DE102020103695A1 - Separately excited synchronous motor for a vehicle drive - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen fremderregten Synchronmotor (10) für einen Fahrzeugantrieb, umfassend einen Stator (12), in dem ein Rotor (14) gelagert ist, wobei der Rotor (14) wenigstens zwei Rotorpole (20) aufweist, an denen jeweils eine Erregerwicklung (26) angeordnet ist, und wobei die Rotorpole (20) jeweils wenigstens eine selektive Magnet-Flussbarriere (28) aufweisen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass in der Magnet-Flussbarriere (28) ein anisotropes Material angeordnet ist.The invention relates to a separately excited synchronous motor (10) for a vehicle drive, comprising a stator (12) in which a rotor (14) is mounted, the rotor (14) having at least two rotor poles (20), on each of which an excitation winding ( 26) is arranged, and wherein the rotor poles (20) each have at least one selective magnetic flux barrier (28). The invention is characterized in that an anisotropic material is arranged in the magnetic flux barrier (28).

Description

Die Erfindung betrifft einen fremderregten Synchronmotor für einen Fahrzeugantrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a separately excited synchronous motor for a vehicle drive according to the preamble of claim 1.

In der Elektromobilität sind derzeit vor allem permanenterregte Synchronmotoren oder Asynchronmotoren eingesetzt. Permanenterregte Synchronmotoren haben zwar eine hohe Leistungsdichte und einen günstigen Wirkungsgrad, aber sie benötigen aufwendige Elektronik, um Ausfälle zu verhindern, sowie Seltene-Erde-Magnete, die sehr teuer und endlich in ihrer Verfügbarkeit sind. Asynchronmotoren hingegen enthalten keine Seltenen Erden. Allerdings weisen ihr Wirkungsgrad und ihre Leistungsdichte ein ungünstigeres Profil als die permanenterregten Synchronmotoren auf.Permanent magnet synchronous motors or asynchronous motors are currently mainly used in electromobility. Permanent magnet synchronous motors have a high power density and low efficiency, but they require complex electronics to prevent failures, as well as rare earth magnets, which are very expensive and limited in their availability. Asynchronous motors, on the other hand, do not contain any rare earths. However, their efficiency and power density have a less favorable profile than permanent magnet synchronous motors.

Fremderregte Synchronmotoren kommen in vorteilhafter Weise ohne Seltene-Erden-Magnete aus und verbinden mit einem hohen Wirkungsgrad die Vorteile der bereits bekannten Antriebskonzepte. Sie beinhalten im Allgemeinen einen drehbar in einem Stator angeordneten Rotor. Der Stator weist zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfelds eine Vielzahl von Drehwicklungen auf. Der Rotor besteht aus ferromagnetischem Material, wie z. B. Weicheisen, auf das ein Elektromagnet angebracht ist, welcher über Schleifringe oder kontaktlos über Induktion mit Energie versorgt wird. Das Zusammenwirken dieser beiden Magnetfelder erzeugt ein Drehmoment auf dem Rotor, wobei durch Mitwirken eines Reluktanzdrehmoments ein zusätzliches Drehmoment erreicht werden kann.Separately excited synchronous motors advantageously manage without rare earth magnets and combine the advantages of the already known drive concepts with a high degree of efficiency. They generally include a rotor rotatably arranged in a stator. The stator has a plurality of rotating windings to generate a rotating magnetic field. The rotor is made of ferromagnetic material, such as. B. soft iron on which an electromagnet is attached, which is supplied with energy via slip rings or contactless via induction. The interaction of these two magnetic fields generates a torque on the rotor, whereby an additional torque can be achieved through the contribution of a reluctance torque.

Bei Fahrzeugantrieben, in denen der Elektromotor einen bedeutenden Teil der Vortriebsleistung liefert, oder ein solcher Motor das alleinige Antriebsaggregat darstellt, soll die Leistungsabgabe in einem weiten Drehzahl- und Lastbereich bei möglichst hohem Wirkungsgrad erfolgen.In the case of vehicle drives in which the electric motor provides a significant part of the propulsive power, or such a motor is the sole drive unit, the power output should take place in a wide speed and load range with the highest possible degree of efficiency.

So ist in der DE 10 2017 101 911 A1 eine synchrone Reluktanzelektromaschine beschrieben, die einen Rotor umfasst, der koaxial in einem zylindrisch geformten Hohlraum eines Stators angeordnet ist. Der Stator weist eine Vielzahl elektrischer Drehwicklungen auf. Der Rotor ist aus einer Vielzahl von Elektroblechen gebildet, die auf einer Welle montiert sind. Jedes der Elektrobleche beinhaltet eine Vielzahl von Polen, die wiederum jeweils eine Vielzahl von Steckplätzen aufweisen, die an einem Randbereich des Rotors angeordnet sind. Durch die Anordnung eines anisotropen Materials in den Steckplätzen ist die Drehmomententwicklung des Rotors erhöht und ein Motorwirkungsgrad verbessert.So is in the DE 10 2017 101 911 A1 A synchronous reluctance electrical machine is described which comprises a rotor which is arranged coaxially in a cylindrically shaped cavity of a stator. The stator has a plurality of electrical rotary windings. The rotor is made up of a large number of electrical laminations that are mounted on a shaft. Each of the electrical steel sheets contains a multiplicity of poles, which in turn each have a multiplicity of slots which are arranged on an edge region of the rotor. By arranging an anisotropic material in the slots, the torque development of the rotor is increased and a motor efficiency is improved.

Die DE 10 2017 101 913 A1 offenbart einen Elektromotor mit Dauermagnet. Der Elektromotor umfasst einen Stator mit einer Vielzahl elektrischer Wicklungen sowie einen im Stator gelagerten Rotor, der mit einer Vielzahl scheibenförmiger Stahllamellen ausgebildet ist. Jede der Stahllamellen beinhaltet eine Vielzahl von Polen und jeder Pol weist eine Magnet-Flussbarriere auf, die aus einer Vielzahl von longitudinal ausgerichteten Schlitzen in der Nähe eines Außenumfangs ausgebildet ist. In einer ersten Teilmenge der Schlitze sind Dauermagnete aufgenommen und in einer zweiten Teilmenge der Schlitze ist ein anisotropes Material aufgenommen, das eine Verringerung der Magnetmasse bei ähnlicher Leistungsfähigkeit des Elektromotors ermöglicht.the DE 10 2017 101 913 A1 discloses a permanent magnet electric motor. The electric motor comprises a stator with a large number of electrical windings and a rotor which is mounted in the stator and which is formed with a large number of disc-shaped steel lamellae. Each of the steel laminations includes a plurality of poles and each pole has a magnetic flux barrier formed from a plurality of longitudinally aligned slots near an outer periphery. Permanent magnets are accommodated in a first subset of the slots and an anisotropic material is accommodated in a second subset of the slots, which makes it possible to reduce the magnetic mass with a similar performance of the electric motor.

Die US 9 246 361 B2 offenbart einen stromerregten Synchronmotor, dessen Stator und Rotor jeweils eine segmentierte Struktur aus einer Vielzahl von magnetisch leitenden Elektroblechen aufweisen. Der Rotor umfasst ein Joch aus nicht-orientiertem Siliziumstahl, an dem mehrere Schenkel aus kornorientiertem Siliziumstahl angeordnet sind. Der Stator ist ebenfalls aus kornorientiertem Siliziumstahl gebildet. Die segmentierte, magnetisch leitende Struktur des Synchronmotors verringert die Koerzitivkraft sowie den Kernverlust des Stators und des Rotors, wodurch die Betriebseffizienz des Synchronmotors verbessert wird.the US 9 246 361 B2 discloses an energized synchronous motor, the stator and rotor of which each have a segmented structure made of a plurality of magnetically conductive electrical steel sheets. The rotor comprises a yoke made of non-oriented silicon steel, on which several legs made of grain-oriented silicon steel are arranged. The stator is also made of grain-oriented silicon steel. The segmented magnetically conductive structure of the synchronous motor reduces the coercive force and core loss of the stator and rotor, thereby improving the operating efficiency of the synchronous motor.

Die DE 10 2007 040 750 A1 beschreibt einen stromerregten Synchronmotor, dessen Rotorpole jeweils mit einer selektiven Magnet-Flussbarriere, z. B. in der Form eines radialen Schlitzes, ausgebildet sind. Die Magnet-Flussbarriere, in der ein Permanent-Magnet angeordnet sein kann, erhöht das Reluktanzmoment des stromerregten Synchronmotors gegenüber Ausführungen ohne Magnet-Flussbarriere.the DE 10 2007 040 750 A1 describes an energized synchronous motor, the rotor poles of which are each provided with a selective magnetic flux barrier, e.g. B. in the form of a radial slot. The magnetic flux barrier, in which a permanent magnet can be arranged, increases the reluctance torque of the current-excited synchronous motor compared to designs without a magnetic flux barrier.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen fremderregten Synchronmotor der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art derart weiterzubilden, dass das Reluktanzmoment des Rotors erhöht ist und der Motor eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit aufweist.The invention is based on the object of developing a separately excited synchronous motor of the type specified in the preamble of claim 1 in such a way that the reluctance torque of the rotor is increased and the motor has an improvement in performance.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.This object is achieved by the characterizing features of claim 1 in conjunction with the features of the preamble.

In bekannter Art und Weise umfasst ein fremderregter Synchronmotor, der insbesondere für Fahrzeugantriebe geeignet ist, einen Stator, an dem eine Vielzahl elektrischer Drehwicklungen angeordnet ist, die mit elektrischem Strom erregbar sind, um elektromagnetische Pole von wechselnder Polarität zu erzeugen. Der Stator bildet einen zylindrischen Hohlkörper, in dem ein Rotor koaxial angeordnet ist.In a known manner, a separately excited synchronous motor, which is particularly suitable for vehicle drives, comprises a stator on which a plurality of electrical rotary windings are arranged, which can be excited with electrical current in order to generate electromagnetic poles of alternating polarity. The stator forms a cylindrical hollow body in which a rotor is arranged coaxially.

Der Rotor ist auf einer Welle gelagert. Nach dem Stand der Technik ist der Rotor aus einem einheitlichen Materialsubstrat hergestellt. Insbesondere kann er aus einem ferromagnetischen, nicht-kornorientierten Elektroblech gebildet sein, das möglichst isotrope magnetische Eigenschaften aufweist. Nicht-kornorientierte Elektrobleche zeichnen sich durch hohe Magnetisierbarkeit sowie geringe Ummagnetisierungsverluste aus.The rotor is mounted on a shaft. According to the prior art, the rotor is made of one uniform material substrate produced. In particular, it can be formed from a ferromagnetic, non-grain-oriented electrical steel sheet, which has magnetic properties that are as isotropic as possible. Non-grain-oriented electrical sheets are characterized by high magnetizability and low magnetic reversal losses.

Der Rotor weist wenigstens zwei Rotorpole auf. Der Rotor kann als Voll- oder Schenkelpolläufer ausgebildet sein. An den Rotorpolen ist jeweils eine Erregerwicklung angeordnet. Die Erregerleistung im Rotor ist von außen zugeführt, indem die Erregerwicklungen von Gleichstrom durchflossen sind, wodurch Rotorpole oder Magnetpole im Rotor induziert sind.The rotor has at least two rotor poles. The rotor can be designed as a full or salient pole rotor. An excitation winding is arranged on each of the rotor poles. The excitation power in the rotor is supplied from the outside in that the excitation windings have direct current flowing through them, which induces rotor poles or magnetic poles in the rotor.

Die Rotorpole definieren jeweils eine Hauptachse (D-Achse) und eine Quadraturachse (Q-Achse). Die D-Achse ist an einem Mittelpunkt des Magnetpols ausgerichtet und entspricht einer Magnetflussrichtung. Die Q-Achse verläuft orthogonal zur D-Achse und ist an einem Mittelpunkt zweier Magnetpole des Rotors ausgerichtet.The rotor poles each define a main axis (D-axis) and a quadrature axis (Q-axis). The D-axis is aligned with a center point of the magnetic pole and corresponds to a magnetic flux direction. The Q-axis runs orthogonally to the D-axis and is aligned at a center point of two magnetic poles of the rotor.

Jeder Rotorpol weist mindestens eine selektive Magnet-Flussbarriere auf, die zu einem Reluktanzdrehmoment führt. Die sich im Rotor befindlichen Lufteinschlüsse wirken als Barrieren für den magnetischen Fluss. Sie dienen zur Erhöhung des magnetischen Widerstands für Flusslinien in der Q-Achse, wodurch die Induktivität an diesen Positionen sinkt. So ist eine Induktivität (Lq) der Q-Achse reduziert und eine Induktivität der Hauptachse (Ld) ist auf ihrem ursprünglich hohen Wert belassen. Aus der Erhöhung des Verhältnisses der jeweiligen Induktivitäten der Hauptachse zur Quadraturachse (Ld/Lq) ist ein Reluktanzdrehmoment bewirkt.Each rotor pole has at least one selective magnetic flux barrier that leads to a reluctance torque. The air pockets in the rotor act as barriers for the magnetic flux. They are used to increase the magnetic resistance for lines of flux in the Q-axis, which decreases the inductance at these positions. Thus, an inductance (Lq) of the Q-axis is reduced and an inductance of the main axis (Ld) is left at its originally high value. The increase in the ratio of the respective inductances of the main axis to the quadrature axis (Ld / Lq) results in a reluctance torque.

Erfindungsgemäß ist in der Magnet-Flussbarriere des Rotors ein anisotropes Material angeordnet. Anisotrope Materialien weisen entlang verschiedener Achsen ungleiche physikalische Eigenschaften auf, beispielsweise magnetische Eigenschaften. Vorzugsweise weist das anisotrope Material magnetische Eigenschaften auf, die mit der magnetischen Permeabilität verbunden sind und sich auf den Kernverlust und die Induktionsdurchlässigkeit beziehen. Durch die gezielt eingebrachte Anisotropie ist dem Rotor eine besondere Struktur gegeben, die im Vergleich zu herkömmlichen fremderregten Synchronmotoren eine Erhöhung des Drehmoments des Rotors bewirkt, so dass eine mechanische Leistung des erfindungsgemäßen Synchronmotors im Vergleich zum Stand der Technik erhöht ist.According to the invention, an anisotropic material is arranged in the magnetic flux barrier of the rotor. Anisotropic materials have different physical properties along different axes, such as magnetic properties. Preferably, the anisotropic material has magnetic properties associated with magnetic permeability and related to core loss and induction permeability. The specifically introduced anisotropy gives the rotor a special structure which, compared to conventional separately excited synchronous motors, increases the torque of the rotor, so that a mechanical performance of the synchronous motor according to the invention is increased compared to the prior art.

Bevorzugt ist der Rotor einteilig ausgebildet. Der Rotor weist eine nichtsegmentierte Struktur auf. Der Rotor aus einteiligem Elektroblech ist mit einem geringen Fertigungsaufwand herstellbar und weist in vorteilhafter Weise eine hohe mechanische Festigkeit auf, die den hohen Anforderungen d. h. den vergleichbar hohen Drehzahlen eines getriebeintegrierten Synchronmotors standhält.The rotor is preferably designed in one piece. The rotor has a non-segmented structure. The rotor made of one-piece electrical steel sheet can be manufactured with little manufacturing effort and advantageously has a high mechanical strength that meets the high requirements d. H. withstands the comparably high speeds of a synchronous motor integrated into the gearbox.

Vorzugsweise ist der Rotor als Schenkelpolläufer ausgebildet. Schenkelpolläufer weisen Polschenkel und ausgeprägte Polschuhe mit einem vergleichbar großen Durchmesser auf. Dadurch sind die Erregerwicklungen auf einfache Weise um die einen geringeren Durchmesser aufweisenden Polschenkel des Rotors wickelbar.The rotor is preferably designed as a salient pole rotor. Salient pole runners have pole legs and pronounced pole shoes with a comparatively large diameter. As a result, the excitation windings can be wound in a simple manner around the smaller diameter pole legs of the rotor.

Gemäß einer Ausführungsform ist die selektive Magnet-Flussbarriere als eine Ausnehmung im Rotorpol ausgebildet, die eine radiale Längsöffnung aufweist und sich in axialer Längsrichtung des Rotors erstreckt. Insbesondere kann der Rotorpol die Ausnehmung mittig ausbilden. Die Magnet-Flussbarriere kann insbesondere durch einen Schlitz im Rotorblech gebildet sein, der beispielsweise parallele Seitenwände aufweist. Die Ausnehmung ist in der Form einer radialen Längsöffnung ausgebildet, die sich einerseits längs der Hauptachse des Rotorpols und andererseits in axialer Längsrichtung des Rotors erstreckt. Die Lage und Form der Magnet-Flussbarriere ist derart gewählt, dass der Rotor und das Elektroblech des Rotors eine hohe Festigkeit aufweisen, um hohen Fliehkräften bei hoher Drehzahl zu widerstehen. In Richtung Hauptachse ist die Magnet-Flussbarriere durch einen vom Rotor ausgebildeten Steg begrenzt. Der Steg dient als eine Verbindungsbrücke, die zur hohen Eigenfestigkeit des Rotors beiträgt.According to one embodiment, the selective magnetic flux barrier is designed as a recess in the rotor pole which has a radial longitudinal opening and extends in the axial longitudinal direction of the rotor. In particular, the rotor pole can form the recess in the middle. The magnetic flux barrier can in particular be formed by a slot in the rotor lamination which, for example, has parallel side walls. The recess is designed in the form of a radial longitudinal opening which extends on the one hand along the main axis of the rotor pole and on the other hand in the axial longitudinal direction of the rotor. The position and shape of the magnetic flux barrier is selected in such a way that the rotor and the electrical steel sheet of the rotor have a high degree of strength in order to withstand high centrifugal forces at high speeds. In the direction of the main axis, the magnetic flux barrier is limited by a web formed by the rotor. The web serves as a connecting bridge, which contributes to the high inherent strength of the rotor.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das anisotrope Material aus einem kornorientierten Elektroblech gebildet. Kornorientierte Elektrobleche sind beispielsweise aus einer Eisen-Silizium-Legierung hergestellt, die ein kubisch-raumzentriertes (Krz)-Metallgitter aufweist. Im Unterschied zu nichtkornorientiertem Elektroblech, das aus einer willkürlichen Anordnung winziger miteinander verwachsener Kristalle besteht, sind die Körner des kornorientierten Elektroblechs aufgrund mehrerer aufeinander folgenden Walz- und Glühbehandlungen größer und bezüglich der Orientierung ihrer Kristallachsen einheitlich ausgerichtet. Aufgrund der Struktur setzt das Material dem Ummagnetisierungsvorgang weit weniger Widerstand entgegen als konventionelles Elektroblech. In Walzrichtung weist der texturierte Werkstoff im Vergleich zu einer Querrichtung eine erhöhte magnetische Permeabilität, erhöhte Magnetisierung und eine erhöhte Flussdichte auf. Mit anderen Worten bündelt und verstärkt kornorientiertes Elektroblech den magnetischen Fluss entlang der Walzrichtung. Die Induktionsdurchlässigkeit des kornorientierten Elektroblechs ist richtungsabhängig.According to a preferred embodiment, the anisotropic material is formed from a grain-oriented electrical sheet. Grain-oriented electrical steel sheets are made, for example, from an iron-silicon alloy that has a body-centered cubic (Krz) metal lattice. In contrast to non-grain-oriented electrical steel, which consists of an arbitrary arrangement of tiny crystals that have grown together, the grains of grain-oriented electrical steel are larger due to several successive rolling and annealing treatments and are uniformly aligned with regard to the orientation of their crystal axes. Due to its structure, the material offers far less resistance to the magnetic reversal process than conventional electrical steel. In the rolling direction, the textured material has increased magnetic permeability, increased magnetization and increased flux density compared to a transverse direction. In other words, grain-oriented electrical steel bundles and strengthens the magnetic flux along the rolling direction. The induction permeability of grain-oriented electrical steel is direction-dependent.

Bevorzugt ist das kornorientierte Elektroblech formschlüssig / kraftschlüssig und / oder stoffschlüssig mit dem Rotor verbunden. Das kornorientierte Elektroblech kann z. B. in die Magnet-Flussbarriere eingeklebt sein. Dabei bleiben die magnetischen Eigenschaften des kornorientierten Elektrobleches unbeeinflusst. Es ist auch möglich, dass das nach dem Glühvorgang abkühlende kornorientierte Elektroblech in die Ausnehmung des erwärmten Rotors eingegossen wird, wodurch eine Passung der beiden Werkstoffe erzielt ist. The grain-oriented electrical steel sheet is preferably form-fitting / force-fitting and / or firmly connected to the rotor. The grain-oriented electrical sheet can, for. B. glued into the magnetic flux barrier. The magnetic properties of the grain-oriented electrical steel remain unaffected. It is also possible for the grain-oriented electrical steel sheet, which cools down after the annealing process, to be cast into the recess of the heated rotor, as a result of which a fit between the two materials is achieved.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Elektroblech eine Walzrichtung auf, die einer Hauptachse des Rotorpols entspricht. Die einheitliche Orientierung der Kristallite des Elektroblechs bewirkt ein stark anisotropes Verhalten, insbesondere in Bezug auf die magnetischen Eigenschaften des Elektroblechs. Die Richtung der Kornorientierung ist in Richtung D-Achse ausgelegt und ist orthogonal zur Q-Achse ausgerichtet. Dadurch ist das kornorientierte Elektroblech derart angeordnet, dass es entlang der D-Achse einen geringen magnetischen Widerstand aufweist, einen verringerten Kernverlust und eine erhöhte Induktionsdurchlässigkeit aufweist, im Vergleich zur orthogonalen Richtung des Materials. In Richtung der Q-Achse weist das kornorientierte Elektroblech folglich einen erhöhten magnetischen Widerstand auf. So ist eine Induktivität der Q-Achse (Lq) reduziert und eine Induktivität der Hauptachse (Ld) ist erhöht im Vergleich zu einer herkömmlichen Magnet-Flussbarriere, die einen Lufteinschluss aufweist. Aus der Erhöhung des Verhältnisses der jeweiligen Induktivitäten der Hauptachse zur Quadraturachse (Ld/Lq) entsteht ein erhöhtes Reluktanzdrehmoment im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten fremderregten Synchronmotoren.According to a particularly preferred embodiment, the electrical steel sheet has a rolling direction which corresponds to a main axis of the rotor pole. The uniform orientation of the crystallites of the electrical steel results in a strongly anisotropic behavior, in particular with regard to the magnetic properties of the electrical steel. The direction of the grain orientation is designed in the direction of the D-axis and is oriented orthogonally to the Q-axis. As a result, the grain-oriented electrical steel sheet is arranged in such a way that it has a low magnetic reluctance along the D-axis, has a reduced core loss and an increased induction permeability compared to the orthogonal direction of the material. The grain-oriented electrical steel sheet consequently has an increased magnetic resistance in the direction of the Q-axis. Thus, an inductance of the Q-axis (Lq) is reduced and an inductance of the main axis (Ld) is increased in comparison with a conventional magnetic flux barrier which has an air lock. The increase in the ratio of the respective inductances of the main axis to the quadrature axis (Ld / Lq) results in an increased reluctance torque compared to separately excited synchronous motors known from the prior art.

Daraus erfolgt ein höheres Drehmoment und eine höhere Leistung des erfindungsgemäßen Synchronmotors. In vorteilhafter Weise weist der erfindungsgemäße Synchronmotor ein erhöhtes Drehmoment sowie eine höhere Leistung bei gleichem Raumbedarf und / oder Gewicht im Vergleich zu einem konventionellen Synchronmotor auf. Dadurch ist es beispielsweise möglich, eine Anhebung der Leistungsdichte bei gleichbleibendem zur Verfügung stehenden Raum zu erzielen.This results in a higher torque and a higher output of the synchronous motor according to the invention. In an advantageous manner, the synchronous motor according to the invention has an increased torque and a higher power with the same space requirement and / or weight compared to a conventional synchronous motor. This makes it possible, for example, to increase the power density while the available space remains the same.

Ferner ist es möglich, durch den erfindungsgemäßen Synchronmotor Verluste zu reduzieren, da der Synchronmotor ein höheres Drehmoment bei gleichem Erregerstrom aufweist. Aufgrund des höheren Drehmoments kann der Erregerstrom also reduziert werden, wodurch weniger Erregerstromverluste erzielt sind. Kornorientiertes Elektroblech weist im Vergleich zu nichtkornorientiertem Elektroblech bei gleicher Laminationsdicke weniger spezifische Verluste (W/kg oder W/m3) auf. So ist der Wirkungsgrad des Synchronmotors erhöht, wodurch beispielsweise bei Elektrofahrzeugen ein Reichweitenvorteil erzielt ist.Furthermore, it is possible to reduce losses by means of the synchronous motor according to the invention, since the synchronous motor has a higher torque with the same excitation current. Because of the higher torque, the excitation current can be reduced, which means that fewer excitation current losses are achieved. Compared to non-grain-oriented electrical steel, grain-oriented electrical steel has fewer specific losses (W / kg or W / m 3 ) with the same lamination thickness. This increases the efficiency of the synchronous motor, which in electric vehicles, for example, has a range advantage.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.Further advantages and possible applications of the present invention emerge from the following description in conjunction with the exemplary embodiments shown in the drawing.

In der Zeichnung bedeutet:

  • 1 einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform einer Polanordnung eines erfindungsgemäßen stromerregten Synchronmotors;
  • 2 einen Querschnitt eines einzelnen Rotorpols gemäß 1;
  • 3 einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform einer Polanordnung eines erfindungsgemäßen stromerregten Synchronmotors; und
  • 4 einen Querschnitt eines einzelnen Rotorpols gemäß 3.
In the drawing means:
  • 1 a cross section of a first embodiment of a pole arrangement of a current-excited synchronous motor according to the invention;
  • 2 a cross section of a single rotor pole according to 1 ;
  • 3 a cross section of a second embodiment of a pole arrangement of a current-excited synchronous motor according to the invention; and
  • 4th a cross section of a single rotor pole according to 3 .

1 bis 4 zeigen in einer schematischen Darstellung einen insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichneten fremderregten Synchronmotor für einen Fahrzeugantrieb. 1 until 4th show a schematic representation of an overall with the reference number 10 designated separately excited synchronous motor for a vehicle drive.

In 1 ist ein Querschnitt einer schematischen Polanordnung des erfindungsgemäßen stromerregten Synchronmotors 10 dargestellt. Der Synchronmotor 10 weist einen äußeren Stator 12 auf, der als ein zylindrisch geformter Hohlkörper ausgebildet ist, in dem ein Rotor 14 koaxial angeordnet ist. Zwischen dem Stator und dem Rotor ist ein Luftspalt 15 ausgebildet.In 1 is a cross section of a schematic pole arrangement of the current excited synchronous motor according to the invention 10 shown. The synchronous motor 10 has an outer stator 12th on, which is designed as a cylindrically shaped hollow body in which a rotor 14th is arranged coaxially. There is an air gap between the stator and the rotor 15th educated.

Der Stator 12 ist mit Nuten 16 zur Aufnahme einer Vielzahl elektrischer Drehwicklungen 18 ausgebildet, die vorliegend als Querschnittsfläche dargestellt sind. Die Drehwicklungen 18 sind durch eine geeignete Schaltung angesteuert, um drehende elektrische Felder zu erzeugen, die an den Rotor 14 angrenzende Magnetfelder induzieren.The stator 12th is with grooves 16 to accommodate a large number of electrical rotary windings 18th formed, which are shown here as a cross-sectional area. The twist windings 18th are controlled by a suitable circuit in order to generate rotating electric fields that are applied to the rotor 14th induce adjacent magnetic fields.

Der Rotor 14 ist vorliegend einteilig ausgebildet, wodurch er eine hohe mechanische Festigkeit aufweist, insbesondere in Bezug auf die hohen Drehzahlen eines getriebeintegrierten Synchronmotors. Der Rotor 14 ist aus einem Elektroblech, d. h. aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise aus komprimiertem Eisenpulver, hergestellt. Vorliegend ist der Rotor 14 mit Schenkelpolen 20 ausgebildet, die kreisförmig und in gleichen Abständen um eine Rotorwelle 21 angeordnet sind. Die Schenkelpole 20 weisen jeweils einen Polschenkel 22 und einen Polschuh 24 auf. Um den Polschenkel 22 ist jeweils eine Erregerwicklung 26 angeordnet, die vorliegend ebenfalls als eine Querschnittsfläche dargestellt ist. Die Erregerwicklungen 26 erzeugen mittels eines Erregerstroms ein mit dem Rotor 14 drehendes Magnetfeld, das mit dem magnetischen Drehfeld des Stators 12 mitrotiert. Bei Synchronmotoren läuft der Rotor 14 dem Drehfeld nach.The rotor 14th In the present case, it is designed in one piece, which means that it has high mechanical strength, in particular with regard to the high speeds of a synchronous motor integrated into the transmission. The rotor 14th is made from an electrical sheet, ie from a ferromagnetic material, for example from compressed iron powder. Here is the rotor 14th with salient poles 20th formed circular and equidistant around a rotor shaft 21 are arranged. The salient pole 20th each have a pole leg 22nd and a pole piece 24 on. Around the pole leg 22nd is an excitation winding each 26th arranged, which is also shown here as a cross-sectional area. The excitation windings 26th generate by means of an excitation current with the rotor 14th rotating magnetic field that coincides with the rotating magnetic field of the stator 12th rotates with it. In the case of synchronous motors, the rotor runs 14th according to the rotating field.

Die Schenkelpole 20 weisen jeweils mindestens eine selektive Magnet-Flussbarriere 28 auf, in der zur Erhöhung einer Reluktanz ein anisotropes Material angeordnet ist. In Richtung Hauptachse D ist die Magnet-Flussbarriere 28 durch einen vom Rotor 14 ausgebildeten Steg 29 begrenzt. Der Steg 29 dient als eine Verbindungsbrücke, die dem Rotor 14 eine hohe Eigenfestigkeit verleiht.The salient pole 20th each have at least one selective magnetic flux barrier 28 on, in which an anisotropic material is arranged to increase a reluctance. The magnetic flux barrier is in the direction of the main axis D 28 by one from the rotor 14th trained footbridge 29 limited. The bridge 29 serves as a connecting bridge to the rotor 14th gives a high inherent strength.

In 2 ist ein Querschnitt eines einzelnen Rotorpols 20 gemäß 1 dargestellt. Der Rotor 14 ist auf einer Rotorwelle 21 im Stator 12 gelagert. Der Stator weist elektrische Drehwicklungen 18 auf und der Schenkelpol 20 des Rotors 14 weist Erregerwicklungen 26 auf, die um den Polschenkel 22 angeordnet sind. Zwischen dem Polschuh 24 und dem Stator 12 ist ein geringer Luftspalt 15 vorhanden.In 2 Figure 3 is a cross section of a single rotor pole 20th according to 1 shown. The rotor 14th is on a rotor shaft 21 in the stator 12th stored. The stator has electrical rotary windings 18th on and the salient pole 20th of the rotor 14th shows excitation windings 26th on that around the pole leg 22nd are arranged. Between the pole piece 24 and the stator 12th is a small air gap 15th available.

Der Schenkelpol 20 weist vorliegend eine selektive Magnet-Flussbarriere 28 auf, die als eine mittige Ausnehmung 28 im Elektroblech des Schenkelpols 20 ausgebildet ist. Sie erstreckt sich in axialer Längsrichtung des Rotors 14 und ist als radiale Längsöffnung in Richtung Hauptachse D des Schenkelpols 20 ausgebildet, wobei sie im Wesentlichen parallele Seitenflächen 30 aufweist.The salient pole 20th in the present case has a selective magnetic flux barrier 28 on that as a central recess 28 in the electrical sheet of the salient pole 20th is trained. It extends in the axial longitudinal direction of the rotor 14th and is as a radial longitudinal opening in the direction of the main axis D of the salient pole 20th formed, wherein they are substantially parallel side surfaces 30th having.

Erfindungsgemäß ist in der Ausnehmung 28 ein anisotropes Material, insbesondere ein kornorientiertes Elektroblech, angeordnet. Dadurch ist der magnetisch effektive Querschnitt 34 des Schenkelpols 20 höher im Vergleich zu einem herkömmlichen aus dem Stand der Technik bekannten Schenkelpol, der mit einer Magnet-Flussbarriere 28 ausgebildet ist, die einen Lufteinschluss aufweist, der folglich den magnetisch effektiven Querschnitt des jeweiligen Pols reduziert.According to the invention is in the recess 28 an anisotropic material, in particular a grain-oriented electrical steel sheet, is arranged. This is the magnetically effective cross-section 34 of the salient pole 20th higher compared to a conventional salient pole known from the prior art, the one with a magnetic flux barrier 28 is formed which has an air inclusion, which consequently reduces the magnetically effective cross section of the respective pole.

Vorliegend ist das anisotrope Material als ein kornorientiertes Elektroblech ausgebildet, dessen Walzrichtung 32 in der D-Achse liegt. Das kornorientierte Elektroblech ist beispielsweise aus einer Eisen-Silizium-Legierung hergestellt, die ein kubisch-raumzentriertes (Krz)-Metallgitter aufweist, wobei eine Würfelkante des Korns oder Kristallits in Walzrichtung 32 und eine Flächendiagonale des Kristallits quer zur Walzrichtung 32 angeordnet sind. So weist das kornorientierte Elektroblech im Vergleich zur orthogonalen Richtung des Materials in Walzrichtung 32 eine erhöhte magnetische Permeabilität, erhöhte Magnetisierung und eine erhöhte Flussdichte auf. Mit anderen Worten bündelt und verstärkt das kornorientierte Elektroblech den magnetischen Fluss entlang der D-Achse und setzt dem Ummagnetisierungsvorgang sehr geringen Widerstand entgegen. Entlang einer Q-Achse hingegen weist das kornorientierte Elektroblech einen erhöhten magnetischen Widerstand und eine reduzierte Induktivität auf.In the present case, the anisotropic material is designed as a grain-oriented electrical sheet, the rolling direction of which 32 lies in the D-axis. The grain-oriented electrical steel sheet is produced, for example, from an iron-silicon alloy which has a body-centered cubic (Krz) metal lattice, with a cube edge of the grain or crystallite in the rolling direction 32 and a surface diagonal of the crystallite transverse to the rolling direction 32 are arranged. In comparison to the orthogonal direction of the material, the grain-oriented electrical steel sheet points in the rolling direction 32 an increased magnetic permeability, increased magnetization and an increased flux density. In other words, the grain-oriented electrical steel bundles and strengthens the magnetic flux along the D-axis and offers very little resistance to the magnetic reversal process. In contrast, the grain-oriented electrical steel sheet has an increased magnetic resistance and a reduced inductance along a Q-axis.

Auf diese Weise ist eine Induktivität der Q-Achse (Lq) reduziert und eine Induktivität der D-Achse (Ld) erhöht im Vergleich zu einer Magnet-Flussbarriere 28, die einen Lufteinschluss aufweist und als Reluktanzloch bezeichnet wird. Die Erhöhung des Verhältnisses der jeweiligen Induktivitäten der Hauptachse D zur Quadraturachse Q (Ld/Lq) verursachen ein erhöhtes Reluktanzdrehmoment im Vergleich zu herkömmlichen, aus dem Stand der Technik bekannten fremderregten Synchronmotoren. Mit dem kornorientierten Werkstoff ist daher ein höheres Wirkungsgrad des Elektromotors erzielbar, was beispielsweise bei Elektrofahrzeugen zu einem Reichweitenvorteil führt.In this way, an inductance of the Q-axis (Lq) is reduced and an inductance of the D-axis (Ld) is increased in comparison with a magnetic flux barrier 28 which has an air pocket and is called a reluctance hole. The increase in the ratio of the respective inductances of the main axis D to the quadrature axis Q (Ld / Lq) causes an increased reluctance torque compared to conventional separately excited synchronous motors known from the prior art. With the grain-oriented material, a higher degree of efficiency of the electric motor can therefore be achieved, which leads to a range advantage in electric vehicles, for example.

In der 3 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer Polanordnung eines erfindungsgemäßen stromerregten Synchronmotors 10 dargestellt, der von der Funktion und Struktur her die gleichen Elemente aufweist wie sie in 1 beschrieben sind, mit dem Unterschied, dass die Magnet-Flussbarriere 28 einen geringeren Querschnitt aufweist und in Radialrichtung länger ausgebildet ist, wodurch der Steg 29 geringer ausfällt. In 4 ist ein Querschnitt eines einzelnen Rotorpols 20 gemäß 3 dargestellt.In the 3 is a cross-sectional view of a further embodiment of a pole arrangement of an energized synchronous motor according to the invention 10 which, in terms of function and structure, has the same elements as in 1 are described, with the difference that the magnetic flux barrier 28 has a smaller cross section and is formed longer in the radial direction, whereby the web 29 is lower. In 4th Figure 3 is a cross section of a single rotor pole 20th according to 3 shown.

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Claims (7)

Fremderregter Synchronmotor (10) für einen Fahrzeugantrieb, umfassend einen Stator (12), in dem ein Rotor (14) gelagert ist, wobei der Rotor (14) wenigstens zwei Rotorpole (20) aufweist, an denen jeweils eine Erregerwicklung (26) angeordnet ist, und wobei die Rotorpole (20) jeweils wenigstens eine selektive Magnet-Flussbarriere (28) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Magnet-Flussbarriere (28) ein anisotropes Material angeordnet ist.Separately excited synchronous motor (10) for a vehicle drive, comprising a stator (12) in which a rotor (14) is mounted, the rotor (14) having at least two rotor poles (20), on each of which an excitation winding (26) is arranged , and wherein the rotor poles (20) each have at least one selective magnetic flux barrier (28), characterized in that an anisotropic material is arranged in the magnetic flux barrier (28). Fremderregter Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (14) einteilig ausgebildet ist.Separately excited synchronous motor after Claim 1 , characterized in that the rotor (14) is designed in one piece. Fremderregter Synchronmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (14) als Schenkelpolläufer ausgebildet ist.Separately excited synchronous motor after Claim 1 or 2 , characterized in that the rotor (14) is designed as a salient pole rotor. Fremderregter Synchronmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die selektive Magnet-Flussbarriere (28) als eine Ausnehmung des Rotorpols (20) ausgebildet ist, die eine radiale Längsöffnung aufweist und sich in axialer Längsrichtung des Rotors (14) erstreckt.Separately excited synchronous motor according to one of the preceding claims, characterized in that the selective magnetic flux barrier (28) is designed as a recess in the rotor pole (20) which has a radial longitudinal opening and extends in the axial longitudinal direction of the rotor (14). Fremderregter Synchronmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das anisotrope Material aus einem kornorientierten Elektroblech gebildet ist.Separately excited synchronous motor according to one of the preceding claims, characterized in that the anisotropic material is formed from a grain-oriented electrical sheet. Fremderregter Synchronmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das kornorientierte Elektroblech formschlüssig / kraftschlüssig und / oder stoffschlüssig mit dem Rotor (14) verbunden ist.Separately excited synchronous motor after Claim 5 , characterized in that the grain-oriented electrical sheet is positively / non-positively and / or cohesively connected to the rotor (14). Fremderregter Synchronmotor nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das kornorientierte Elektroblech eine Walzrichtung (32) aufweist, die einer Hauptachse (D) des Rotorpols (20) entspricht.Separately excited synchronous motor according to one of the Claims 5 until 6th , characterized in that the grain-oriented electrical steel sheet has a rolling direction (32) which corresponds to a main axis (D) of the rotor pole (20).
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