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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Synchronmaschine mit einem Rotor, einem den Rotor zumindest teilweise umgebenen Stator sowie mindestens einem Magnetflussablenkmittel zur Reduzierung des Rastmoments bzw. von Drehmomentwelligkeiten der Synchronmaschine. Derartige Synchronmaschinen sind insbesondere zum Antreiben von Kraftfahrzeugen ausgebildet.
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Bei einigen Kraftfahrzeugen, wie z.B. Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads sowie ihrer robusten Bauweise häufig Synchronmaschinen verwendet. Synchronmaschinen weisen einen Rotor und einen den Rotor zumindest teilweise umgebenen Stator auf. Der Stator umgibt beispielsweise einen bestimmten Rotorabschnitt vollumfänglich. Der Stator weist eine Vielzahl von Statorzähnen auf, die um den Umfang des Stators gleichmäßig verteilt und durch Statornuten voneinander beabstandet sind. Zur Erzeugung eines Drehfelds weisen die Statornuten Statorwicklungen auf. Auf bzw. in dem Rotor sind Permanentmagnete angeordnet.
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Durch Beaufschlagung der Statorwicklungen mit elektrischem Drehstrom kann ein mit Synchrondrehzahl rotierendes Magnetfeld erzeugt werden, mittels welchem der Rotor aufgrund magnetischer Wechselwirkungen in Rotation versetzbar ist.
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Permanentmagneterregte Synchronmaschinen mit vergrabenen Permanentmagneten weisen durch ihren Rotoraufbau innerhalb des Rotors, wie z.B. die Verteilung der Permanentmagnete sowie von Magnetflussablenkmitteln, wie z.B. Lufttaschen, welche im Rotor ausgebildet sind, eine magnetische Anisotropie auf, welche neben einem Synchrondrehmomentanteil zu einem zusätzlichen Reluktanzdrehmomentanteil führt. Speziell bei symmetrisch aufgebauten permanentmagneterregten Synchronmaschinen, deren Rotor- und Statoraufbau sich nach einem Pol bzw. einem Polwechsel wiederholt, kommt es sowohl durch eine gleichmäßige Statornutverteilung des Stators als auch durch die sie gleichmäßig wiederholende magnetische Anisotropie im Rotor zu sogenannten Rastmomenten im Leerlauf sowie im bestromten Zustand zu Schwankungen im Drehmoment um ein konstantes Drehmoment herum, die als Drehmomentwelligkeit bezeichnet werden.
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Zur Reduzierung der Drehmomentwelligkeit bzw. der Rastmomente kann der Stator eine Schrägung um beispielsweise eine Nutteilung aufweisen. Die durch die Nutung des Stators hervorgerufenen Rastmomente bzw. Drehmomentwelligkeit lassen sich so deutlich reduzieren. Auch die durch die magnetische Anisotropie des Rotors hervorgerufenen Rastmomente und Drehmomentwelligkeiten sind zumindest etwas reduzierbar. Aus der
DE 10 2009 050 991 A1 ist eine elektrische Antriebsmaschine für ein Fahrzeug bekannt, bei welcher Permanentmagnete in einem Rotor vergraben angeordnet sind. Zur Ablenkung des Magnetischen Flusses durch den Rotor sind in dem Rotor Lufttaschen ausgebildet. Aus der
DE 10 2010 053 364 A1 ist eine Synchronmaschine mit Permanentmagneten bekannt, bei denen zur Reduzierung der Rastmomente ein Teilbereich der Permanentmagnete durch ein Magnetflusselement überlagert. Diese bekannten Ausführungsformen haben allesamt den Nachteil, dass das Rastmoment nur zu einem geringen Teil reduziert wird.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Synchronmaschine bereitzustellen, welche die Nachteile des Stands der Technik behebt oder zumindest teilweise behebt. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Synchronmaschine zu schaffen, welche mit einfachen Mitteln Drehmomentwelligkeit bzw. Rastmomente weiter reduziert, ohne die ursprünglichen Drehmoment-Drehzahl-Eigenschaften merklich negativ zu beeinflussen.
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Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch eine Synchronmaschine gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die erfindungsgemäße Synchronmaschine weist einen Rotor mit einem Rotorgrundkörper aus einem Grundkörpermaterial, einer Rotorachse sowie einer Mehrzahl von über den Rotorgrundkörper verteilten Permanentmagneten, und einen den Rotor zumindest teilweise umgebenen Stator mit einer Mehrzahl von Statorwicklungen aufweisenden Statorzähnen und Statornuten auf. Die Statorzähne sind über den Umfang des Stators verteilt und durch die Statornute voneinander beabstandet. Die Permanentmagnete sind vorzugsweise innerhalb des Grundkörpers des Rotors angeordnet. Diese Anordnung wird auch als vergrabene Anordnung bezeichnet. Der Rotor weist mindestens zwei Polwechselbereiche auf, welche zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Permanentmagneten ausgebildet sind. Die Polwechselbereiche weisen jeweils eine Polwechselachse auf, die sich von der Rotorachse radial nach außen erstreckt. Der Rotorgrundkörper weist ein erstes Magnetflussablenkmittel auf, welches sich von einem dem Stator zugewandten ersten Ablenkende in Richtung der Rotorachse erstreckt. Erfindungsgemäß ist das erste Magnetflussablenkmittel auf einem Abschnitt der Polwechselachse ausgebildet. Das erste Magnetflussablenkmittel weist am ersten Ablenkende eine erste Breite und in einem in radialer Richtung des Rotors mittleren Bereich des ersten Magnetflussablenkmittels eine zweite Breite auf, wobei die erste Breite kleiner als die zweite Breite ist.
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Das Grundkörpermaterial des Rotorgrundkörpers ist vorzugsweise ein ferromagnetisches Material. Die Permanentmagnete sind am bzw. als vergrabene Permanentmagnete im Rotorgrundkörper angeordnet und dort vorzugsweise formschlüssig und/oder kraftschlüssig fixiert oder verklebt. Der Rotor ist zum Rotieren um die Rotorachse ausgebildet. Die Permanentmagnete sind derart angeordnet, dass der Rotor mindestens zwei Polwechselbereiche aufweist, in denen sich eine Polung des Magnetfelds des Rotors umkehrt.
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Der Stator umgibt einen Rotorabschnitt des Rotors vorzugsweise vollumfänglich, also um 360°. Die Statorzähne weisen vorzugsweise zur Rotorachse hin. Zwischen dem Stator und dem Rotor ist ein Luftspalt ausgebildet, um eine freie Rotation des Rotors relativ zum Stator zu ermöglichen.
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Das erste Magnetflussablenkmittel ist ausgebildet, einen magnetischen Fluss abzulenken. Hierfür ist das erste Magnetflussablenkmittel auf der Polwechselachse des Polwechselbereichs des Rotors angeordnet und erstreckt sich entlang der Polwechselachse zumindest über ein Teilstück in Richtung der Rotorachse. Somit ist das Magnetflussablenkmittel zwischen zwei Permanentmagneten angeordnet. Vorzugsweise ist das Magnetflussablenkmittel spiegelsymmetrisch zur Polwechselachse ausgebildet. Ferner weist das erste Magnetflussablenkmittel über dessen Erstreckung in radialer Richtung unterschiedliche Breiten auf. Das der Rotorachse abgewandte bzw. dem Stator zugewandte erste Ablenkende des Magnetflussablenkmittels weist eine geringere erste Breite als eine zweite Breite eines zwischen dem ersten Ablenkende und der Rotorachse ausgebildeten mittleren Bereichs auf. Das erste Magnetflussablenkmittel ist somit derart ausgebildet, einen in einer q-Achse verlaufenden Magnetfluss eines der Mitte des Polwechselbereichs zugewandten Statorzahns in zwei Magnetflussteile aufzuteilen, wobei ein erster Magnetflussteil an einer ersten Seite des ersten Magnetflussablenkmittels und ein zweiter Magnetflussteil an einer von der ersten Seite verschiedenen zweiten Seite des ersten Magnetflussablenkmittels vorbeigelenkt wird.
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Die erfindungsgemäße Synchronmaschine hat gegenüberherkömmlichen Synchronmaschinen den Vorteil, dass durch das erste Magnetflussablenkmittel der durch die Permanentmagneten erzeugte magnetische Fluss im Bereich der Polwechselachse einen größeren Bereich des Rotors durchströmt. Dadurch wird der gesamte Luftspalt im Bereich einer Polbreite bzw. zwischen zwei Polwechselachsen vom magnetischen Fluss des Permanentmagneten durchsetzt. Der Bereich entlang der Polwechselachse, der bei Ausführungen nach dem Stand der Technik nicht vom magnetischen Fluss des Permanentmagneten durchsetzt wird, sondern ausschließlich von einem im Stator erzeugten Drehfeld in der Q-Achse durchsetzt wird, entfällt. Auf diese Weise ist eine Drehmomentwelligkeit der Synchronmaschine gegenüber herkömmlichen Synchronmaschinen wesentlich reduzierbar. Durch die über die Rotorstruktur verringerte Drehmomentwelligkeit kann beispielsweise eine Schrägung des Stators eingespart werden, wodurch die Kosten des Stators gesenkt werden. Es kann aber auch die Drehmomentwelligkeit einer bereits im Stator geschrägten Synchronmaschine weiter verringert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann bei einer Synchronmaschine vorgesehen sein, dass das erste Magnetflussablenkmittel als eine in dem Rotorgrundkörper ausgebildete Lufttasche ausgebildet ist. Eine Lufttasche ist eine in dem Grundkörper ausgebildete Kavität. Die Lufttasche ist auf der Polwechselachse ausgebildet. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Lufttasche komplett oder zumindest teilweise mit einem Ablenkwerkstoff, insbesondere einem geschäumten Ablenkwerkstoff, ausgefüllt ist. Es kann zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass eine Wandung der Lufttasche komplett oder zumindest teilweise mit einer Schicht aus einem Schichtmaterial beschichtet ist. Das Schichtmaterial ist vorzugsweise vom Grundkörpermaterial verschieden. Lufttaschen sind mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig herstellbar. Überdies bewirken sie eine Reduzierung des Gesamtgewichts des Rotors und somit der Synchronmaschine.
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Es ist bevorzugt, dass dem Rotor zugewandte Endbereiche der Statorzähne eine dritte Breite aufweisen, wobei die dritte Breite größer als die erste Breite des ersten Ablenkendes des ersten Magnetflussablenkmittels ist. Diese Endbereiche werden auch als Zahnkopf bezeichnet. Dies hat den Vorteil, dass ein magnetischer Fluss eines Statorzahns besser seitlich am ersten Magnetflussablenkmittel vorbeilenkbar ist und nicht oder nur höchstens teilweise vom ersten Magnetflussablenkmittel abgeschirmt wird. Die Drehmomentwelligkeit ist somit weiter reduzierbar.
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Vorzugsweise verbreitert sich das erste Magnetflussablenkmittel vom ersten Ablenkende zum mittleren Bereich stetig. Unter einer stetigen Verbreiterung wird im Rahmen der Erfindung eine Verbreiterung verstanden, welche nicht sprunghaft verläuft. Vorzugsweise verläuft die Verbreiterung kurvenförmig oder linear oder abschnittsweise kurvenförmig und abschnittsweise linear. Ferner kann vorgesehen sein, dass sich das erste Magnetflussmittel vom mittleren Bereich zu einem zweiten Ablenkende, welches zur Rotorachse weist, wieder verjüngt, vorzugsweise stetig verjüngt. Das erste Magnetflussablenkmittel weist vorzugsweise einen keilförmigen, einen rautenförmigen oder einen ähnlichen Querschnitt auf. Durch eine stetige Verbreiterung des ersten Magnetflussablenkmittels ist eine besonders vorteilhafte Ablenkung des Magnetflusses mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig erzielbar. Alternativ kann das erste Magnetflussablenkmittel auch eine konstante Breite aufweisen
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Weiter bevorzugt weist das erste Magnetflussablenkmittel eine erste Fläche und eine zweite Fläche auf, wobei die erste Fläche einer ersten Magnetfläche eines benachbarten ersten Permanentmagneten und die zweite Fläche einer zweiten Magnetfläche eines benachbarten zweiten Permanentmagneten gegenüberliegend angeordnet sind. Die Größe der ersten Fläche entspricht der Größe der ersten Magnetfläche und die Größe der zweiten Fläche entspricht der Größe der zweiten Magnetfläche vollständig oder zumindest im Wesentlichen. Auf diese Weise sind dem Polwechselbereich zugewandte Stirnseiten von Permanentmagneten durch das erste Magnetflussablenkmittel abdeckbar. Ein Abstand zwischen dem ersten Magnetflussablenkmittel und dem benachbarten Permanentmagneten kann beliebig ausgeführt werden, sollte jedoch möglichst klein gehalten werden, so dass ein magnetischer Streufluss reduziert ist. Hier sind Abstände von Null aufwärts, insbesondere eine zum Luftspalt hin „offene“ Ausführung, möglich. Auf diese Weise wird vermieden, dass sich der magnetische Fluss der Permanentmagnete bereits innerhalb des Rotors als Streufluss schließt.
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Es ist bevorzugt, dass der Rotor in Umfangsrichtung ein neben dem ersten Magnetflussablenkmittel angeordnetes zweites Magnetflussablenkmittel aufweist, wobei zwischen dem ersten Magnetflussablenkmittel und dem zweiten Magnetflussablenkmittel ein Abstand ausgebildet ist, wobei der Abstand das 0,1 bis 3-fache, insbesondere das 1,2 bis 1,5-fache, der dritten Breite der Statorzähne beträgt. Der Abstand ist in Umfangsrichtung ausgebildet. Vorzugsweise ist der Abstand zumindest in einem dem Stator benachbarten Bereich des Rotors derartig ausgebildet. Ein solcher Abstand hat den Vorteil, dass einem Statorzahn ein Bereich des Grundkörpers aus Grundkörpermaterial gegenüber anordenbar ist, welcher eine wesentlich größere Breite als der Statorzahn aufweist und somit einen magnetischen Fluss über eine große Breite zulässt. Vorzugsweise ist der Abstand derart ausgebildet, dass der magnetische Fluss in der q-Achse zweier oder mehrerer benachbarter Statorzähne durch diesen Bereich des Grundkörpers gleichzeitig strömen kann. Auf diese Weise kann die Drehmomentwelligkeit deutlich reduziert. Es wird somit vermieden, dass sich die Struktur im Stator, bestehend aus Zähnen und Nuten, daher der stetige Wechsel von Bereichen hoher Permeabilität (wie Eisen im Zahn) und geringer Permeabilität (Luft oder Nutkeil oder sonstige Materialien geringer Permeabilität im Nutschlitz)sich in gleicher Form / in gleichen Abständen im Rotor, daher stetiger Wechsel von Rotorgrundmaterial hoher Permeabilität und Magnetflussablenkmittel geringer Permeabilität, spiegelbildlich im Bereich der Polwechselachse bzw. der q-Achse wiederholt.
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Vorzugsweise sind die Permanentmagnete des Rotors in einer ersten Magnetreihe nebeneinander angeordnet, wobei benachbarte Permanentmagnete im Polwechselbereich einen größeren Abstand zueinander als in übrigen Bereichen aufweisen. Unter in einer Magnetreihe angeordneten Permanentmagneten wird erfindungsgemäß verstanden, dass die Permanentmagnete auf einer symmetrischen Kurve oder Geraden nebeneinander angeordnet sind. Vorzugsweise weisen die Permanentmagnete der ersten Magnetreihe zumindest annähernd den gleichen Abstand zur Rotorachse auf. Die Anordnung der Permanentmagnete in einer ersten Magnetreihe zusammen mit dem ersten Magnetflussablenkmittel hat den Vorteil, dass der magnetische Fluss durch den Rotor in der q-Achse entlang der Magnetreihe führbar ist. Gleichzeitig wird durch die erste Magnetreihe in Verbindung mit dem ersten Magnetflussablenkmittel der komplette Rotorumfang zwischen zwei Polwechselachsen vom magnetische Fluss des Permanentmagneten durchsetzt. Hierdurch wird die Erzeugung eines geeigneteren Luftspaltfelds begünstigt.
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Weiter bevorzugt sind die Permanentmagnete des Rotors auch in einer zweiten Magnetreihe angeordnet, wobei die erste Magnetreihe zwischen der zweiten Magnetreihe und der Rotorachse angeordnet ist. Demnach sind die Permanentmagnete in zwei verschiedenen Magnetreihen angeordnet. Das erste Magnetflussablenkmittel ist derart angeordnet sowie ausgebildet, dass ein erster magnetische Fluss, welcher in der q-Achse zwischen einem ersten Paar Statorzähnen verläuft, und ein zweiter magnetische Fluss, welcher in der q-Achse zwischen mindestens einem benachbarten zweiten Paar Statorzähnen verläuft, zwischen der ersten Magnetreihe und der zweiten Magnetreihe hindurchgeführt wird. Der magnetische Fluss in der q-Achse erstreckt sich von einem Statorzahn zu einem von diesem entfernten Statorzahn. Diese Statorzähne werden als Paar Statorzähne bezeichnet. Die Statorzähne des ersten Paars Statorzähne sind jeweils einem Statorzahn des zweiten Paar Statorzähne benachbart. Vorzugsweise ist der erste Paar Statorzähne vom zweiten Paar Statorzähne in Umfangsrichtung eingefasst. Bei herkömmlichen Ausführungsformen werden der erste magnetische Fluss zwischen der ersten Magnetreihe und der zweiten Magnetreihe sowie der zweite magnetische Fluss zwischen der ersten Magnetreihe und der Rotorachse geführt. Somit hat die erfindungsgemäße Synchronmaschine gegenüber herkömmlichen Synchronmaschinen den Vorteil, dass der magnetische Fluss des Permanentmagneten eine größere Fläche des Polwechselbereichs durchdringt. Der Polwechselbereich wird auf diese Weise gleichmäßiger vom magnetischen Fluss des Permanentmagneten durchdrungen. Dadurch lassen sich unter Umständen/maschinenabhängig geeignetere Luftspaltfelder erzeugen. Gleichzeitig wird das vom Stator erzeugte Drehfeld in der q-Achse derart geführt, dass. die Drehzahlwelligkeit weiter reduziert werden kann.
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Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, die Permanentmagnete des Rotors auch in einer dritten oder weiteren Magnetreihen angeordnet sind, wobei die zweite Magnetreihe zwischen der dritten Magnetreihe und der ersten Magnetreihe angeordnet ist. Der magnetische Fluss, welcher in der q-Achse zwischen mindestens einem dritten Paar Statorzähnen verläuft, wird zwischen der dritten Magnetreihe und der zweiten Magnetreihe hindurchgeführt. Die erfindungsgemäße Synchronmaschine hat gegenüber herkömmlichen Synchronmaschinen den Vorteil, dass der magnetische Fluss des Permanentmagneten den Bereich zwischen zwei Polwechselachsen nahezu komplett am Rotorumfang Richtung Luftspalt durchdringt. Dadurch kann überhaupt erst ein geeigneteres Luftspaltfeld erzeugt/hervorgerufen werden und die Drehzahlwelligkeit weiter reduziert werden.
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Vorzugsweise sind die Statorzähne des Stators schräg zur Rotorachse angeordnet. Die Rotorachse ist parallel zur Statorlängsrichtung, somit sind die Statorzähne schräg zur Statorlängsrichtung angeordnet. Vorzugsweise entspricht die Schrägung der Statorzähne einer Teilung der Verteilung der Statorzähne mit Statornuten über den Stator. Eine schräge Anordnung der Statornuten hat den vorteilhaften Effekt, dass speziell die Drehmomentwelligkeit, hervorgerufen durch den Wechsel von Statorzahn und Nutschlitz, hierdurch reduziert wird.
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Die Drehmomentwelligkeit kann durch die beschriebene Ausführung in allen Betriebspunkten innerhalb des Drehmoment-Drehzahl-Fensters der Synchronmaschine reduziert werden.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Synchronmaschinen sowie zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Synchronmaschinen werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform einer Synchronmaschine nach dem Stand der Technik,
- 2 einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform einer Synchronmaschine nach dem Stand der Technik,
- 3 einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine,
- 4 einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine, und
- 5 ein Diagramm zum Vergleichen der Drehmomentwelligkeiten einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine mit einer herkömmlichen Synchronmaschine.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 5 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Ausschnitt einer ersten Ausführungsform einer Synchronmaschine 1 nach dem Stand der Technik schematisch abgebildet. Die Synchronmaschine 1 weist einen Rotor 2 mit einem um eine Rotorachse 4 ausgebildeten Rotorgrundkörper 3 aus einem, insbesondere ferromagnetischen, Grundkörpermaterial auf. Der Rotor 2 ist von einem Stator 6 der Synchronmaschine 1 umgeben. Der Stator 6 weist eine Vielzahl von Statorzähnen 7 mit Statorwicklungen auf, welche über den Umfang des Stators 6 verteilt sind. Benachbarte Statorzähne 7 sind durch jeweils eine Statornut 8 voneinander beabstandet. Der Rotor 2 weist eine Vielzahl von Permanentmagneten 5 auf, welche in Umfangsrichtung U voneinander beabstandet in einer ersten Magnetreihe R1 und in einer zweiten Magnetreihe R2 angeordnet sind. Der Rotor 2 weist mehrere Polwechselbereiche 9 mit einer Polwechselachse 10 auf. Die Polwechselbereiche 9 sind zwischen benachbarten Permanentmagneten 5 ausgebildet, welche einen größeren Abstand zueinander als andere benachbarte Permanentmagnete 5 aufweisen. Die Polwechselachse 10 erstreckt sich in radialer Richtung des Rotors 2. Im Polwechselbereich 9 weist der Rotor 2 zwei erste Magnetflussablenkmittel 11 auf, welche spiegelsymmetrisch zur Polwechselachse 10 angeordnet sowie von dieser beabstandet sind. Ein erstes Ablenkende 12 des ersten Magnetflussablenkmittels 11 weist von der Rotorachse 4 weg zum benachbarten Stator 6. Die ersten Magnetflussablenkmittel 11 erstrecken sich im Wesentlichen parallel zur Polwechselachse 10 und weisen über einen Großteil ihrer Erstreckung eine konstante Breite auf. An der zweiten Magnetreihe R2 sind zweite Magnetflussablenkmittel 19 angeordnet.
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Ein magnetischer Flussanteil in der Q-Achse Q verläuft jeweils zwischen einem Paar Statorzähnen 7. Zwischen einem ersten Paar Statorzähnen 7 ist ein erster magnetischer Fluss M1 ausgebildet. Zwischen einem zweiten Paar Statorzähnen 7 ist ein zweiter magnetischer Fluss M2 ausgebildet. Durch die ersten Magnetflussablenkmittel 11 und die zweiten Magnetflussablenkmittel 19 wird der erste magnetische Fluss M1 zwischen der Rotorachse 4 und der ersten Magnetreihe R1 und der zweite magnetische Fluss M2 zwischen der ersten Magnetreihe R1 und der zweiten Magnetreihe R2 geleitet. Diese erste Ausführungsform nach dem Stand der Technik hat den Nachteil, dass sich im Polwechselbereich in Umfangsrichtung der Verlauf von magnetisch hochpermeablen Material und Material der Permeabilität nahe 1 gleichermaßen in Stator und Rotor abwechselt, quasi spiegelt.
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Die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform einer Synchronmaschine 1 nach dem Stand der Technik entspricht im Wesentlichen der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform der Synchronmaschine 1 nach dem Stand der Technik, wobei bei der zweiten Ausführungsform die Permanentmagnete 5 auch noch in einer dritten Magnetreihe R3 angeordnet sind. An der dritten Magnetreihe R3 sind dritte Magnetflussablenkmittel 20 angeordnet. Ein dritter magnetischer Fluss M3 ist zwischen der zweiten Magnetreihe R2 und der dritten Magnetreihe R3 geleitet. Diese zweite Ausführungsform nach dem Stand der Technik hat den Nachteil, dass sich im Polwechselbereich in Umfangsrichtung der Verlauf von magnetisch hochpermeablen Material und Material der Permeabilität nahe 1 gleichermaßen in Stator und Rotor abwechselt, quasi spiegelt.
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In 3 ist ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen ersten Ausführungsform einer Synchronmaschine 1 schematisch abgebildet. Die Synchronmaschine 1 weist einen Rotor 2 mit einem um eine Rotorachse 4 ausgebildeten Rotorgrundkörper 3 aus einem, insbesondere ferromagnetischen, Grundkörpermaterial auf. Der Rotor 2 ist von einem Stator 6 der Synchronmaschine 1 umgeben. Der Stator 6 weist eine Vielzahl von Statorzähnen 7 mit Statorwicklungen auf, welche über den Umfang des Stators 6 verteilt sind. Benachbarte Statorzähne 7 sind durch jeweils eine Statornut 8 voneinander beabstandet. Der Rotor 2 weist eine Vielzahl von Permanentmagneten 5 auf, welche in Umfangsrichtung U voneinander beabstandet in einer ersten Magnetreihe R1 und in einer zweiten Magnetreihe R2 angeordnet sind. Ein zwischen der ersten Magnetreihe R1 und der zweiten Magnetreihe R2 ausgebildeter Kanal weist eine größere Breite als bei einer gleichgroßen Synchronmaschine gemäß dem Stand der Technik auf, um den Magnetfluss durch diesen Kanal zu verbessern. Der Rotor 2 weist mehrere Polwechselbereiche 9 mit einer Polwechselachse 10 auf. Die Polwechselbereiche 9 sind zwischen benachbarten Permanentmagneten 5 ausgebildet, welche einen größeren Abstand zueinander als andere benachbarte Permanentmagnete 5 aufweisen. Die Polwechselachse 10 erstreckt sich in radialer Richtung des Rotors 2. Im Polwechselbereich 9 weist der Rotor 2 ein erstes Magnetflussablenkmittel 11 auf, welches sich spiegelsymmetrisch zur Polwechselachse 10 sowie entlang dieser erstreckt. Ein erstes Ablenkende 12 des ersten Magnetflussablenkmittels 11 weist von der Rotorachse 4 weg zum benachbarten Stator 6. Das erste Ablenkende 12 weist eine erste Breite B1 auf, die kleiner als eine zweite Breite B2 eines mittleren Bereichs 13 des Magnetflussablenkmittels 11 ist. Vom mittleren Bereich 13 zur Rotorachse 4 hin verkleinert sich die Breite des ersten Magnetflussablenkmittels 11 wieder.
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Somit weist das erste Magnetflussablenkmittel 11 etwa eine verzerrte Rautenform mit abgeflachten Enden auf. Eine erste Fläche 15 des ersten Magnetflussablenkmittels 11 ist einer etwa gleichgroßen ersten Magnetfläche 17 eines ersten Permanentmagneten 5a der ersten Magnetreihe R1 gegenüberliegend angeordnet. Eine zweite Fläche 16 des ersten Magnetflussablenkmittels 11 ist einer etwa gleichgroßen zweiten Magnetfläche 18 eines zweiten Permanentmagneten 5b der ersten Magnetreihe R1 gegenüberliegend angeordnet. An der zweiten Magnetreihe R2 sind zweite Magnetflussablenkmittel 19 angeordnet. Zwischen dem ersten Ablenkende 12 des ersten Magnetflussablenkmittels 11 und dem zweiten Magnetflussablenkmittel 19 ist ein Abstand A ausgebildet. Ein dem Rotor 2 zugewandter Endbereich 14 der Statorzähne 7 weist eine dritte Breite B3 auf, wobei der Abstand A etwa das 0,1 bis 3-fache, vorzugsweise das 1,3-fache der dritten Breite B3 aufweist.
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Ein Magnetfluss in der Q-Achse Q verläuft jeweils zwischen einem Paar Statorzähnen 7. Zwischen einem ersten Paar Statorzähnen 7 ist ein erster magnetischer Fluss M1 ausgebildet. Zwischen einem zweiten Paar Statorzähnen 7 ist ein zweiter magnetischer Fluss M2 ausgebildet. Durch das erste Magnetflussablenkmittel 11 und die zweiten Magnetflussablenkmittel 19 werden der erste magnetische Fluss M1 und der zweite magnetische Fluss M2 zwischen der ersten Magnetreihe R1 und der zweiten Magnetreihe R2 geleitet. Diese erfindungsgemäße erste Ausführungsform hat den Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, dass der Magnetfluss in der Q-Achse Q die Polwechselbereiche 9 gleichmäßiger durchdringt und somit Drehmomentwelligkeiten reduziert sind.
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Die in 4 dargestellte erfindungsgemäße zweite Ausführungsform einer Synchronmaschine 1 entspricht im Wesentlichen der in 3 gezeigten erfindungsgemäßen ersten Ausführungsform der Synchronmaschine 1, wobei bei der zweiten Ausführungsform die Permanentmagnete 5 auch noch in einer dritten Magnetreihe R3 angeordnet sind. An der dritten Magnetreihe R3 sind dritte Magnetflussablenkmittel 20 angeordnet. Ein dritter magnetischer Fluss M3 ist zwischen der zweiten Magnetreihe R2 und der dritten Magnetreihe R3 geleitet. Diese erfindungsgemäße zweite Ausführungsform hat den Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, dass der Magnetfluss in der Q-Achse Q die Polwechselbereiche 9 gleichmäßiger durchdringt und somit Drehmomentwelligkeiten reduziert sind.
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In 5 sind Drehmomentwelligkeiten einer Synchronmaschine 1 nach dem Stand der Technik sowie Drehmomentwelligkeiten einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 in einem Diagramm über einen elektrischen Winkel von 0° bis 360° dargestellt. Die Drehmomentwelligkeiten der Synchronmaschine 1 nach dem Stand der Technik sind als gestrichelte Linie und die Drehmomentwelligkeiten der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 als durchgezogene Linie dargestellt. Aus diesem Diagramm ist leicht erkennbar, dass die Maximalausschläge der Drehmomentwelligkeit der Synchronmaschine 1 nach dem Stand der Technik etwa doppelt so hoch wie die Maximalausschläge der Drehmomentwelligkeit der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 sind, sowohl bei geschrägtem als auch ungeschrägtem Stator. Somit weist die erfindungsgemäße Synchronmaschine 1 eine deutlich verringerte Drehmomentwelligkeit als herkömmliche Synchronmaschinen auf. Dies gilt im gesamten Drehmoment-Drehzahl-Bereich, wobei in 5 die Maximaldrehmomente im Grunddrehzahlbereich (ohne Feldschwächung) dargestellt sind. Das Drehmoment- und Drehzahlverhalten sowie das elektromagnetische verhalten der Synchronmaschine ist dabei vergleichbar zu einer Ausführung nach dem Stand der Technik.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Synchronmaschine
- 2
- Rotor
- 3
- Rotorgrundkörper
- 4
- Rotorachse
- 5
- Permanentmagnet
- 5a
- erster Permanentmagnet
- 5b
- zweiter Permanentmagnet
- 6
- Stator
- 7
- Statorzahn
- 8
- Statornut
- 9
- Polwechselbereich
- 10
- Polwechselachse
- 11
- erstes Magnetflussablenkmittel
- 12
- erstes Ablenkende
- 13
- mittlerer Bereich
- 14
- Endbereich
- 15
- erste Fläche
- 16
- zweite Fläche
- 17
- erste Magnetfläche
- 18
- zweite Magnetfläche
- 19
- zweites Magnetflussablenkmittel
- 20
- drittes Magnetflussablenkmittel
- A
- Abstand
- B1
- erste Breite
- B2
- zweite Breite
- B3
- dritte Breite
- M1
- erster magnetischer Fluss
- M2
- zweiter magnetischer Fluss
- M3
- dritter magnetischer Fluss
- Q
- Magnetfluss in Q-Achse
- R1
- erste Magnetreihe
- R2
- zweite Magnetreihe
- R3
- dritte Magnetreihe
- U
- Umfangsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009050991 A1 [0005]
- DE 102010053364 A1 [0005]
