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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Synchronmaschine, die einen Stator mit Statorspulen und einen Rotor mit über den Umfang verteilten Rotorpolen und Permanentmagneten aufweist, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In der
DE 10 2007 029 157 A1 wird eine Synchronmaschine beschrieben, deren Stator mit zwölf Statorzähnen und deren Rotor mit zehn Rotorpolen ausgebildet ist. Die Rotorpole sind voneinander durch Luftspalte getrennt und als Sinuspole ausgebildet, bei denen der Luftspalt zwischen Rotor und Stator sich zwischen benachbarten Rotorpolen radial aufweitet, wodurch sich eine sinusförmige Luftspaltinduktion ergibt. In der Kombination von zwölf Statorzähnen und zehn Rotorpolen mit der sinusförmigen Ausbildung der Rotorpole wird der Vorteil erzielt, dass das Rastmoment, welches bei stromloser Statorwicklung entsteht, reduziert wird. Auch Oberwellenmomente, die zu erheblichen Schwankungen des abgegebenen Drehmoments führen können, werden reduziert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße elektrische Synchronmaschine weist einen Stator mit mehreren Statorspulen auf, die auf Statorzähne gewickelt sind, sowie einen Rotor, der über den Umfang verteilt Rotorpole sowie Permanentmagnete aufweist. Bei der Synchronmaschine handelt es sich um eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine. Die Synchronmaschine kann als Innenläufer mit außenliegendem Stator und innenliegendem Rotor oder als Außenläufer mit innenliegendem Stator und außenliegendem Rotor ausgebildet sein.
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Zwischen dem Stator und den Stirnseiten der Rotorpole liegt ein Ringspalt, dessen Radialdicke sich über den Umfang ändert. Der Grundkontur an der Stirnseite jedes Rotorpols sind radiale Schwankungen überlagert, wodurch der Stirnseite der Rotorpole eine unebene Außenkontur mit radialen Abweichungen von der Grundkontur verliehen wird. Dies unterstützt die Reduzierung lastfreier Rastmomente sowie unter Last entstehender Oberwellenmomente und ermöglicht zugleich einen sinusförmigen Verlauf der induzierten Spannung.
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Es kommen verschiedene Grundkonturen an der Stirnseite der Rotorpole in Betracht. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung sind die Rotorpole jeweils kreissegmentförmig, wobei zwischen benachbarten Rotorpolen ein radial erweiterter Luftspalt liegen kann. Des Weiteren ist es auch möglich, dass die Rotorpole insgesamt eine kreisförmig geschlossen umlaufende Grundkontur bilden.
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In einer alternativen Ausführung ist es auch möglich, dass die Rotorpole als Sinuspole ausgebildet sind und jeder Rotorpol eine ballige Grundkontur aufweist, deren radiale Erstreckung in der Mitte des Rotorpols am größten ist, wobei die radiale Erstreckung zu beiden Seiten des Rotorpols abfällt.
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In jedem Fall, also sowohl bei kreissegmentförmiger oder kreisförmiger Grundkontur als auch bei nicht-kreissegmentförmiger oder nicht-kreisförmiger Grundkontur sind der Grundkontur radiale Schwankungen überlagert, wobei die Schwankung insgesamt mindestens eine Welle oder Schwingung - in Umfangsrichtung gesehen - pro Rotorpol einnimmt.
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Die radiale Schwankung an der dem Stator zugewandten Stirnseite der Rotorpole kann beispielsweise über einen Polynomzug festgelegt werden, der sich an jedem Rotorpol stückweise aus Polynomen n-ten Grades zusammensetzt. Dies erfolgt in der Weise, dass die radiale Erstreckung der Rotorpole um einen Mittelwert - die Grundkontur an der Stirnseite des Rotorpols - schwankt.
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Diese Ausführung hat den Vorteil, dass aufgrund der Ausführung der radialen Stirnseite der Rotorpole als Polynomzug (spline) sowohl Rastmomente als auch Oberwellenmomente deutlich reduziert sind. Dies gilt insbesondere in einer Ausführung der Synchronmaschine mit zwölf Statorspulen bzw. Statorzähnen und acht Rotorpolen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung setzt sich der Polynomzug an jedem Rotorpol stückweise aus Polynomen maximal dritten Grades zusammen. Es handelt sich somit um kubische Polynome, wobei gegebenenfalls auch quadratische oder lineare Polynome in Betracht kommen. Es ist möglich, an jedem Rotorpol ausschließlich Polynome des gleichen Grades vorzusehen oder, in alternativer Ausführung, mehrere Polynome unterschiedlichen Grades.
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Die Polynome werden dadurch gebildet, dass einzelne Punkte mit größerem oder kleinerem Radius als die Grundkontur an der Stirnseite eines Rotorpols gebildet werden und diese Punkte über Polynome verbunden werden, welche vorzugsweise maximal dritten Grades sind.
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Die Schwankungsbreite der radialen Erstreckung der Rotorpole um einen Mittel- oder Nominalwert ist verhältnismäßig gering, sie beträgt beispielsweise maximal 5 % des Nominalwertradius eines Rotorpols. Diese verhältnismäßig geringe Schwankungsbreite wirkt sich positiv auf die Reduzierung von Rastmomenten aus.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind an jedem Rotorpol mehrere radiale Minima und Maxima der Schwankungen um die Grundkontur ausgebildet, beispielsweise pro Rotorpol an der dem Stator zugewandten Stirnseite mindestens vier Minima und mindestens vier Maxima. Auch diese verhältnismäßig hohe Anzahl an Minima und Maxima gewährleistet eine Reduzierung der Rastmomente.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung weisen mehrere Minima und mehrere Maxima jeweils unterschiedliche radiale Erstreckungen auf. Hierdurch ergibt sich an der Stirnseite der Rotorpole - sowie gegebenenfalls auch zwischen benachbarten Rotorpolen - ein unregelmäßiger Radialverlauf, der der Ausbildung von Rastmomenten entgegenwirkt.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind die Schwankungen an den Rotorpolen auf der dem Stator zugewandten Stirnseite in Umfangsrichtung durch aufeinanderfolgende Minima und Maxima wellenförmig ausgebildet, wobei die Wellen des Polynomzugs in Umfangsrichtung eine wechselnde Wellenlänge aufweisen. Somit besteht auch in Umfangsrichtung ein unregelmäßiger Wellenverlauf an jedem Rotorpol.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist sind die Schwankungen um die Grundkontur an der Stirnseite eines Rotorpols spiegelsymmetrisch zu einer Mittenhalbierenden des Rotorpols ausgebildet. Bei acht Rotorpolen erstreckt sich jeder Rotorpol über ein Winkelsegment von 45°, wobei die Mittenhalbierende jeden Rotorpol in zwei Hälften mit jeweils 22,5° unterteilt. Die Mittenhalbierende kann gegebenenfalls zugleich die Spiegelsymmetrieachse für den Polynomzug an der Stirnseite des Rotorpols bilden.
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In einer alternativen Ausführung ist es auch möglich, Schwankungen um die Grundkontur an den Rotorpolen auszubilden, die nicht spiegelsymmetrisch zur Mittenhalbierenden des Rotorpols ausgebildet sind, beispielsweise in der Weise, dass sich die Schwankungen um die Grundkontur über die gesamte Stirnseite - in Umfangsrichtung gesehen - eines Rotorpols ändern.
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Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausführung sind die Schwankungen um die Grundkontur an allen Rotorpolen gleich ausgebildet. Von Rotorpol zu Rotorpol wiederholen sich entsprechend die Schwankungen um die Grundkontur. In alternativer Ausführung ist es aber auch möglich, unterschiedliche Schwankungen um die Grundkontur an den verschiedenen Rotorpolen vorzusehen.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weisen die Permanentmagnete im Rotor eine Nord-Süd-Ausrichtung in Radialrichtung auf. Benachbarte Permanentmagnete weisen hierbei eine entgegengesetzte Polung auf. Die Permanentmagnete sind in dieser Ausführung vorteilhafterweise in jeweils einem Rotorpol angeordnet.
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Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausführung weisen die Permanentmagnete im Rotor eine Nord-Süd-Ausrichtung in Umfangsrichtung auf. Benachbarte Permanentmagnete sind gegenpolig orientiert. Die Permanentmagnete befinden sich hierbei vorteilhafterweise im Übergang zwischen zwei benachbarten Rotorpolen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind die Permanentmagnete vollständig in das Material des Rotors eingebettet, es handelt sich um vergrabene Magnete im Rotor.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
- 1 eine Synchronmaschine in Querschnittsdarstellung mit zwölf Statorzähnen und acht Rotorpolen, wobei der Rotor eine kreisförmige Grundkontur aufweist, der radiale Schwankungen überlagert sind, mit jeweils einem Permanentmagneten pro Rotorpol mit einer radialen Nord-Süd-Ausrichtung,
- 2 der Rotor aus 1 in Einzeldarstellung,
- 3 eine vergrößerte Darstellung der Stirnseite eines Rotorpols aus 1 bzw. 2,
- 4 in einer Ausführungsvariante eine Synchronmaschine ähnlich wie bei 1, jedoch mit Permanentmagneten im Rotor, die eine Nord-Süd-Ausrichtung in Umfangsrichtung aufweisen,
- 5 der Rotor der Synchronmaschine aus 4,
- 6 in einer weiteren Ausführungsvariante eine Synchronmaschine, wobei die radial außenliegende Grundkontur des Rotors an jedem Rotorpol ballig ausgebildet ist, mit überlagerten Schwankungen,
- 7 der Rastmomentverlauf in der Synchronmaschine ohne Last mit einer Darstellung des Verlaufs gemäß Stand der Technik und gemäß der Erfindung,
- 8 der Verlauf der Oberwellenmomente unter Last mit einer Darstellung des Verlaufs aus dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den 1 bis 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Synchronmotors 1 dargestellt, der als Innenläufer ausgebildet ist und einen außenliegenden Stator 2 und einen innenliegenden, im Stator 2 umlaufenden Rotor 3 aufweist. An der Innenseite des Stators 2 sind gleichmäßig über den Umfang verteilt insgesamt zwölf Statorzähne 4 angeordnet, die sich radial nach innen erstrecken, wobei die radial nach innen gerichteten Zahnköpfe der Statorzähne 4 benachbart zu einem Luft- bzw. Ringspalt liegen, der den Rotor 3 vom Stator 2 separiert. Um die Statorzähne 4 sind Statorwicklungen 5 gewickelt. Der Synchronmotor ist als elektronisch kommutierter Motor ausgebildet.
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Der Rotor 3 weist über den Umfang verteilt insgesamt acht Rotorpole 6 auf, die jeweils kreissegmentförmig ausgebildet sind und sich über das gleiche Winkelsegment erstrecken. Die Rotorpole 6 grenzen unmittelbar aneinander. In jedem Rotorpol 6 ist ein Permanentmagnet 7 angeordnet, wobei die Permanentmagnete 7 symmetrisch in jedem Rotorpol 6 liegen. Die Permanentmagnete 7 weisen eine radiale Nord-Süd-Ausrichtung auf, wobei unmittelbar benachbarte Permanentmagnete 7 eine entgegengesetzte Polung besitzen. Die Permanentmagnete 7 liegen benachbart zum Luft- bzw. Ringspalt zwischen Rotor und Stator und sind vollständig in den Rotor 3 eingebettet und somit als vergrabene Magnete ausgebildet.
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Der Rotor 3 weist eine kreisförmige Außenkontur auf, der kleinere, radiale Schwankungen in Form einer höherfrequenten Wellenstruktur überlagert sind. Wie insbesondere der vergrößerten Darstellung gemäß 3 zu entnehmen ist, ist die Außenseite des Rotors 3 - und damit auch die dem Stator zugewandte Stirnseite jedes Rotorpols 6 - mit einem unebenen Verlauf mit Schwankungen 8 versehen, die in Umfangsrichtung Schwingungen bilden, die einer Grundkontur 9 überlagert sind. Die Außenkontur an der Stirnseite jedes Rotorpols 6 setzt sich somit zusammen aus der Grundkontur 9 und den überlagerten Schwingungen 8, die bezogen auf die kreisförmige Grundkontur 9 sich sowohl radial weiter nach außen als auch radial weiter nach innen erstrecken.
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Die Schwankungen bzw. Schwingungen 8 werden über Polynompunkte festgelegt, die in 3 als CP1 bis CP9 dargestellt sind. Die verschiedenen Polynompunkte CP1 bis CP9 werden in Bezug auf die Grundkontur 9 definiert und über einen Polynomzug verbunden, der sich stückweise aus Polynomen dritten Grades (kubische Polynome) zusammensetzt. Die Polynompunkte CP1 bis CP9 sind in Umfangsrichtung im Ausführungsbeispiel, wie 3 zu entnehmen, nicht-äquidistant festgelegt. Es ist aber auch möglich, einen äquidistanten Abstand in Umfangsrichtung zwischen den Polynompunkten festzulegen. Die Positionierung der Polynompunkte CP1 bis CP9 erfolgt nach Optimierungskriterien, denen zufolge das Rastmoment ohne Last (7) und die Oberwellenmomente unter Last (8) minimiert werden. Außerdem soll ein sinusförmiger Verlauf für die induzierte Spannung erreicht werden.
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Die Schwankungsbreite der Schwingungen 8 um die Grundkontur 9 beträgt vorzugsweise maximal 5 % des Nominalwertradius der Grundkontur. Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, eine noch geringere Schwankungsbreite vorzugeben.
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Bezogen auf eine Mittenhalbierende 10 durch den Rotorpol 6 ist der überlagerte Schwingungsverlauf der Schwingungen 8 an der Außenkontur innerhalb eines Rotorpols 6 spiegelsymmetrisch ausgeführt. Es kann zweckmäßig sein, dass sich der Schwingungsverlauf der Schwingungen 8 von Rotorpol zu Rotorpol gleicht. Vorteilhafterweise sind mindestens vier Minima und mindestens vier Maxima und höchstens acht Minima und höchstens acht Maxima der Schwingungen 8 pro Rotorpol 6 vorhanden. Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass die verschiedenen Halbwellen der Schwingungen 8 entlang der Stirnseite eines Rotorpols 6 wechselnde radiale Erstreckungen sowohl gegenüber der Grundkontur 9 radial nach außen als auch radial nach innen besitzen.
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In den 4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Synchronmotors 1 mit Stator 2 und Rotor 3 dargestellt, der weitgehend den gleichen Aufbau wie das erste Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 3 aufweist, so dass insoweit auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Unterschiedlich ist jedoch die Form der Permanentmagnete 7 und deren Nord-Süd-Ausrichtung sowie die Unterteilung der Rotorpole 6. Bei 4 und 5 sind die Permanentmagnete 7 als sogenannte Speichenmagnete ausgebildet, die eine Nord-Süd-Ausrichtung in Umfangsrichtung besitzen. Die Rotorpole 6 erstrecken sich jeweils zwischen den Permanentmagneten 7. Die Außenkontur des Rotors 3 ist wie beim ersten Ausführungsbeispiel mit einer kreisförmigen Grundkontur 9 ausgeführt, der eine Vielzahl von Schwingungen 8 überlagert sind.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 6 weisen die Permanentmagnete 7 in den Rotorpolen 6 ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel eine radiale Nord-Süd-Ausrichtung auf. Die Grundkontur 9 ist jedoch nicht kreisförmig ausgeführt, sondern besitzt im Bereich jedes Rotorpols 6 eine ballige, radial nach außen gerichtete Ausformung, deren radiale Erstreckung in der Mitte eines Rotorpols 6 - entlang der Mittenhalbierenden 10 - am größten ist und die zu den Seiten des Rotorpols 6 abfällt. Dieser balligen Grundkontur sind die Schwingungen 8 überlagert. Die Grundkontur 9 weist außerdem unmittelbar an jedem Seitenrand noch eine weitere Erhebung 9a auf, die ein lokales Maximum darstellt, wobei zwischen der Erhebung 9a und der maximalen balligen Erhebung in der Mitte des Rotorpols 6 ein lokales Minimum liegt. Die lokale Erhebung 9a am Rand des Rotorpols 6 fällt unmittelbar an der Begrenzung zwischen benachbarten Rotorpolen wieder ab.
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In 7 sind Rastmomente ohne Last („Cogging Torque“) für einen Synchronmotor aus dem Stand der Technik (a) und für einen erfindungsgemäßen Synchronmotor (b) dargestellt. Die Rastmomente gemäß der Kurve b für den erfindungsgemäßen Synchronmotor sind erheblich kleiner als die Rastmomente a für einen Synchronmotor aus dem Stand der Technik.
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Auch im Hinblick auf die Oberwellenmomente unter Last („Load Torque“) gemäß 8 besteht ein signifikanter Unterschied zwischen den Momenten a aus dem Stand der Technik und b gemäß der Erfindung. Die Oberwellenlastmomente b gemäß der Erfindung sind deutlich kleiner als die Oberwellenlastmomente a gemäß eines Synchronmotors aus dem Stand der Technik.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007029157 A1 [0002]
