Abschirmung würde sich diese Gehäusewand durch Wirbelströme signifikant erwärmen und die Motorperformance einschränken.
Ein Kraftfahrzeug mit einer permanenterregte 3-phasige Synchronmaschine als Traktionsantrieb nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann sowohl als reines Elektrofahrzeug als auch als Hybridfahrzeug aufgebildet sein. Aufgrund der hohen Drehzahlbelastbarkeit des Motors wird die erfindungsgemäße Synchronmaschine den Anforderungen an Kompaktheit eines elektrischen Antriebssystems in der Elektromobilität besonders gerecht.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Rotor und einen Stator einer Ausführung der erfindungsgemäßen permanenterregten Synchronmaschine,
2 einen Querschnitt durch den Stator der Ausführung gemäß 1,
3 eine Aufsicht auf eine Zahnspulenwicklung mit rechteckprofilierter HF-Litze,
4 eine Seitenansicht auf die Zahnspulenwicklung nach 3,
5 eine Spulenkette für vier Zähne umfassend die in den 3 und 4 dargestellte HF-Litze,
6 eine stirnseitige Sicht auf einen mit der HF-Litze bewickelten Stator,
7 eine Sicht auf die der in 6 dargestellten Stirnseite gegenüberliegende Stirnseite,
8 einen Staffelläufer einer Ausführungsform der Erfindung und
9 einen Querschnitt durch einen Rotor nach einer Ausbildung der Erfindung mit einem Abstandshalter zwischen zwei Teilrotoren und stirnseitigen Schirmbleichen.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Rotor 3 und einen Stator 1 einer Ausführung der erfindungsgemäßen permanenterregten Synchronmaschine. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Stator dieser Ausführung.
Der Stator 1 ist mit einer Zahnspulenwicklung bewickelt. Innerhalb einer Nut stehen sich demnach eine erste Spulenseite 8 einer ersten Zahnspule und eine zweite Spulenseite 9 einer zweiten Zahnspule gegenüber. Diese sind durch einen geblechten Wärmeleitkeil 10 voneinander getrennt. Durch den Wärmeleitkeil 10 wird die Wärmeabfuhr von den in der Nut angeordneten Zahnspulenseiten zum Statorjoch deutlich verbessert.
Der Wärmeleitkeil 10 ist geblecht, damit keine ungewollten Wirbelströme entstehen und erstreckt sich maximal auf die halbe Nuthöhe, damit sich der ungewollte Nutquerfluss nicht relevant erhöht.
Der dargestellte Zahnspulenmotor ist mit einer Bruchlochwicklung und einer Lochzahl Q = 1/2 ausgeführt. Der Motor umfasst 12 Zähne und 8 Pole. Der Rotor ist geblecht. Je Rotorpol sind zwei Permanentmagnete 4 im Rotorblech vergraben, d. h. völlig vom Rotorblech umgeben. Die beiden Permanentmagnete 4 eines Rotorpols sind in Form eines V angeordnet, so dass sich bezüglich des von ihnen erzeugten Magnetfeldes eine Art Linseneffekt einstellt, der das verfügbare Drehmoment der Maschine erhöht.
Besonders relevant für die Drehzahlgrenze eines derartigen Motors sind die Blechverluste im ungekühlten Rotor 3. Um diese zu minimieren, ist der Rotor 3 zum Luftspalt hin definiert geformt.
Der Motor hat keinen zylindrischen Luftspalt. Über den Permanentmagneten 4 befinden sich ballige Polkappen und zwischen den Polen sind tiefe Einschnitte angeordnet. Die gesamte zum Luftspalt gerichtete Poloberfläche ist so ausgebildet, dass der Motor ein geringes Reluktanzmoment und einen weitgehend sinusförmigen Magnetfluss aufweist. Damit reduzieren sich der Oberwellenanteil im Magnetfluss und damit die Blechverluste im Stator 1 und Rotor 3.
Um das zu erreichen haben die Polkappen an der engsten Luftspaltstelle eine Höhe von mindestens 6 mm. Die Einschnitte zwischen den Polen haben an der weitesten Luftspaltstelle eine Tiefe von mindestens 6 mm. Damit schwankt der Luftspalt über einem Polabstand um mindestens 6 mm.
Die Einkerbungen im Rotor 3 üben bei schneller Drehung eine gezielte Pumpfunktion im Bezug auf die mitrotierende Luft aus. In den Einschnitten wird seitlich Luft angesaugt, nach außen zentrifugiert und durch die Engstellen des Luftspaltes wieder seitlich nach außen gedrückt. Dadurch stellt sich eine Luftzirkulation ein, die die sehr warm werdende Rotoroberfläche kühlt und die Wärme letztendlich an den gekühlten Stator 1 abgibt.
Letztendlich haben die ausgeprägten Polkappen des Rotors 3 eine Doppelfunktion: Reduktion der Verluste und indirekte Rotorkühlung über die Zwangszirkulation der Luft.
Die 3 bis 5 zeigen in verschiedenen Ansichten eine Spulenkette 7 für vier Statorzähne aus rechtprofilierter HF-Litze 2 für eine Ausbildung der erfindungsgemäßen permanenterregten Synchronmaschine.
Die Windungszahl ist hier kleiner als 10. Die HF-Litze 2 besteht aus einer Vielzahl von elektrisch isolierten Kupferlackdrähten, die verdrillt und nachträglich in ein rechteckiges Profil gepresst sind. Somit wird im Litzenquerschnitt ein deutlich höherer Kupferfüllfaktor als mit unverpressten Einzeldrähten erreicht.
Die HF-Litze 1 ist zwischen den 4 Zahnspulen einer Motorphase durchgeschleift so dass zusätzliche voluminöse Verbindungsstellen zwischen den Zahnspulen entfallen. Dies ist auch in den 6 und 7 zu erkennen, die die beiden Stirnseiten eines Stators mit o. g. HF-Litze 1 zeigen.
Durch den Einsatz der verdichteten und profilierten HF-Litze 1 werden jegliche frequenzabhängige und drehzahlabhängige Störeffekte wie Stromverdrängung (Skin-Effekt), Schlingströme oder auch Ausgleichströme zwischen räumlich verteilten Zahnspulen gänzlich vermieden und damit optimale Voraussetzungen für den Betrieb mit hohen Frequenzen und Drehzahlen geschaffen.
Durch den rechteckeigen Querschnitt der HF-Litze 1 lässt sich eine Zahnspule mit hohem Cu-Füllfaktor formen. Die Zahnspule hat somit einen geringfügig kleineren Cu-Füllfaktor als der der Litze im Bereich von 0,6 bis 0,65. Die HF-Litzenspule liegt großflächig über eine relativ dünne elektrische Isolationsschicht eng an den Nutwandungen, sowohl am Blechzahn als auch am Blechjoch an.
Die gesamte Phasenwicklung, aus 4 bereits verbundenen Zahnspulen bestehend, wird als zusammenhängende Spulenkette 7 vorgefertigt und von innen auf die isolierten Zähne aufgesteckt. Bis auf die Verbindung des Sternpunktes entfällt jegliche weitere Verbindung der montierten Zahnspulen (s. 6 und 7).
In einer Nut liegen jeweils eine Seite einer Zahnspule, wie auch in den 1 und 2 zu erkennen ist.
8 zeigt einen Staffelläufer einer Ausführungsform der Erfindung. Diese kennzeichnet sich dadurch, dass der Rotor 3 einen ersten und einen zweiten Teilrotor 5, 6 umfasst.
Ein Motor mit dieser Lochzahl Q = 1/2 erzeugt zwangsläufig ein Coggingmoment (reluktanzbedingtes Rastmoment im stromlosen Zustand), das durch die Luftspaltgeometrie nur geringfügig zu beeinflussen ist. Ein Coggingmoment im Bereich von einigen Prozent des Nennmomentes würde sich in einem Fahrzeug unter Umständen im niederen Drehzahlbereich störend auswirken.
In dem dargestellten Motor liegen in einer Kommutierungsperiode exakt 6 Coggingperioden. Das heißt, die Coggingperiode hat die gleiche Frequenz und Wellenlänge wie die 6. Harmonische der Grundwelle. Das Coggingmoment entsteht relativ sinusförmig. Verschiebt man das positive gegenüber dem negativen Maximum, so geht das resultierende Coggingmoment gegen 0 und ist nicht mehr technisch relevant.
Aus diesem Grunde ist der Rotor 3 in axialer Richtung geteilt und beide Rotorhälften sind um eine halbe Coggingperiode verdreht. Bei einem 8-poligen Motor entspricht das exakt 7,5 Grad mechanisch bzw. 30 Grad elektrisch. Da die Coggingperiode und Periode der Lastpulsation (Momentschwankung bei Bestromung aufgrund der 6. Harmonischen der Grundwelle) die gleiche Wellenlänge haben, wird das Cogging fast vollständig und die Lastpulsation aufgrund der Phasenverschiebung zumindest teilweise kompensiert.
9 zeigt einen Querschnitt durch ein Rotorblechpaket nach einer Ausbildung der Erfindung mit einem Abstandshalter 12 zwischen zwei Teilrotoren 5, 6 und stirnseitigen Schirmbleichen 14.
Der Abstandshalter 12 ist nichtmagnetisch und verhindert einen magnetischen Kurzschluss der hier nicht dargestellten Magnete über das benachbarte Blech. Der Abstand ist mit mindestens 2 mm eingestellt.
Die außenliegenden Stirnseiten des geteilten Rotors weisen von Polkappe zu Polkappe ein starkes Streufeld auf, das sich bis zu ca. 15 mm axialem Abstand auf stehende stromleitende Teile, z. B Gehäuse auswirkt und bei schneller Rotation Wirbelströme erzeugt. Da der Rotor im Regelfall um den Betrag der Wickelkopfhöhe kürzer als der Stator ist, könnte wegen dieser Streufeldproblematik der an die Stirnseiten angrenzende Raum nur bedingt genutzt werden.
Um axialen Bauraum zu gewinnen, sind die Stirnseiten des Rotors daher abgeschirmt. Neben dem Rotorblech ist eine nichtmagnetische Abstandsscheibe 13 mit mindestens 4 mm Dicke und ein ferromagnetisches Schirmblech 14 mit mindestens 1 mm Dicke angeordnet. Dadurch wird der Streufluss eingefangen und die Rotorstirnseiten magnetisch passiviert.
Durch diese Maßnahme können Lagersitze und Gehäusewandungen teilweise in den Motorinnenraum verlegt und deutlich kürzer gebaut werden als ohne. Zwischen Rotor und einer stehenden Gehäusewand kann so ein Abstand von z.B. 1 mm realisiert werden. Ohne Abschirmung würde sich diese Gehäusewand durch Wirbelströme signifikant erwärmen und die Motorperformance einschränken.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: HF-Litze
3: Rotor
4: Permanentmagnete
5, 6: Teilrotor
7: Spulenkette
8: erste Zahnspulenseite
9: zweite Zahnspulenseite
10: Wärmeleitkeil
11: Polkappe
12: nichtmagentischer Abstandshalter
13: nichtmagnetische Abstandsscheibe
14: Schirmblech

Claims

Permanenterregte 3-phasige Synchronmaschine mit • einem Stator (1) mit Zahnspulenwicklung, die als Bruchlochwicklung mit der Lochzahl 0,5 und rechteckig profilierter HF-Litze (2) ausgebildet ist und • einem geblechten Rotor (3) mit vergrabenden Permanentmagneten (4).
Permanenterregte 3-phasige Synchronmaschine nach Anspruch 1, wobei der Rotor (3) mindestens einen ersten und einen zweiten Teilrotor (5; 6) umfasst, wobei die beiden Teilrotoren (5; 6) axial aneinandergrenzen und in Umfangsrichtung gegeneinander verdreht sind.
Permanenterregte 3-phasige Synchronmaschine nach Anspruch 2, wobei die Verdrehung der beiden Teilrotoren (5; 6) eine halbe Coggingperiode beträgt.
Permanenterregte 3-phasige Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die mindestens zwei Teilrotoren (5; 6) durch einen nichtmagnetischen Abstandshalter (12) voneinander beabstandet sind.
Permanenterregte 3-phasige Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stator (1) die Polpaarzahl Vier aufweist.
Permanenterregte 3-phasige Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die HF-Litze (2) als zusammenhängende Spulenkette (7) ausgebildet ist, bei der die Wicklung aller Zahnspulen einer Phase durchgeschleift ist.
Permanenterregte 3-phasige Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Windungszahl der HF-Litze (2) kleiner als 10 ist.
Permanenterregte 3-phasige Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den in einer Nut aneinandergrenzenden Spulenseiten (8; 9) ein mit dem Statorjoch fest verbundener geblechter Wärmeleitkeil (10) angeordnet ist.
Permanenterregte 3-phasige Synchronmaschine nach Anspruch 8, wobei der Wärmeleitkeil (10) maximal bis zur halben Nuthöhe vom Nutgrund in radialer Richtung hervorragt.
Permanenterregte 3-phasige Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (3) je Rotorpol zwei V-förmig angeordnete Permanentmagnete (4) aufweist.
Permanenterregte 3-phasige Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (3) über den Rotorpolen einen größeren Radius als zwischen den Rotorpolen aufweist, so dass sich über dem oder den rotorpolbildenden Permanentmagneten (4) jeweils ballig geformte Polkappen (11) ergeben.
Permanenterregte 3-phasige Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an beiden Stirnseiten des Rotors (3) jeweils eine nichtmagnetische Abstandsscheibe (13) auf dem Rotorblechpacket anliegt, an die an der dem Rotor (3) abgewandten Seite ein ferromagnetisches Schirmblech (14) anschließt.
Kraftfahrzeug mit einer permanenterregten 3-phasige Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Traktionsantrieb.