DE102018210827B4 - Synchronous machine with a rotor and motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Synchronmaschine (8), insbesondere fremderregte Synchronmaschine (8), aufweisend einen Stator (10) und einen Rotor (13), wobei der Rotor (13) mehrere Polstrukturen (9) mit jeweils einem Polschuh (14) aufweist, die jeweils bezüglich der Flussdichteverteilung einen Sinuspol zum Stator (10) ausbilden, wobei die Polschuhe (14) von dem Stator (10) durch einen Luftspalt (5) getrennt sind, wobei der Luftspalt (5) über die gesamte tangentiale Ausdehnung des Polschuhs (14) eine konstante Breite aufweist und die räumliche Verteilung des magnetischen Widerstands der Polschuhe (14) so ausgebildet ist, dass sich trotz des Luftspalts (5) konstanter Breite der Sinuspol ausbildet, wobei die Polstruktur (9) durch ein Blechpaket (17) gebildet wird, wobei die Blechlamellen in zumindest einem zur seitlichen Begrenzung hin gelegenen Strukturbereich des Polschuhs (14) dünner gepresst sind als in einem zur Mitte des Polschuhs (14) gelegenen Strukturbereich.Synchronous machine (8), in particular externally excited synchronous machine (8), having a stator (10) and a rotor (13), the rotor (13) having a plurality of pole structures (9), each with a pole shoe (14), each with respect to the flux density distribution form a sine pole to the stator (10), the pole shoes (14) being separated from the stator (10) by an air gap (5), the air gap (5) having a constant width over the entire tangential extent of the pole shoe (14). and the spatial distribution of the magnetic resistance of the pole shoes (14) is designed in such a way that the sinusoidal pole is formed despite the air gap (5) of constant width, the pole structure (9) being formed by a laminated core (17), the laminated cores in at least are pressed thinner in a structure area of the pole shoe (14) located towards the lateral boundary than in a structure area located towards the center of the pole shoe (14).
Description
Die Erfindung betrifft eine insbesondere fremderregte Synchronmaschine, aufweisend einen Stator und einen Rotor, wobei der Rotor mehrere Polstrukturen mit jeweils einem Polschuh aufweist, die jeweils bezüglich der Flussdichteverteilung einen Sinuspol zum Stator ausbilden, wobei die Polschuhe von dem Stator durch einen Luftspalt getrennt sind. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Synchronmaschine.The invention relates to a synchronous machine, in particular separately excited, having a stator and a rotor, the rotor having a plurality of pole structures, each with a pole shoe, which each form a sinusoidal pole relative to the stator with regard to the flux density distribution, the pole shoes being separated from the stator by an air gap. In addition, the invention relates to a motor vehicle with such a synchronous machine.
Synchronmaschinen sind im Stand der Technik bereits bekannt. Dabei handelt es sich um Drehstrommaschinen, in denen der Rotor synchron mit dem Drehfeld des Stators läuft. Es sind sowohl Ausgestaltungen bekannt, in denen der Rotor außen um den Stator umläuft (sogenannter Außenrotor oder Außenläufer), als auch Ausgestaltungen, in denen der Rotor innerhalb des Stators drehbar gelagert ist (sogenannter Innenrotor oder Innenläufer). Der Rotor weist dabei üblicherweise mehrere Rotorpole auf, die bei einem Schenkelpolrotor, worauf sich die vorliegende Erfindung bezieht, durch Polstrukturen gebildet werden, die radial nach außen in einem Polschuh enden, der über einen Luftspalt vom Stator beabstandet ist. Dabei sind sowohl permanent erregte Synchronmaschinen, bei denen die Pole mittels eines Permanentmagneten definiert werden, als auch fremderregte Synchronmaschinen, bei denen eine elektrische Wicklung um den Polschenkel der Polstruktur gelegt ist, bekannt. Fremderrregte Synchronmaschinen werden dabei häufig in Kraftfahrzeugen eingesetzt.Synchronous machines are already known in the prior art. These are three-phase machines in which the rotor runs synchronously with the rotating field of the stator. Configurations are known in which the rotor runs around the outside of the stator (so-called external rotor or external rotor) and configurations in which the rotor is rotatably mounted inside the stator (so-called internal rotor or internal rotor). The rotor usually has a plurality of rotor poles which, in the case of a salient-pole rotor to which the present invention relates, are formed by pole structures which end radially outwards in a pole shoe which is spaced apart from the stator by an air gap. Both permanently excited synchronous machines, in which the poles are defined by means of a permanent magnet, and separately excited synchronous machines, in which an electrical winding is placed around the pole piece of the pole structure, are known. Externally excited synchronous machines are often used in motor vehicles.
Bei fremderregten Synchronmaschinen wurde im Stand der Technik vorgeschlagen, die einzelnen Rotorpole als sogenannte Sinuspole auszuführen, um Drehungleichförmigkeiten zu reduzieren. Kennzeichnend für einen Sinuspol ist, dass sich im Luftspalt zwischen Rotor und Stator im Betrieb eine in etwa sinusförmige Flussdichteverteilung einstellt. Hierzu ist es bekannt, die Breite des Luftspalts, also den radialen Abstand der Polschuhoberfläche zur Statoroberfläche, geometrisch so auszuführen, dass sich die gewollte sinusförmige Flussdichteverteilung einstellt, indem die Breite des Luftspalts zu den in Umfangsrichtung seitlichen, tangentialen Rändern der Polschuhe hin zunimmt, so dass auch der magnetische Widerstand zu den Rändern hin stetig zunimmt.In the case of separately excited synchronous machines, it was proposed in the prior art to design the individual rotor poles as so-called sine poles in order to reduce rotational irregularities. It is characteristic of a sine pole that an approximately sinusoidal flux density distribution occurs in the air gap between rotor and stator during operation. For this purpose, it is known to design the width of the air gap, i.e. the radial distance between the pole shoe surface and the stator surface, geometrically in such a way that the desired sinusoidal flux density distribution is achieved by the width of the air gap increasing towards the tangential edges of the pole shoes on the side in the circumferential direction, so that the magnetic resistance also increases steadily towards the edges.
Diese geometrische Ausführung hat allerdings den Nachteil, dass sich in dem in Umfangsrichtung, also Tangentialrichtung, zur Mitte des Polschuhs hin verengenden Spalt ein aerodynamischer Druck aufbaut, der bremsend auf den Rotor wirkt und zusätzliche Reibungsverluste generiert. Insbesondere bei fremderregten Synchronmaschinen, die häufig als Traktionsmotoren, insbesondere in Kraftfahrzeugen, angewendet werden, existieren sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten, für die simulativ Zusatzverluste von mehreren hundert Watt bei Maximaldrehzahl durch die Ausgestaltung des Luftspalts festgestellt wurden.However, this geometric design has the disadvantage that an aerodynamic pressure builds up in the circumferential direction, ie tangential direction, narrowing towards the center of the pole shoe, which has a braking effect on the rotor and generates additional friction losses. Particularly in the case of externally excited synchronous machines, which are often used as traction motors, particularly in motor vehicles, there are very high peripheral speeds for which additional losses of several hundred watts at maximum speed have been determined in a simulative manner due to the design of the air gap.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine insbesondere fremderregte Synchronmaschine mit Sinuspolen anzugeben, bei denen die Reibungsverluste wenigstens reduziert sind.The invention is based on the object of specifying a synchronous machine with sinusoidal poles, in particular with external excitation, in which the friction losses are at least reduced.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Synchronmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.To solve this problem, the features of
Die Erfindung geht mithin aus von einer grundsätzlich bekannten, insbesondere fremderregten Synchronmaschine, die entweder einen Außen- oder einen Innenrotor aufweist, der drehbar gegen den Stator gelagert ist und von dem Stator im Polschuhbereich durch einen dünnen Luftspalt einer bestimmten, erfindungsgemäß konstanten Breite beabstandet ist. Die Breite ist dabei als der radiale Abstand zwischen der Polschuhoberfläche und der Statoroberfläche zu verstehen. Trotz des in seiner Breite konstanten Luftspalts lässt sich jedoch der Sinuspol, das bedeutet, eine sinusförmige Flussdichteverteilung im Betrieb, erreichen, nachdem erkannt wurde, dass durch die im Stand der Technik bekannte Variation der Breite des Luftspalts der magnetische Widerstand lokal beeinflusst wird. Die Erfindung schlägt nun vor, diese Widerstandsbeeinflussung intern in den Rotorpolen vorzunehmen, konkret innerhalb der Polschuhe der Polstrukturen. Dabei sei angemerkt, dass es sich bei der hier beschriebenen Synchronmaschine insbesondere um eine Schenkelpolmaschine handelt, sich die Polstrukturen mithin aus einem Polschenkel und dem Polschuh zusammensetzen, wobei bei einer fremderregten Synchronmaschine um den Polschenkel die Erregerwicklung gelegt ist.The invention is therefore based on a fundamentally known, in particular separately excited synchronous machine that has either an outer or an inner rotor that is rotatably mounted against the stator and is spaced from the stator in the pole shoe area by a thin air gap of a specific width that is constant according to the invention. The width is to be understood as the radial distance between the pole shoe surface and the stator surface. Despite the air gap having a constant width, the sine pole, which means a sinusoidal flux density distribution during operation, can be achieved after it was recognized that the magnetic resistance is locally influenced by the variation in the width of the air gap known in the prior art. The invention now proposes influencing the resistance internally in the rotor poles, specifically within the pole shoes of the pole structures. It should be noted that the synchronous machine described here is in particular a salient-pole machine, the pole structures are therefore composed of a pole piece and the pole shoe, with the field winding being placed around the pole piece in a separately excited synchronous machine.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weisen mithin die Polschuhe wenigstens eine lokale, zu einem veränderten magnetischen Widerstand führende Modifikation auf, die wiederum zur zumindest näherungsweisen Ausbildung eines Sinuspols führt. Dabei können geeignete magnetische Widerstandsverteilungen für Sinuspole beispielsweise im Rahmen einer Simulation ermittelt werden, die auch die bereitstehenden Maßnahmen zur Modifikation des Polschuhs berücksichtigen kann. Es können dabei verschiedene Freiheitsgrade genutzt werden, um trotz des in seiner Breite konstanten Luftspalts die Ausbildung eines Sinuspols herbeizuführen.According to the present invention, the pole shoes therefore have at least one local modification that leads to a changed magnetic resistance, which in turn leads to the at least approximate formation of a sine pole. Suitable magnetic resistance distributions for sine poles can be determined, for example, within the framework of a simulation, which can also take into account the available measures for modifying the pole shoe. Different degrees of freedom can be used in order to bring about the formation of a sine pole despite the air gap having a constant width.
Durch den in seiner Breite konstanten Luftspalt werden die Reibungsverluste an den Polschuhen minimiert. Dies gelingt, da die aerodynamischen Zusatzverluste durch die veränderliche Breite des Luftspalts wegfallen, wobei durch die lokalen Modifikationen des Polschuhs die elektromagnetischen Vorteile eines Sinuspols weiterhin erhalten werden, indem der polinterne magnetische Widerstand derart gestaltet wird, dass sich wieder eine zumindest annähernd sinusförmige Flussdichteverteilung ergibt.The air gap, which is constant in width, minimizes the friction losses at the pole shoes. This succeeds because the additional aerodynamic losses due to the variable width of the air gap are eliminated, with the electromagnetic advantages of a sinus pole being retained by the local modifications of the pole shoe, in that the pole-internal magnetic resistance is designed in such a way that an at least approximately sinusoidal flux density distribution results again.
Zur Erhöhung des magnetischen Widerstands durch Wegnahme magnetisch leitfähigen Materials ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Polstruktur durch ein Blechpaket gebildet wird, wobei die Blechlamellen in zumindest einem zur seitlichen Begrenzung hin gelegenen Strukturbereich des Polschuhs dünner gepresst sind als in einem zur Mitte des Polschuhs gelegenen Strukturbereich. Das bedeutet, die einzelnen Lamellen des Blechpakets, aus denen die Polstrukturen gebildet sind, können zu den tangential seitlichen Enden hin gezielt dünner gepresst werden, so dass durch eine gezielte Wegnahme von magnetisch leitfähigem Material auch so die gewünschte Widerstandsverteilung und somit Flussdichteverteilung hergestellt werden kann.In order to increase the magnetic resistance by removing magnetically conductive material, the invention provides that the pole structure is formed by a laminated core, the laminated cores being pressed thinner in at least one structural area of the pole shoe located towards the lateral boundary than in a structural area located in the center of the pole shoe. This means that the individual laminations of the laminated core from which the pole structures are formed can be pressed thinner in a targeted manner towards the tangential lateral ends, so that the desired resistance distribution and thus flux density distribution can also be produced by deliberately removing magnetically conductive material.
In einer zusätzlich einsetzbaren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Polschuhe wenigstens teilweise wenigstens eine zur seitlichen Begrenzung der Polstruktur hin in ihrer radialen Ausdehnung zunehmende, insbesondere luftgefüllte Ausnehmung aufweisen. Das bedeutet, es werden ein oder mehrere Ausschnitte/Ausstanzungen in den Polschuh eingebracht, die bevorzugt luftgefüllt sein können, wobei es jedoch auch denkbar ist, ein anderes, den magnetischen Widerstand des Polschuhs modifizierendes Material einzufügen. Konkret bedeutet dies, dass durch gezielte Wegnahme von magnetisch leitfähigem Material die gewünschte Flussdichteverteilung eingestellt werden kann. Hierbei kann im Wesentlichen der radiale Ausdehnungsverlauf der wenigstens einen Ausnehmung, welcher bezüglich der radial verlaufenden Mittelachse der Polstruktur symmetrisch gewählt wird, den aus dem Stand der Technik bekannten Luftspaltverlauf zunehmender Breite nachbilden, so dass der zusätzliche luftgefüllte Freiraum, der durch Modifikation der Luftspaltbreite gegeben war, nun - hinsichtlich der gewünschten Flussdichteverteilung gegebenenfalls angepasst - in den Polschuh hinein verlagert ist. Dabei erstrecken sich die Ausnehmungen zumindest im Wesentlichen über die gesamte axiale Länge des Rotors. In ihrem sonstigen Verlauf kann die wenigstens eine Ausnehmung bevorzugt dem tangentialen Verlauf des Luftspalts folgen, das bedeutet, zumindest mit der dem Luftspalt zugewandten Oberfläche dessen Verlauf angepasst sein.In an additionally applicable embodiment of the present invention, it can be provided that the pole shoes at least partially have at least one, in particular air-filled, recess which increases in its radial extent towards the lateral delimitation of the pole structure. This means that one or more cutouts/punches are made in the pole shoe, which can preferably be filled with air, although it is also conceivable to insert another material that modifies the magnetic resistance of the pole shoe. In concrete terms, this means that the desired flux density distribution can be set by deliberately removing magnetically conductive material. The radial expansion profile of the at least one recess, which is selected to be symmetrical with respect to the radially running central axis of the pole structure, can essentially simulate the air gap profile of increasing width known from the prior art, so that the additional air-filled free space that was given by modifying the air gap width , Now - if necessary adjusted with regard to the desired flux density distribution - is shifted into the pole shoe. The recesses extend at least essentially over the entire axial length of the rotor. The rest of the course of the at least one recess can preferably follow the tangential course of the air gap, which means that its course can be adapted at least with the surface facing the air gap.
Alternativ oder zusätzlich ist es ferner denkbar, dass die Polstruktur in zumindest einem Strukturbereich des Polschuhs eine durch lokalen Wärme- und/oder Krafteintrag veränderte Struktureigenschaft und somit einen veränderten magnetischen Widerstand aufweist. Das bedeutet, in zweckmäßiger Weiterbildung kann eine gezielte Veränderung des magnetischen Verhaltens, insbesondere des Rotorbleches am Polschuh, durch lokale Wärmebehandlung oder lokale mechanische Gefügeveränderung herbeigeführt werden.Alternatively or additionally, it is also conceivable that the pole structure in at least one structure ture area of the pole shoe has a structural property that has changed as a result of local application of heat and/or force, and thus has a changed magnetic resistance. This means that, in an expedient development, a targeted change in the magnetic behavior, in particular of the rotor lamination on the pole shoe, can be brought about by local heat treatment or local mechanical structural changes.
Wie bereits angedeutet, wird der magnetische Widerstandsverlauf im Polschuh vorzugsweise im Wesentlichen symmetrisch zu einer radialen Mittelachse der Polstruktur gewählt, was entsprechend auch für die Modifikationen des Polschuhs bzw. wenigstens deren Wirkung gilt. Diese Symmetrie fördert die möglichst exakte Ausbildung der sinusförmigen Flussdichteverteilung.As already indicated, the course of magnetic resistance in the pole shoe is preferably chosen to be essentially symmetrical to a radial center axis of the pole structure, which also applies correspondingly to the modifications of the pole shoe or at least their effect. This symmetry promotes the most exact possible formation of the sinusoidal flux density distribution.
Neben der Synchronmaschine betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen durch eine erfindungsgemäße Synchronmaschine gebildeten Traktionsmotor. Gerade in Kraftfahrzeugen treten, wie eingangs dargelegt, aufgrund der hohen Maximaldrehzahlen und somit hohen Umfangsgeschwindigkeiten bei einer Variation von Luftspaltbreiten starke aerodynamische Zusatzverluste auf, die durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung minimiert bzw. gänzlich eliminiert werden können. Sämtliche Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Synchronmaschine lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen, mit welchem mithin ebenso die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.In addition to the synchronous machine, the present invention also relates to a motor vehicle having a traction motor formed by a synchronous machine according to the invention. As explained at the outset, particularly in motor vehicles, due to the high maximum rotational speeds and thus high peripheral speeds when varying the air gap widths, there are high additional aerodynamic losses which can be minimized or entirely eliminated by the configuration according to the invention. All statements regarding the synchronous machine according to the invention can be transferred analogously to the motor vehicle according to the invention, with which the advantages already mentioned can therefore also be obtained.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden dargestellten Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
-
1 eine Ausgestaltung eines Sinuspols gemäß dem Stand der Technik, -
2 eine erfindungsgemäße fremderregte Synchronmaschine, -
3 eine Polstruktur der Synchronmaschine gemäß2 , und -
4 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug
-
1 a design of a sine pole according to the prior art, -
2 a separately excited synchronous machine according to the invention, -
3 according to a pole structure of thesynchronous machine 2 , and -
4 a motor vehicle according to the invention
Die
Wie sich insbesondere aus
Zusätzlich sind zur tangential seitlichen Begrenzung des Polschuhs 14 hin dünner gepresste Blechlamellen des Blechpakets 17 vorgesehen, um die Konstanthaltung der Breite des Luftspalts 5 zu kompensieren. Denkbar ist es zusätzlich auch, durch lokale Wärmebehandlung oder lokale mechanische Gefügeveränderung den magnetischen Widerstand des Polschuhes 14 geeignet räumlich zu variieren.In addition, thinner pressed laminations of the
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