DE102020121864A1

DE102020121864A1 - Permanenterregter Rotor

Info

Publication number: DE102020121864A1
Application number: DE102020121864.8A
Authority: DE
Inventors: Tobias Engelhardt
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2022-02-24

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen permanenterregten Rotor (10) für eine permanenterregte Synchronmaschine (12), mit mindestens drei zueinander unsymmetrisch angeordneten Permanentpol-Paaren (100, 200, 300). Jedes Permanentpol-Paar (100, 200, 300) bildet jeweils einen Nordpol (N) und einen benachbarten Südpol (S). Die Polachsen (A11, A12, A21, A22, A31, A32) des Nordpols (N) und des Südpols (S) eines Polpaares (100, 200, 300) stehen jeweils in dem rechnerischen Polteilungswinkel (t) zueinander. Ein Bezugs-Permanentpol-Paar (100), ein vorgerücktes Permanentpol-Paar (200) und ein nachgerücktes Permanentpol-Paar (300) sind rotatorisch derart zueinander angeordnet sind, dass die Polachsen (A21, A22) des vorgerückten Permanentpol-Paares (200) um einen Winkel (a) vorgerückt ist gegenüber dem rechnerischen Polteilungsraster (T), das rotatorisch auf das Bezugs-Permanentpol-Paar (100) bezogen ist, und die Polachsen (A31, A32) des nachgerückten Permanentpol-Paares (300) um einen Winkel (a') zurückgerückt ist gegenüber dem rechnerischen Polteilungsraster (T).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen permanenterregten Rotor für eine permanenterregte Synchronmaschine, die insbesondere einen Traktionsmotor eines Kraftfahrzeugs bildet.
Permanent erregte Synchronmaschinen weisen einen Rotor auf, der durch Permanentmagnete permanent magnetisiert ist. Die permanente Magnetisierung wird in der Regel durch separate Permanentmagnete realisiert, die an oder in einem ferromagnetischen Rotorkörper fixiert sind. Zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften bzw. zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit werden permanent erregte Rotoren mit einer magnetischen Schrägung aufgebaut. Der gesamte Rotor kann hierzu in Längsrichtung segmentweise zusammengebaut sein, wobei die Rotor-Segmente zueinander rotatorisch leicht verdreht montiert sind. Diese segmentweise Anordnung wird auch Staffelung genannt.
Permanenterregte Rotoren mit verschiedenen technischen Lösungen zur Realisierung der magnetischen Schrägung sind auch aus DE 10 2014 019217 A1 und DE 10 2018 005 979 A1 bekannt. Alle bekannten Lösungen zur Realisierung einer magnetischen Schrägung eines permanenterregten Rotors sind in der Herstellung jedoch mehr oder weniger aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen permanenterregten Rotor mit geringer Drehmomentwelligkeit zu schaffen, der einfach herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem permanenterregten Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Der Rotor weist mindestens drei zueinander rotatorisch unsymmetrisch angeordnete Permanentpol-Paare innerhalb eines einzigen Rotor-Querebenen-Abschnitts auf. Jedes Permanentpol-Paar bildet jeweils einen Nordpol und einen benachbarten Südpol, wobei die Polachsen des Nordpols und des Südpols eines Polpaares jeweils ungefähr in dem rechnerischen Polteilungswinkel zueinander stehen. Die Polachse ist die sogenannte d-Achse, entlang der der magnetische Fluss im nicht-bestromten Zustand orientiert ist. In der Regel ist die Polachse bzw. die d-Achse also die Winkelhalbierende des Permanentmagnets bzw. der Permanentmagnete eines Poles.
Der rechnerische Polteilungswinkel errechnet sich stets aus 360°/n, wobei n die Gesamtzahl aller Magnetpole ist. Unter einem rechnerischen Polteilungsraster ist ein Raster von gedachten Radialen zu verstehen, die alle zueinander jeweils in dem rechnerischen Polteilungswinkel zueinander beabstandet bzw. orientiert sind.
Zur Beschreibung der geometrischen Verhältnisse des erfindungsgemäßen Rotors wird ein Bezugs-Permanentpol-Paar bestimmt, auf das sich das rechnerische Polteilungsraster rotatorisch bezieht. Der Rotor weist ein Bezugs-Permanentpol-Paar, ein vorgerücktes Permanentpol-Paar und ein zurückgerücktes Permanentpol-Paar auf. Die mindestens drei Permanentpol-Paare sind rotatorisch derart zueinander angeordnet, dass die beiden Polachsen des vorgerückten Permanentpol-Paares um einen positiven Winkelbetrag vorgerückt sind gegenüber dem rechnerischen Polteilungsraster und das nachgerückte Permanentpol-Paar um einen negativen Winkelbetrag zurückgerückt ist gegenüber dem Polteilungsraster.
Der Winkelbetrag muss der Größe nach nicht notwendigerweise identisch sein für den Vorrückungs-Winkel und den Zurückrückungs-Winkel. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind der vorgerückte Winkel und der zurückgerückte Winkel betragsmäßig jedoch identisch, weisen aber zueinander umgekehrte Vorzeichen auf.
Grundsätzlich kann der Rotor insgesamt mehr als drei Permanentpol-Paare aufweisen, beispielsweise vier oder fünf Permanentpol-Paare. Besonders bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass der Rotor insgesamt exakt drei Permanentpol-Paare aufweist, also ein einziges Bezugs-Permanentpol-Paar, ein einziges vorgerücktes Permanentpol-Paar und ein einziges zurückgerücktes Permanentpol-Paar.
Grundsätzlich kann der Rotor einstückig ausgebildet sein, wobei die magnetischen Permanentpole durch lokal magnetisierte Bereiche gebildet werden. Alternativ kann der permanenterregte Rotor auch von einem zentralen ferromagnetischen Rotorkörper gebildet sein, wobei die separaten Permanentmagnete beispielsweise am Außenumfang des ferromagnetischen Rotorkörpers angeordnet sind. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Rotor einen ferromagnetischen Rotorkörper mit Magnetkörpertaschen auf, in die die separaten Permanentmagnete eingesetzt sind bzw. in denen die Permanentmagnete sitzen. Die separaten Permanentmagnete sind also in dem Rotorkörper „vergraben“. Der ferromagnetische Rotorkörper kann beispielsweise aus einer Vielzahl identischer und paketierter ferromagnetischer Stanzbleche gebildet sein.
Der Verrückungs-Winkelbetrag darf höchstens 20 % des von einem Permanentpol-Paar aufgespannten Winkels betragen. Hierdurch wird verhindert, dass sich zwei unmittelbar benachbarte Permanentmagnete zweier benachbarter Permanentpol-Paare zu nahe kommen, wodurch die elektromagnetischen und die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflusst würden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich der Betrag des vorgerückten Winkels und des zurückgerückten Winkels errechnet aus: 360°/ (Anzahl der Nuten x Anzahl der Permanentpol-Paare). Ein Magnetpol wird häufig von zwei oder mehr als zwei einzelnen Permanentmagneten gebildet, die beispielsweise V-förmig zueinander angeordnet sind, wobei sich das V nach radial außen öffnet. Die Anzahl der Permanentmagnete entspricht also nicht notwendigerweise nur dem Doppelten der Anzahl der Permanentpol-Paare, sondern kann auch ein Vielfaches des Doppelten der Anzahl der Permanentpol-Paare betragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der rotatorische Abstand der Polachsen des Bezugs-Permanentpol-Paars zu den benachbarten Polachsen der beiden benachbarten Permanentpol-Paare kleiner als der Polteilungswinkel ist. Hierdurch wird bei einem Rotor mit exakt drei Permanentpol-Paaren sichergestellt, dass die beiden verrückten Permanentpol-Paare nicht mit dem zweifachen Verrückungs-Winkel aufeinander zu gerückt sind, sondern voneinander weggerückt sind. Hierdurch wird eine zu große Nähe bzw. Überlappung zueinander benachbarter Permanentpole vermieden.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt schematisch eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem im Querschnitt dargestellten permanenterregten Rotor.
In der Figur ist schematisch eine permanenterregte Synchronmaschine 12 mit einer Motorsteuerung 16, einer Statorspule 14 und einem permanenterregten Rotor 10 dargestellt. Die Synchronmaschine 12 ist vorliegend ein Traktionsmotor eines Kraftfahrzeugs, bei dem zur Minimierung der Geräuschemissionen durch eine rotatorisch unsymmetrische Anordnung der Polachsen der Magnetpole die Drehmomentwelligkeit minimiert ist.
Der Rotor 10 besteht im Wesentlichen aus einem ferromagnetischen Rotorkörper 70, in den in exakt axiale Magnetkörpertaschen 60 separate Permanentmagnete P eingesetzt und dort beispielsweise verklebt sind. Der Rotorkörper 70 besteht aus einer Vielzahl identischer ferromagnetischer Stanzbleche 70', die zu dem Rotorkörper 70 paketiert sind. Ein Magnetpol N, S wird jeweils aus zwei Permanentmagneten P gebildet, die V-förmig zueinander angeordnet sind. Hieraus ergeben sich vorliegend insgesamt sechs Permanentmagnet-Pole M11, M12, M21, M22, M31, M32 bzw. drei Permanentpol-Paare 100, 200, 300, die jeweils einen N-Permanentmagnet-Pol und einen S-Permanentmagnet-Pol bilden. Jeder Permanentmagnet-Pol definiert eine Polachse A11, A12, A21, A22, A31, A32, die in der Regel die radiale Symmetrieachse aller Permanentmagnete P eines Permanentmagnet-Poles M11, M12, M21, M22, M31, M32 ist. Grundsätzlich können auch mehr als drei Permanentpol-Paare vorgesehen sein.
Zur Beschreibung der geometrischen Verhältnisse wird auf den Rotor 10 ein rechnerisches Polteilungsraster T gelegt, das von sechs Polteilungsrasterlinien gebildet wird, die jeweils im dem rechnerischen Polteilungswinkel t zueinander stehen. Der rechnerische Polteilungswinkel ergibt sich exakt aus t = 360°/p, wobei p die Anzahl der Permanentmagnet-Pole M11, M12, M21, M22, M31, M32 ist. Im vorliegenden Fall beträgt der Polteilungswinkel t = 60°.
Die Polachsen A11, A12, A21, A22, A31, A32 des Nordpols N und des Südpols S eines Permanentpol-Paares 100, 200, 300 stehen jeweils in dem rechnerischen Polteilungswinkel t zueinander. Die Polachse ist die sogenannte d-Achse, entlang der der magnetische Fluss im nicht-bestromten Zustand der Statorspule 14 orientiert ist. In der Regel ist die Polachse A11, A12, A21, A22, A31, A32 bzw. die sogenannte d-Achse also die Winkelhalbierende des Permanentmagnets bzw. der Permanentmagnete P eines Poles.
Zur Beschreibung der geometrischen bzw. magnetischen Verhältnisse des Rotors 10 wird ein Bezugs-Permanentpol-Paar 100 bestimmt, auf das sich das rechnerische Polteilungsraster T rotatorisch bezieht. Der Rotor 10 weist ein Bezugs-Permanentpol-Paar 100, ein vorgerücktes Permanentpol-Paar 200 und ein zurückgerücktes Permanentpol-Paar 300 auf. Die drei Permanentpol-Paare 100, 200, 300 sind rotatorisch derart zueinander angeordnet, dass die beiden Polachsen A21, A22 des vorgerückten Permanentpol-Paares 200 um einen Winkel a im Uhrzeigersinn vorgerückt sind gegenüber dem rechnerischen Polteilungsraster T und dass die beiden Polachsen A31, A32 des nachgerückten Permanentpol-Paares 300 um einen Winkel a' im Gegenuhrzeigersinn zurückgerückt sind gegenüber dem Polteilungsraster T.
Die beiden Verrückungs-Winkel a, a' haben denselben Winkelbetrag jedoch umgekehrte Vorzeichen. Der Winkelbetrag entspricht ungefähr 360/ (N x SPa), wobei N die Anzahl der Nuten und SPa die Anzahl aller Permanentpol-Paare 100, 200, 300 ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ergibt sich also für 36 Nuten N und drei Permanentpol-Paare 100, 200, 300 ein Winkelbetrag für die beiden Winkel a, a' von jeweils 3,33°.
Die drei Permanentpol-Paare 100, 200, 300 sind derart zueinander angeordnet, dass der rotatorische Abstand der Polachsen A11, A12 des Bezugs-Permanentpol-Paares 100 zu den benachbarten Polachsen A22, A31 der beiden benachbarten Permanentpol-Paare 200, 300 kleiner ist als der Polteilungswinkel t. Mit anderen Worten: Die beiden Permanentpol-Paare 200, 300, die verrückt werden, dürfen nicht aufeinander zu verrückt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014019217 A1 [0003]
DE 102018005979 A1 [0003]

Claims

Permanenterregter Rotor (10) für eine permanenterregte Synchronmaschine (12), mit mindestens drei zueinander unsymmetrisch angeordneten Permanentpol-Paaren (100, 200, 300), wobei jedes Permanentpol-Paar (100, 200, 300) jeweils einen Nordpol (N) und einen benachbarten Südpol (S) bildet und die Polachsen (A11, A12, A21, A22, A31, A32) des Nordpols (N) und des Südpols (S) eines Polpaares (100, 200, 300) jeweils in dem rechnerischen Polteilungswinkel (t) zueinander stehen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bezugs-Permanentpol-Paar (100), ein vorgerücktes Permanentpol-Paar (200) und ein zurückgerücktes Permanentpol-Paar (300) rotatorisch derart zueinander angeordnet sind, dass die Polachsen (A21, A22) des vorgerückten Permanentpol-Paares (200) um einen Winkel (a) vorgerückt sind gegenüber dem rechnerischen Polteilungsraster (T), das rotatorisch auf das Bezugs-Permanentpol-Paar (100) bezogen ist, und die Polachsen (A31, A32) des zurückgerückten Permanentpol-Paares (300) um einen Winkel (a') zurückgerückt sind gegenüber dem rechnerischen Polteilungsraster (T).
Permanenterregter Rotor (10) nach Anspruch 1, wobei der vorgerückte Winkel (a) und der zurückgerückte Winkel (a') den gleichen Betrag aufweisen.
Permanenterregter Rotor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Rotor (10) von einem ferromagnetischen Rotorkörper (70) gebildet wird, der Magnetkörpertaschen (60) aufweist, in denen Permanentmagnete (P) sitzen.
Permanenterregter Rotor (10) nach Anspruch 3, wobei der Betrag des vorgerückten Winkels (a) und des zurückgerückten Winkels (a') beträgt: 360°/ (Anzahl aller Nuten x Anzahl der Permanentpol-Paare).
Permanenterregter Rotor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der rotatorische Abstand der Polachsen (A11, A12) des Bezugs-Permanentpol-Paars (100) zu den benachbarten Polachsen (A22, A31) der beiden benachbarten Permanentpol-Paare (200, 300) kleiner als der rechnerische Polteilungswinkel (t) ist.
Permanenterregter Rotor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei exakt drei Permanentpol-Paare (100, 200, 300) vorgesehen sind.