DE102022127291A1

DE102022127291A1 - FSM mit reduzierter Drehmomentwelligkeit

Info

Publication number: DE102022127291A1
Application number: DE102022127291.5A
Authority: DE
Inventors: Florian Bittner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2022-10-18
Filing date: 2022-10-18
Publication date: 2024-04-18
Also published as: CN117914033A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine fremderregte Synchronmaschine (FSM) mit reduzierter Drehmomentwelligkeit, einen dafür gestalteten Rotor sowie ein Verfahren zur Herstellung des Rotors.

Description

Die Erfindung betrifft eine fremderregte Synchronmaschine (FSM) mit reduzierter Drehmomentwelligkeit, einen dafür gestalteten Rotor sowie ein Verfahren zur Herstellung des Rotors.
Als Antrieb von Elektrofahrzeugen kommt immer häufiger der Maschinentyp FSM (Fremderregte Synchronmaschine) zum Einsatz. Diese elektrischen Maschinen sind im Kfz als Schenkelpol-Maschinen ausgeführt. In der Industrie und auch im Kfz hat es sich durchgesetzt, hierbei Rotoren mit einer sogenannten Sinusfeldpolkontur (z. B. nach Richter, Rudolf: „Elektrische Maschinen“, Band 1, Springer, Basel 1967) einzusetzen. Die Oberfläche des Polschuhs beschreibt dabei keinen Kreisbogen mit Mittelpunkt in der Rotationsachse des Rotors, sondern die Außenseiten des Polschuhs werden weiter nach Innen gezogen. Der Abstand zum Stator bzw. der sog. Luftspalt wird dadurch von der Polmitte zu den Polaußenseiten hin größer. Die Sinusfeldpolkontur kann mathematisch beschrieben werden und wird fertigungstechnisch exakt so umgesetzt. Das Ziel dieser Polform ist die Erzielung einer möglichst sinusförmigen Rotorfeldverteilung im Luftspalt der elektrischen Maschine und damit einer reduzierten Drehmoment-Welligkeit. Abhängig von der Nut-Polzahl-Kombination sowie weiterer geometrischer Parameter des Rotors lassen sich durch diese kontinuierliche Abbildung der Sinusfeldkontur gewisse Harmonische der Drehmoment-Welligkeit dämpfen oder komplett unterdrücken. Für die aus der Nutung des Stators resultierende Drehmomentwelligkeit der Nutungsharmonischen hat dieses Vorgehen jedoch kaum eine dämpfende Wirkung. Die aus der Nutungsharmonischen resultierende Drehmomentwelligkeit und die gegebenenfalls entstehenden akustischen Auffälligkeiten können dadurch kaum beeinflusst werden.
Die DE 10 2017 205 021 A1 offenbart einen Polschuh zur Begrenzung einer Wickelfläche eines um eine Rotationsachse drehbaren Rotors einer elektrische Maschine, der mit einem Polsteg des Rotors verbunden ist. Eine in verbundenem Zustand vom Polsteg abgewandte Außenseite des Polschuhs weist einen ersten Bereich mit einem im Wesentlichen sinusförmigen Konturverlauf und einen zweiten Bereich mit einem zweiten Konturverlauf auf. Der zweite Konturverlauf ist von dem ersten Konturverlauf verschieden und derart ausgebildet, dass die Wickelfläche in einer Umfangsrichtung des Rotors gegenüber einer Wickelfläche eines Polschuhs mit einer ausschließlich im Wesentlichen sinusförmig verlaufenden Außenseite verlängert ist.
Die DE 10 2009 042 765 A1 betrifft eine permanenterregte Synchronmaschine, mit einem Stator und einem Rotor, der über den Umfang verteilt mehrere Polschuhe mit Ausnehmungen zur Aufnahme von Permanentmagneten und Ausnehmungen zur Aufnahme von Dämpferstäben eines Dampferkäfigs aufweist.
Die CN 102 055 258 A betrifft eine Magnetpolschuhform eines Schenkelpol-Synchronmotors, wobei der Magnetpol aus einem Schwalbenschwanz, einem Polkörper, einem Polschuh, einer Dämpfungswicklung und einer Erregerwicklung besteht. Die Rotorkontur ist in drei Bereiche unterteilt, wobei der mittlere Bereich einen Kreisbogen beschreibt. Die anderen beiden Bereiche werden als Liniensegmente beschrieben.
Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, einen Rotor für eine FSM und eine FSM mit reduzierter Drehmomentwelligkeit zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Vorrichtungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 10 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Abbildung.
Gegenstand der Erfindung ist ein Rotor für eine fremderregte Synchronmaschine, dessen Polschuhe eine Außenkontur aufweisen, die aus geraden Liniensegmenten zusammengesetzt ist, deren Enden sich auf einer Linie befinden, die einer Sinusfeldpolkontur entspricht. Die spezielle Polschuhform dient zur Reduzierung der Drehmoment-Welligkeit. Statt die Polschuhkontur als kontinuierlichen Linienzug abzubilden, wird sie abschnittweise aus geraden Liniensegmenten zusammengesetzt.
Die Sinusfeldpolkontur lässt sich durch folgende Formeln beschreiben: $R_{2} = \sqrt[p]{\frac{F_{0}}{cos (p \cdot φ)} + \sqrt{R_{1}^{2 p} + \frac{F_{0}^{2}}{{cos}^{2} (p \cdot φ)}}}$
$F_{0} = \frac{{(R_{1} - δ_{min})}^{2 p} - R_{1}^{2 p}}{2 {(R_{1} - δ_{min})}^{p}} .$

R₂ = Rotoraußen-Radius
R₁: Bohrungs-Radius Stator
δ_min: minimaler Luftspalt
p: Polpaar-Zahl

R₂ (genauer R₂(φ)) ist der Abstand eines beliebigen Punktes der Außenkontur des Polschuhs vom Mittelpunkt des Rotors in Abhängigkeit von dem Winkel φ zwischen der Mittelachse des Pols und der Verbindungslinie zwischen dem Mittelpunkt des Rotors und dem betrachteten Punkt.
Die Außenkontur des erfindungsgemäßen Rotors wird ausgehend von einer Sinusfeldpolkontur erhalten, indem man auf der Außenlinie der Sinusfeldpolkontur eine Anzahl von Punkten („Knoten“) auswählt, und diese Knoten mit geraden Linien („Segmenten“) verbindet. Die Knoten liegen daher auf den Koordinaten der mathematischen Beschreibung für eine Sinusfeldpolkontur, die Segmente zwischen den Knoten sind gerade Strecken. In einer Ausführungsform sind die Knoten äquidistant.
Jeweils ein Knoten befindet sich an den Enden der Polschuhe. In einer Ausführungsform befindet sich ein Knoten in der Mitte der Außenkontur des Polschuhs. In einer Ausführungsform ist die Außenkontur spiegelsymmetrisch.
Die Anzahl der Knoten kann variiert werden. In einer Ausführungsform weist die Außenkontur der Polschuhe eine ungerade Anzahl von Knoten auf. In einer Ausführungsform beträgt die Anzahl im Bereich von 5 bis 15 Knoten, beispielsweise 7 bis 13 Knoten. In einer speziellen Ausführungsform weist die Außenkontur der Polschuhe 9 Knoten auf.
In einer Ausführungsform des Rotors umfasst dieser ein Polrad (Anker) mit Erregerwicklungen. Das Polrad ist aus einzelnen Lamellen aus Metall („Blech“) zusammengesetzt, die deckungsgleich übereinander angeordnet sind („Blechpaket“). Blechpakete haben den Vorteil, dass sie Wirbelströme verhindern und so den Wirkungsgrad erhöhen. Die einzelnen Bleche sind mit einem Isolator beschichtet, um Kurzschlüsse zu vermeiden. In einer Ausführungsform werden die Bleche aus einem siliziumhaltigen Stahl hergestellt, der verbesserte magnetische Eigenschaften aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Rotors. In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die erfindungsgemäße Kontur des Blechs mittels Laser- oder Wasserstrahlschneiden erzeugt. In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird die erfindungsgemäße Kontur des Blechs ausgestanzt. Das für die Herstellung des Blechs verwendete Stanzwerkzeug ist dafür eingerichtet, die gewünschte Polschuhkontur zu erzeugen.
Anschließend werden die Bleche gestapelt. Beim Stanzen kann dies direkt in der Maschine geschehen, während bei den anderen Verfahren ein weiterer Prozessschritt nötig ist.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die einzelnen Bleche nach dem Stanzen mit Backlack beschichtet und gestapelt und anschließend im Ofen gebacken. Dadurch werden einerseits die Schichten zusammengeklebt und andererseits auch isoliert.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine fremderregte Synchronmaschine, die einen erfindungsgemäßen Rotor enthält.
Durch den Übergang von einem kontinuierlichen Linienzug auf eine abschnittsweise linearisierte Polkontur kann die Drehmomentwelligkeit der Nutungsharmonischen deutlich reduziert und damit eine akustische Auffälligkeit der entsprechenden Motorordnung unterdrückt werden. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den beigefügten Zeichnungen exemplarisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter beschrieben. Es zeigt:

1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen FSM.

1 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen fremderregten Synchronmaschine 1 mit einem erfindungsgemäßen Rotor 10 und einem Stator 20. Die FSM 1 ist als Innenläufer ausgebildet und der Rotor 10 ist im zentralen Hohlraum des Stators 20 angeordnet.
Der Stator 20 weist eine Vielzahl von Statorzähnen 22 und zwischen den Statorzähnen 22 ausgebildeten Statornuten 21 auf.
Der Rotor 10 umfasst ein Polrad 11, an dem die Polschuhe 12 ausgebildet sind, von denen in der Abbildung nur einer gezeigt ist. Die Außenkontur der Polschuhe 12 ist spiegelsymmetrisch und aus geraden Liniensegmenten 13 zusammengesetzt, die an Knoten 14 aufeinandertreffen. Die Knoten 14 liegen exakt auf den Koordinaten der mathematischen Beschreibung für eine Sinusfeldpolkontur. In der dargestellten Ausführungsform weist die Außenkontur acht gerade Liniensegmente 13 und neun Knoten 14 auf.
Bezugszeichenliste

1: Fremderregte Synchronmaschine (FSM)
10: Rotor
11: Polrad
12: Polschuh
13: Liniensegment
14: Knoten
15: Erregerwicklung
20: Stator
21: Statornut
22: Statorzahn

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017205021 A1 [0003]
DE 102009042765 A1 [0004]
CN 102055258 A [0005]

Claims

Rotor (10) für eine fremderregte Synchronmaschine (1), dessen Polschuhe (12) eine Außenkontur aufweisen, die aus geraden Liniensegmenten (13) zusammengesetzt ist, deren Enden (14) sich auf einer Linie befinden, die einer Sinusfeldpolkontur entspricht.
Rotor (10) nach Anspruch 1, worin die Außenkontur der Polschuhe (12) spiegelsymmetrisch ist.
Rotor (10) nach Anspruch 1 oder 2, worin die Außenkontur der Polschuhe (12) 4 bis 14 Liniensegmente (13) umfasst.
Rotor (10) nach Anspruch 3, worin die Außenkontur der Polschuhe (12) 6 bis 12 Liniensegmente (13) umfasst.
Rotor (10) nach Anspruch 4, worin die Außenkontur der Polschuhe (12) 8 Liniensegmente (13) umfasst.
Rotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welcher ein Polrad (11) mit Erregerwicklungen (15) umfasst, das aus einzelnen Blechlamellen zusammengesetzt ist, die deckungsgleich übereinander angeordnet sind.
Rotor (10) nach Anspruch 6, worin die einzelnen Blechlamellen mit einem Isolator beschichtet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Rotors (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem Blechlamellen mit einem Stanzwerkzeug ausgestanzt werden, das dafür eingerichtet ist, den Polschuhen (12) der Blechlamellen eine Außenkontur zu verleihen, die aus geraden Liniensegmenten (13) zusammengesetzt ist, deren Enden (14) sich auf einer Linie befinden, die einer Sinusfeldpolkontur entspricht.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die einzelnen Blechlamellen nach dem Stanzen mit Backlack beschichtet und gestapelt und anschließend im Ofen gebacken werden.
Fremderregte Synchronmaschine (1), welche einen Rotor (10) nach einem der Ansprüche1 bis 7 enthält.