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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Synchronmaschine und eine Synchronmaschine mit einem solchen Rotor.
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Die
CN 1 949 628 A , die
EP 1 610 444 A1 und die
WO 2017/051 522 A1 zeigen einen Elektromotor mit einem permanentmagnetischen Innenrotor, welcher eine wellenförmige Außenkontur hat, bei der die minimale radiale Erstreckung im Bereich der Polränder und die maximale Erstreckung im Bereich der Polmitte vorgesehen ist.
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Die
EP 3 145 057 A1 und die
US 2017/104 376 A1 zeigen einen permanentmagnetischen Innenrotor mit einer Außenkontur, welche stegartige Abschnitte und bogenartige Abschnitte aufweist.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen Rotor und eine neue Synchronmaschine bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
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Ein Rotor für eine permanenterregte Synchronmaschine ist als Innenrotor ausgebildet und definiert eine Drehachse. Der Rotor hat einen Rotorkern mit Taschen, in welchen Taschen Magnete vorgesehen sind, und er bildet eine Mehrzahl von Rotorpolen aus, welche Rotorpole jeweils eine Polmitte und zwei Polränder aufweisen. Der Rotorkern hat eine Außenkontur mit einer radialen Erstreckung, welche radiale Erstreckung in der Polmitte ein Minimum und an den Polrändern ein Maximum aufweist.
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Durch die geringere radiale Erstreckung in der Polmitte ist dort der Luftspalt vergrößert, und dies führt zu einer Reduzierung des Nutruckens und einer Reduzierung der Erwärmung des Rotors im Betrieb. Gleichzeitig sind aber eine relativ große Leistung und ein vergleichsweise hohes Drehmoment möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rotorkern relativ zu einer kreisförmigen Außenkontur eine wellenförmige Außenkontur auf. Durch die relativ betrachtet wellenförmige Außenkontur werden abrupte Änderungen im elektromagnetischen System vermieden, die zu unerwünschten lokalen Schwankungen des Drehmoments führen können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rotorkern relativ zu einer kreisförmigen Außenkontur eine sinusförmige Außenkontur auf. Eine sinusförmige Außenkontur führt zu einer Verringerung der Oberwellen beim Drehmoment.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vergrößert sich die radiale Erstreckung der Außenkontur von der Polmitte beginnend zu den Polrändern hin zumindest bereichsweise. Hierdurch wird auf einfache Art ein Ansteigen der radialen Erstreckung erzielt. Bevorzugt ist zumindest eine Vergrößerung der radialen Erstreckung zwischen der Polmitte und den Polrändern auf der der Polmitte zugeordneten Hälfte vorgesehen. Der Zuwachs bei der radialen Erstreckung findet also zumindest in der Nähe der Polmitte statt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotorkern als Blechpaket ausgebildet. Die Ausbildung als Blechpaket ermöglicht eine gute magnetische Leitung im Rotorkern, und die einzelnen Bleche können bevorzugt zueinander isoliert ausgebildet werden, um bremsende Wirbelströme zu verhindern. In die einzelnen Bleche können jeweils die Aussparungen für die Taschen 34 und die Aussparung für die Welle 29 gestanzt werden. Bevorzugt sind die einzelnen Bleche jeweils einteilig mit Aussparungen für alle Rotormagnete ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind den Rotorpolen jeweils mindestens zwei Magnete zugeordnet, welche V-förmig angeordnet sind. Die V-förmige Anordnung ermöglicht eine hohe magnetische Flussdichte am jeweiligen Rotorpol, und eine durch die geringere radiale Erstreckung im Bereich des jeweiligen Rotorpols auftretende Schwächung des magnetischen Flusses ist daher weniger relevant. Zudem ermöglicht diese Anordnung ein hohes Reluktanzmoment.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind den Rotorpolen jeweils mindestens drei Magnete zugeordnet, welche wannenförmig angeordnet sind. Die wannenförmige Anordnung ermöglicht eine hohe magnetische Flussdichte am jeweiligen Rotorpol, und eine durch die geringere radiale Erstreckung im Bereich des jeweiligen Rotorpols auftretende Schwächung des magnetischen Flusses ist daher weniger schädlich. Zudem ermöglicht diese Anordnung ein hohes Reluktanzmoment.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind den Rotorpolen jeweils mindestens zwei Magnetlagen zugeordnet. Durch das Vorsehen mehrerer Magnetlagen kann der magnetische Fluss weiter verstärkt werden, und insbesondere im Bereich der Polmitte ist ein hoher magnetischer Fluss möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Rotorpole eine durch die Polmitte verlaufende Rotorpolachse auf, und die Rotorpole sind achsensymmetrisch bezüglich der Rotorpolachse ausgebildet. Durch die symmetrische Ausbildung wird zum einen die Berechnung der Bestromung der Wicklungsanordnung erleichtert, und zum anderen kann die Synchronmaschine in beide Richtungen gleich gut arbeiten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist eine permanentmagnetisch erregte Synchronmaschine einen entsprechenden Rotor und einen Stator auf.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:
- 1 in schematischer Draufsicht eine Ausführungsform einer permanenterregten Synchronmaschine mit einem Rotor,
- 2 in Draufsicht einen Rotorpol des Rotors von 1,
- 3 in Draufsicht eine weitere Ausführungsform eines Rotorpols mit wannenförmiger Anordnung der Magnete,
- 4 in Draufsicht eine weitere Ausführungsform eines Rotorpols mit zwei V-förmigen Magnetlagen
- 5 in Draufsicht eine weitere Ausführungsform eines Rotorpols mit zwei wannenförmigen Magnetlagen, und
- 6 in Draufsicht eine weitere Ausführungsform eines Rotorpols.
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1 zeigt eine permanenterregte Synchronmaschine 10 mit einem schematisch angedeuteten Stator 12 und einem Rotor 20. Zwischen dem Stator 12 und dem Rotor 20 ist ein Luftspalt 14 ausgebildet. Im Elektromaschinenbau wird als Luftspalt ein magnetisch schlecht leitender Bereich zwischen zwei magnetisch leitenden Flächen verstanden, hier also zwischen der Außenkontur des Rotorkerns und der Innenkontur des Stators. In diesem Bereich muss nicht Luft sein, und er kann z.B. bereichsweise eine Kunststoffschicht und/oder ein anderes Gas aufweisen.
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Der Stator 12 ist schematisch angedeutet, und er ist - nicht dargestellt - bevorzugt als Stator mit ausgeprägten Polen ausgebildet. Der Stator 12 hat eine Wicklungsanordnung und eine der Wicklungsanordnung zugeordnete Endstufe 16.
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Der Rotor 20 ist als Innenrotor ausgebildet, und er hat im Ausführungsbeispiel sechs Rotorpole 21 bis 26. Eine andere Polzahl ist auch möglich, beispielsweise vier, acht oder zwölf Pole. Der Rotor 20 hat einen Rotorkern 30, der bevorzugt als Blechpaket mit einer Mehrzahl von gestapelten Blechen ausgebildet ist. Im Rotorkern 30 sind Taschen 34 vorgesehen, und in den Taschen 34 sind Magnete 41 angeordnet. Man spricht auch von eingebetteten Magneten oder vergrabenen Magneten. Bevorzugt bilden die Taschen 34 seitlich von den Magneten 41 Aussparungen 42 aus, welche auch als Flussbarrieren bezeichnet werden können. Die Aussparungen 42 verringern den magnetischen Kurzschluss, bei dem das Magnetfeld direkt vom Nordpol des Magneten 21 über den Rotorkern 30 im seitlichen Bereich des Magneten 21 zum Südpol des Magnets 21 verläuft und damit nicht für die Wechselwirkung mit dem Stator 12 nutzbar ist.
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Permanenterregte Synchronmaschinen können mit Hilfe der Permanentmagnete 21 sowohl als Motoren als auch als Generatoren genutzt werden.
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Die Rotorpole 21 bis 26 haben jeweils eine Polmitte 31 und zwei Polränder 32A, 32B, die auch als Pollücken bezeichnet werden können.
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Die Magnete 41 des Pols 21 sind derart ausgerichtet, dass in der Polmitte 31 ein Magnetfeld entsteht, welches an der Außenkontur 50 des Rotorkerns 30 im Bereich der Polmitte 31 einen Nordpol erzeugt. Der benachbarte Rotorpol 26 erzeugt an der Außenkontur 50 des Rotorkerns 30 entsprechend einen Südpol, so dass die jeweils benachbarten Rotorpole 21 bis 26 jeweils entgegengesetzt magnetisiert sind.
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Die Außenkontur 50 ist nicht kreisrund, sondern die radiale Erstreckung 52 der Außenkontur 50 hat in der Polmitte 31 ein Minimum 54 und an den Polrändern 32A, 32B ein Maximum 56.
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Bevorzugt vergrößert sich die radiale Erstreckung der Außenkontur 50 von der Polmitte 31 beginnend zu den Polrändern 32A, 32B hin.
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Die dem jeweiligen Rotorpol 21 bis 26 zugeordneten Magnete 41 sind V-förmig angeordnet. Die V-Form ist nach außen geöffnet.
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Durch die nicht kreisförmige Außenkontur 50 des Rotorkerns 30 entsteht ein magnetischer Luftspalt 14, welcher im Bereich der Polmitte 31 relativ groß und im Bereich der Polränder 32A, 32B relativ klein ist. Die Erhöhung des Luftspalts 14 ist, insbesondere bei großen Synchronmaschinen, vorteilhaft, da hierdurch das Nutrucken bzw. die Nutpulsation geringer wird. Zudem entsteht hierdurch eine geringere Erwärmung des Rotors 20 im Betrieb.
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Die Vergrößerung des Luftspalts 14 kann jedoch aufgrund des vergrößerten magnetischen Widerstands zu einer Verringerung der Leistung und des Drehmoments der Synchronmaschine führen.
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Hierbei ist die gezeigte Ausführungsform mit dem geringen Luftspalt im Bereich der Polränder 32A, 32B und dem großen Luftspalt 14 im Bereich der Polmitte 31 positiv.
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Bei einer feldorientierten Betrachtung wird ein rotorfestes Koordinatensystem betrachtet, wobei die Polmitte 31 eines Pols 21 bis 26 als d-Achse definiert wird und die Polränder bzw. Pollücken 32A, 32B als q-Achse.
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Die Leistung P einer Synchronmaschine ist proportional zum Quotienten aus der Flussverkettung ΨPM der Permanentmagnete 41 und der Längsinduktivität Ld. Die Flussverkettung ΨPM sinkt bei größer werdendem Luftspalt 14. Die Längsinduktivität Ld, also die Induktivität einer Wicklungsspule, wenn sie in der d-Achse bzw. in der Polmitte 31 steht, ist bei dem vorliegenden Schnitt des Rotorkerns 30 allerdings auch geringer, da der Luftspalt 14 in diesem Bereich besonders groß ist. Daher werden bei größerem Luftspalt 14 mit dem gezeigten Rotorkern 30 sowohl die Flussverkettung als auch die Längsinduktivität geringer, und der Leistungsverlust ist trotz größerem Luftspalt 14 begrenzt, da im Quotient sowohl der Zähler als auch der Nenner kleiner werden. Es ist sogar denkbar, dass mit der gezeigten Ausgestaltung eine Leistungssteigerung oder eine gleichbleibende Leistung trotz im Mittel größerem Luftspalt möglich ist.
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Ein weiterer Vorteil der gezeigten Ausgestaltung der Außenkontur des Rotorpakets 30 ist die Erhöhung der Differenz der Querinduktivität Lq und der Längsinduktivität Ld, da das Reluktanzmoment proportional zur Differenz Lq - Ld ist, und das Reluktanzmoment kann hierdurch besser genutzt werden. Hierdurch wird die durch die Erhöhung des Luftspalts 14 bewirkte Verringerung der Flussverkettung ΨPM zumindest teilweise ausgeglichen.
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2 zeigt den Rotorpol 21 von 1 in vergrößerter Darstellung. Die Rotormagnete 41 erzeugen an der Außenkontur 50 des Rotorkerns 30 im Bereich der Polmitte 31 einen Nordpol. Neben der tatsächlichen Außenkontur 50 ist mit einer gestrichelten Linie eine kreisrunde Außenkontur 50A eingezeichnet, und es ist zu sehen, dass die radiale Erstreckung 52 der Außenkontur 50 von der Polmitte 31 beginnend zu den Polrändern 32A, 32B hin zumindest bereichsweise zunimmt. Die V-förmige Magnettopologie ermöglicht auch ein großes Reluktanzmoment.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung des Rotorpols 31. Es sind drei Magnete 41A, 41B und 41C vorgesehen, welche den Rotorpol 21 bilden. Eine solche Anordnung der Rotormagnete 41A, 41B, 41C kann als wannenförmige Anordnung bezeichnet werden. Die Wannenform ist nach außen geöffnet. Die wannenförmige Magnettopologie ermöglicht ein großes Reluktanzmoment
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Rotorpols 21, bei der eine erste Magnetlage 41A, 41C weiter innen V-förmig angeordnet ist, und bei der eine zweite Magnetlage 41B, 41D weiter außen V-förmig angeordnet ist. Eine solche Anordnung der Magnete 41A, 41B, 41C und 41D in zwei Magnetlagen ist besonders vorteilhaft, da hierdurch in der Polmitte 31 ein vergleichsweise starker Magnetfluss erzeugt wird. Die durch die Außenkontur 50 im Bereich der Polmitte 31 auftretende Schwächung des Magnetflusses wird daher durch den starken Magnetfluss in diesem Bereich durch die mehrlagigen Magnete kompensiert.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Rotorpols 21. Wie in 4 sind mehrere Magnetlagen vorgesehen, jedoch in wannenförmiger Geometrie. Die innere Magnetlage umfasst die Magnete 41A, 41C und 41E, und die äußere Magnetlage umfasst die Magnete 41B, 41D und 41F. Es ist auch möglich, mehr als zwei Magnetlagen vorzusehen, bspw. drei oder vier Magnetlagen. Es sind auch Kombinationen möglich, beispielsweise eine innere wannenförmige Magnetlage und eine äußere V-förmige Magnetlage.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Rotorpols 21. Die Magnete 41 sind V-förmig angeordnet. Zur Charakterisierung der Außenkontur 50 sind ein innerer Kreis 50A und ein äußerer Kreis 50B eingezeichnet.
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Anhand des inneren Kreises 50A wird ersichtlich, dass die radiale Erstreckung von der Polmitte 31 zu den Polrändern 32A, 32B jeweils zunimmt. Es findet insbesondere auch eine Zunahme im mittleren Polbereich statt.
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Anhand des äußeren Kreises 50B wird ersichtlich, dass die radiale Erstreckung relativ zur kreisförmigen Kontur 50B eine wellenförmige Außenkontur hat, bei der die Außenkontur 50 im mittleren Polbereich innerhalb der kreisförmigen Kontur 50B und in den Polrandbereichen außerhalb der kreisförmigen Kontur 50B verläuft. Die Außenkontur 50 verläuft im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen sinusförmig relativ zur kreisförmigen Kontur 50B.
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Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 1949628 A [0002]
- EP 1610444 A1 [0002]
- WO 2017/051522 A1 [0002]
- EP 3145057 A1 [0003]
- US 2017104376 A1 [0003]
