DE102018210827B4

DE102018210827B4 - Synchronous machine with a rotor and motor vehicle

Info

Publication number: DE102018210827B4
Application number: DE102018210827.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Holzapfel; Bastian Heidler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-07-02
Filing date: 2018-07-02
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2038-07-03
Also published as: DE102018210827A1

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.

DE 10 2010 041 015 A1 betrifft eine Maschinenkomponente, insbesondere einen Rotor, zum Aufbau einer elektrischen Maschine. Der Rotor weist Rotorpole auf, an denen ein von mindestens einem Permanentmagneten gebildetes Magnetfeld austritt, so dass mithin eine permanenterregte Maschine entsteht. Dabei wird eine Polkontur vorgeschlagen, die von einer rein kreiszylindrischen Mantelfläche der Maschinenkomponente abweicht, wobei die Polkontur insbesondere einer Sinuspolkontur, beispielsweise einer Richterkontur, entsprechen kann. DE 10 2010 041 015 A1 relates to a machine component, in particular a rotor, for constructing an electrical machine. The rotor has rotor poles at which a magnetic field formed by at least one permanent magnet exits, so that a permanently excited machine is created. In this case, a pole contour is proposed which deviates from a purely circular-cylindrical lateral surface of the machine component, it being possible for the pole contour to correspond in particular to a sinusoidal pole contour, for example a Richter contour.

EP 2 741 398 A1 offenbart einen elektrischer Generator für Windturbinen. Ein Rotor besteht aus einer Rotorstruktur mit einem ferromagnetischen Material, welche den magnetischen Fluss führt, wobei wenigstens eine Ausnehmung derart in dem ferromagnetischen Material ausgebildet ist, dass der magnetische Fluss in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zum Polkörper abgeschwächt wird und eine sinusförmige Flussverteilung in dem Spalt zwischen Rotor und Stator erreicht wird. Hierzu haben die Ausnehmungen langgestreckte, ellipsoidale Querschnitte und erstrecken sich entlang der radialen Richtung des Polschuhs. EP 2 741 398 A1 discloses an electrical generator for wind turbines. A rotor consists of a rotor structure with a ferromagnetic material, which guides the magnetic flux, wherein at least one recess is formed in the ferromagnetic material such that the magnetic flux is weakened in a direction substantially perpendicular to the pole body and a sinusoidal flux distribution in the gap between rotor and stator is reached. To this end, the recesses have elongated, ellipsoidal cross sections and extend along the radial direction of the pole shoe.

US 2008/0224558 A1 beschreibt eine elektrische Maschine mit Permanentmagneten, bei der der Stator Aperturen bzw. Flussbarieren aufweist. Die radiale Ausdehnung der Ausnehmungen nehmen zur seitlichen Begrenzung der Polstruktur hin ab. U.S. 2008/0224558 A1 describes an electrical machine with permanent magnets in which the stator has apertures or flux barriers. The radial extent of the recesses decreases toward the lateral delimitation of the pole structure.

DE 10 2007 040 750 A1 betrifft einen stromerregten Synchronmotor, der insbesondere für Fahrzeugantriebe geeignet ist und aus einem Stator und einem die Erregerwicklung tragenden Rotor besteht, wobei der Rotor mindestens zwei Rotorpole mit je einer Erregerwicklung aufweist. Zur Erhöhung des Reluktanzmoments des stromerregten Synchronmotors ist in jedem Rotorpol mindestens eine selektive Magnet-Flußbarriere, insbesondere in Form eines radialen Schlitzes längs der Hauptachse des Rotorpols, vorgesehen. DE 10 2007 040 750 A1 relates to a current-excited synchronous motor which is particularly suitable for vehicle drives and consists of a stator and a rotor carrying the field winding, the rotor having at least two rotor poles, each with a field winding. In order to increase the reluctance torque of the current-excited synchronous motor, at least one selective magnetic flux barrier is provided in each rotor pole, in particular in the form of a radial slot along the main axis of the rotor pole.

EP 1 965 484 A1 offenbart einen elektrischen Motor und seinen Rotor, wobei die magnetische Flussdichte auf einer Rotoroberfläche verbessert werden soll. Hierzu werden verschiedene nichtmagnetische Anteile am Rand der Rotorpole vorgesehen, die bestimmte Winkelintervall abdecken und einen sinusförmige Flussdichte im Spalt zwischen Rotor und Stator begünstigen sollen. Bei mehreren Ausnehmungen als nichtmagnetische Anteile kann deren Querschnittsfläche vom Polzentrum zum Rand abnehmen, bei einer durchgängigen Ausnehmung die radiale Ausnehmung zwischen den Winkelintervallen stufenweise zunehmen. EP 1 965 484 A1 discloses an electric motor and its rotor, wherein magnetic flux density on a rotor surface is to be improved. For this purpose, various non-magnetic parts are provided at the edge of the rotor poles, which cover certain angular intervals and are intended to promote a sinusoidal flux density in the gap between rotor and stator. With several off If the recesses are non-magnetic, their cross-sectional area can decrease from the pole center to the edge, while the radial recess between the angular intervals can increase in stages in the case of a continuous recess.

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 claim 1 are provided according to the invention in a synchronous machine of the type mentioned.

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 gemäß 2, und
4 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug

Further advantages and details of the present invention result from the exemplary embodiments presented below and from the drawing. show:

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 the synchronous machine 2 , and
4 a motor vehicle according to the invention

1 zeigt eine Ausgestaltung eines Sinuspols 1 gemäß dem Stand der Technik. Eine Polstruktur 2 wird dabei aus einem Polschenkel 3 und einem Polschuh 4 gebildet, welcher einen Luftspalt 5 zu der hier nur angedeuteten Oberfläche 6 des Stators der Synchronmaschine bildet. Wicklungen sind der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Ersichtlich ist die Kontur des Polschuhs 4 zur Statoroberfläche 6 hin so ausgestaltet, dass sich der Luftspalt 5 ausgehend von einer radialen Mittelachse 7 der Polstruktur 2 vergrößert, so dass tangential seitlich ein größerer magnetischer Widerstand gegeben ist und sich eine sinusförmige Flussdichteverteilung ausbildet. Der Nachteil dieses in seiner Breite zur Polstrukturmitte hin abnehmenden, also sich verengenden Luftspalts 5 sind jedoch erhöhte Reibungsverluste durch Luftstauung. 1 shows an embodiment of a sine pole 1 according to the prior art. A pole structure 2 is formed from a pole leg 3 and a pole shoe 4, which forms an air gap 5 to the surface 6 of the stator of the synchronous machine, which is only indicated here. Windings are not shown for the sake of clarity. As can be seen, the contour of the pole shoe 4 is designed towards the stator surface 6 in such a way that the air gap 5 increases starting from a radial center axis 7 of the pole structure 2, so that there is greater magnetic resistance tangentially to the side and a sinusoidal flux density distribution is formed. However, the disadvantage of this air gap 5, which decreases in width towards the middle of the pole structure, that is to say narrows, is increased friction losses due to air accumulation.

Die 2 und 3 zeigen eine erfindungsgemäße fremderregte Synchronmaschine 8, wobei 3 die erfindungsgemäß vorgesehenen Polstrukturen 9 in vergleichbarer Darstellung zur 1 genauer zeigt. Die Synchronmaschine 8 weist einen feststehenden Stator 10 auf, dessen in Nuten vorgesehene Statorwicklungen 11 der Übersichtlichkeit halber nur teilweise gezeigt sind. Mittels einer Drehachse 12 ist der Rotor 13 drehbar gegenüber dem Stator 10 gelagert, wobei es sich bei dem Rotor 13 um einen Innenrotor handelt. Der im vorliegenden Fall vierpolige Rotor 13 weist für jeden seiner Rotorpole Polstrukturen 9, auf, die jeweils wiederum einen Polschenkel 3 und einen Polschuh 14 umfassen. Um den Polschenkel 3 ist jeweils die in 2 angedeutete Erregerwicklung 15 gelegt.the 2 and 3 show an inventive separately excited synchronous machine 8, wherein 3 the pole structures 9 provided according to the invention in a comparable representation to FIG 1 shows more precisely. The synchronous machine 8 has a stationary stator 10, the stator windings 11 of which are provided in slots and are only partially shown for the sake of clarity. The rotor 13 is mounted rotatably relative to the stator 10 by means of an axis of rotation 12, the rotor 13 being an inner rotor. The four-pole rotor 13 in the present case has pole structures 9 for each of its rotor poles, each of which in turn comprises a pole leg 3 and a pole shoe 14 . Around the pole leg 3 is the in 2 indicated excitation winding 15 placed.

Wie sich insbesondere aus 3 entnehmen lässt, ist der Polschuh 14 gegenüber dem Polschuh 4 verändert ausgestaltet. Zum einen ist sein Oberflächenverlauf zur Statoroberfläche 6 so gewählt, dass der Luftspalt 5 über seine gesamte Ausdehnung in tangentialer Richtung, also Umfangsrichtung, eine konstante Breite aufweist. Um dennoch die Rotorpole als Sinuspole zu etablieren, ist der Polschuh 14 bezüglich seines internen magnetischen Widerstands modifiziert, vorwiegend durch das Vorsehen von den Polschuh 14 in axialer Richtung durchlaufenden, luftgefüllten Ausnehmungen 16, die aus dem Blechpaket 17, das die Polstruktur 9 bildet, ausgestanzt sind. Ausgehend von der radialen Mittelachse der Polstruktur 9 nimmt die radiale Ausdehnung der Ausnehmungen 16, im Wesentlichen entsprechend dem Verlauf der Luftspaltbreite gemäß 1, zu. Die Ausdehnungen der Ausnehmungen 16 sind dabei so gewählt, dass sich trotz des in seiner Breite konstanten Luftspalts 5 eine sinusförmige Flussdichteverteilung ergibt, mithin ein Sinuspol entsteht.How to look in particular 3 can be seen, the pole shoe 14 is configured differently compared to the pole shoe 4. On the one hand, the shape of its surface in relation to the stator surface 6 is selected in such a way that the air gap 5 has a constant width over its entire extent in the tangential direction, that is to say the circumferential direction. In order to nevertheless establish the rotor poles as sinusoidal poles, the pole shoe 14 is modified with regard to its internal magnetic resistance, primarily by the provision of air-filled recesses 16 running through the pole shoe 14 in the axial direction, which are punched out of the laminated core 17 that forms the pole structure 9 are. Starting from the radial central axis of the pole structure 9, the radial expansion of the recesses 16 essentially corresponds to the progression of the air gap width 1 , to. The extents of the recesses 16 are selected in such a way that, despite the air gap 5 having a constant width, a sinusoidal flux density distribution results, and therefore a sinusoidal pole results.

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 laminated core 17 are provided for the tangential lateral delimitation of the pole shoe 14 in order to compensate for keeping the width of the air gap 5 constant. In addition, it is also conceivable to suitably vary the magnetic resistance of the pole shoe 14 spatially by means of local heat treatment or local mechanical structural changes.

4 zeigt schließlich eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 18, welches als Traktionsmotor 19 eine erfindungsgemäße fremderregte Synchronmaschine 8 nutzt. 4 finally shows a schematic diagram of a motor vehicle 18 according to the invention, which uses a separately excited synchronous machine 8 according to the invention as a traction motor 19 .

Claims

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 extension of the pole shoe (14). and the spatial distribution of the magnetic resistance of the pole shoes (14) is such 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).

Synchronous machine (8) after claim 1 , characterized in that the pole shoes (14) at least partially have at least one, in particular air-filled, recess (16) which increases in its radial extent towards the lateral delimitation of the pole structure (9).

Synchronous machine (8) after claim 2 , characterized in that the course of the at least one recess (16) follows the tangential course of the air gap (5).

Synchronous machine (8) according to one of the preceding claims, characterized in that the course of magnetic resistance in the pole shoe (14) is chosen to be essentially symmetrical to a radial central axis (7) of the pole structure (9).

Motor vehicle (18) having a traction motor (19) formed by a synchronous machine (8) according to one of the preceding claims.