WO2006032635A1 - Permanenterregte synchronmaschine mit unterdrückungsmitteln zur verbesserung der drehmomentwelligkeit - Google Patents

Permanenterregte synchronmaschine mit unterdrückungsmitteln zur verbesserung der drehmomentwelligkeit Download PDF

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WO2006032635A1
WO2006032635A1 PCT/EP2005/054622 EP2005054622W WO2006032635A1 WO 2006032635 A1 WO2006032635 A1 WO 2006032635A1 EP 2005054622 W EP2005054622 W EP 2005054622W WO 2006032635 A1 WO2006032635 A1 WO 2006032635A1
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synchronous machine
permanent
magnet synchronous
grooves
machine according
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PCT/EP2005/054622
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Matthias Braun
Holger Schunk
Rolf Vollmer
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
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    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems

Definitions

  • the invention relates to a permanent magnet synchronous machine with a stator provided with grooves and with a manentmagneten with Per ⁇ , which form magnetic poles, provided Läu ⁇ fer.
  • Such a permanently excited synchronous machine often has a certain torque ripple during operation.
  • various suppression means are known.
  • DE 100 41 329 A1 describes that a pole covering of the surface of the rotor with permanent magnets of 70 to 80% leads to an improved surface field behavior.
  • DE 199 61 760 A1 describes that special winding factors of a winding system arranged in the slots and a slanting of the slots lead to a reduction of the torque ripple.
  • the torque wave is still present, in particular, if simultane- ously there is the demand for the most cost-effective production of the permanent-magnet synchronous machine.
  • the object of the invention is therefore to provide a permanent magnet synchronous machine of the type described, which has a further improved torque behavior with the lowest possible ripple.
  • the permanent-magnet synchronous machine described at the outset is one in which a) first suppression means in the form of a pole cover, which is smaller than one relative to a pole pitch of the permanent magnets, b) second suppression means in the form of a first Staffe ⁇ ment of the permanent magnets of a pole or a first skew of the permanent magnets or a first skew of the grooves, and c) third suppression means in the form of a second Staffe ⁇ ment of the permanent magnets of a pole or a second skew of the permanent magnets or a second Schrä ⁇ tion of the grooves are provided.
  • Pendulum torques Interactions of rotor and stator magnetic field waves are further causes for the torque wave.
  • especially the fifth and seventh harmonics of the useful wave of the air gap field present in the air gap between the rotor and the stator are of importance.
  • separate suppression means are provided for the most efficient possible reduction of each of the three main causes.
  • the suppression means can then be tuned very selectively to the respective relevant cause of the torque ripple. As a result, a significantly improved suppression of the torque ripple can be achieved.
  • a pole coverage of 4/5, ie of 80%, is used in particular for suppressing the fifth harmonic to the useful wave of the Air gap field. Accordingly, with a pole coverage of 6/7, that is to say of approximately 85.7%, the seventh harmonic can be interrupted.
  • a variant is expedient in which the second suppressing means are formed as a first staggering of the permanent magnets of a pole, and the third suppressing means as a second stanching of the permanent magnets of a pole.
  • Both graduations can be produced by means of a corresponding arrangement of the permanent magnets according to the respective stagger angle.
  • the manufacturing effort required for the double graduation is not significantly greater than for a single graduation. Nevertheless, by means of the double staggering, an effective suppression of two main sources of the torque ripple, for example of the groove groove and one of the two particularly disturbing harmonics, is obtained.
  • a double graduation can also be realized exclusively by intervening on the runner so that no additional production effort is required for the stand.
  • the permanent magnets of a pole are arranged independently of their respective membership in the first or second staggering in the axial direction with increasing circumferential angle offset with respect to the first permanent magnet of this pole. This results in very low stray fields.
  • the permanent magnets can then be arranged more easily, since an intermeshing of the permanent magnet arrangements of adjacent poles practically does not occur in the case of such sorting.
  • the first or the second bevel can be formed as a simple inclination or as an arrow bevel.
  • the permanent magnets or the grooves have an arrow shape.
  • a double bevel with a first and a second helix angle is possible, in which the second suppression means are formed as a first skew and the third suppression means as a second skew.
  • the second suppression means are provided as a first skew of the grooves and the third suppression means as a second skew or staggering of the permanent magnets.
  • a winding system arranged in the slots contains toothed coils as essential components.
  • the latter are particularly advantageous in terms of their production costs and their low inductance.
  • the permanent magnet synchronous machine may include an internal or an external rotor.
  • the measures for suppressing the torque ripple can advantageously be used in both embodiments.
  • FIG. 2 shows a rolled-up surface of two embodiments of a rotor with a skew or staggering of the permanent magnets, with a suppression device in cross-sectional representation; 3 a rolled surface of a further embodiment of a rotor with double graduation of the permanent magnets, FIG.
  • FIG. 6 shows a rolled-up surface of a further exemplary embodiment of a rotor with bevel
  • FIG. 7 shows a rolled-up surface of a further exemplary embodiment of a rotor with angled bevel and staggering of the permanent magnets
  • FIG. 8 shows an unrolled surface of a further embodiment of a rotor with double beveling of the permanent magnets.
  • Figure 1 designed as a motor permanent-magnet synchronous machine 1 is shown in cross-sectional view. It includes a stator 2 and a rotor 3 which is rotatably mounted about a rotation axis 4.
  • the rotor 3 is an inner rotor.
  • the stator 2 contains on its inner wall facing the rotor 3 several, in the exemplary embodiment of FIG. 1, a total of twelve, uniformly distributed over the circumference of the grooves 5, between each of which teeth 6 are formed.
  • An outer circumferential yoke 7 connects the teeth 6 with each other.
  • tooth coils 8 are arranged, each enclose a tooth 6 ei ⁇ .
  • the rotor 3 is provided with permanent magnets 9 which are arranged such that a total of eight magnetic poles 10 distributed uniformly over the circumference are obtained.
  • a magnetic pole 10 is assigned a pole pitch ⁇ P , which is formed by an angular range of a circumferential angle ⁇ .
  • the permanent magnets 9 extend in Circumferential direction not over the entire angular range of the pole pitch ⁇ P , but only over a part x- ⁇ P.
  • the size x denotes a Polübereckung. It has a value ⁇ 1.
  • the permanent-magnet synchronous machine 1 has different suppressing means.
  • three aspects are mainly responsible.
  • reluctance forces between the permanent magnets 9 and the teeth 6 cause a grooving with a number of detent pairs p R , which are determined according to:
  • the two other main causes for the torque ripple are based on interactions of rotor and stator magnetic field waves in the air gap 11. Particularly disturbing are the fifth and the seventh harmonics to the Nutz ⁇ wave of forming in the air gap 11 magnetic air gap field. Both the cogging and the fifth and the seventh Ober ⁇ wave of the air gap field are to be suppressed in order to ensure the lowest possible torque ripple.
  • the permanent-magnet synchronous machine 1 comprises separate and specially designed suppressing means against each of these three sources of interference.
  • the grooves 5 do not run exactly parallel to the axis of rotation 4, but have a first oblique angle ⁇ Sch i, which reproduces a circumferential angle offset. It is calculated according to:
  • the two other suppression means relate to the runner 3 measures provided.
  • a value of 4/5 is provided for the pole covering x.
  • the first and the second measure can also be provided reversed with regard to the upper wave to be suppressed.
  • the second skew angle ⁇ Sch 2 is calculated according to:
  • m denotes a number of magnets of the permanent magnets 9, which are staggered within a magnetic pole 10.
  • the illustration essentially represents a magnetic pole 12 again.
  • the adjacent magnetic poles only partially shown are indicated by dashed lines.
  • the magnetic pole 12 contains only a single permanent magnet 13 in the form of a parallelogram.
  • the second skew angle ⁇ .s C h2 is entered. It corresponds to a portion of the circumferential angle ⁇ , which results from a distance of the lower left corner of a Lot of the upper left corner on the connecting line between the two lower corners.
  • skew can also be a staggering to
  • the parallelogram of the permanent magnet 13 is approximated by several, in the exemplary embodiment shown, by a total of five, equally long rectangular permanent magnets 14, 15, 16, 17 and 18.
  • the permanent magnets 14 to 18 are staggered and each offset from the adjacent of the permanent magnets 14 to 18 by the second staggering angle ⁇ st 2 in the circumferential direction.
  • the two alternatives shown in FIG. 2 each act against the cogging, wherein the skewing effects a suppression of the fundamental and all multiples of the groove.
  • staggering does not ensure suppression of overshoots with an ordinal number corresponding to the magnet number m and its multiples.
  • a magnet number m of at least 3, preferably of at least 4, is therefore provided.
  • m 5.
  • the rectangular permanent magnets 14 to 18 can be produced more simply, but the parallelogram-shaped permanent magnet 13 offers an inhibition of all the harmonics of the groove groove.
  • FIGS. 3 to 7 show such exemplary embodiments.
  • FIG. 3 a detail of a rolled-up surface of the rotor 3 with double stanchion is shown.
  • the starting point is the single graduation with the five permanent magnets 14 to 18 provided in the exemplary embodiment of FIG. 2. Halving the latter in the direction of the axis of rotation 4 shifts the lower half in the circumferential direction relative to the associated upper halves by a first angular angle ⁇ st i, the arrangement shown in FIG. 3 results. The lower halves shifted to the left are hatched for clarity.
  • the magnet pole 19 then comprises a total of ten rectangular permanent magnets 20 to 29 which are arranged twice staggered with the first frame angle cxs t i and the second stagger angle ⁇ st 2.
  • the first stagger angle ⁇ st i is calculated according to:
  • the second stagger angle ⁇ st2 is calculated according to equation (3).
  • i 1
  • the first graduation angle ⁇ st i is 6.43 °
  • the first stagger angle ⁇ st i counteracts the seventh harmonic
  • the second stagger angle ⁇ st 2 counteracts the cogging
  • the pole cover x 4/5, not shown in detail in FIG. 3, counteracts the fifth harmonic.
  • the torque ripple is considerably reduced.
  • FIG. 4 with a magnetic pole 30 shown is modified in comparison with the exemplary embodiment of FIG. 3 in that the permanent magnets 20 to 29 are sorted so that their respective circumferential angle offset relative to the first permanent magnet 29 increases in the direction of the axis of rotation 4.
  • the respective circumferential circumferential displacements are also entered in FIG.
  • FIG. 5 shows a side view of an associated rotor 31, on which the permanent magnets 20 to 29 of the magnetic pole 30 are arranged in rearranged order as magnetic shells. Also, the rotor 31 thus contains, in addition to a corresponding pole cover, a double graduation in order to minimize the torque ripple.
  • the embodiment according to FIG. 6 contains a magnetic pole 32 and is based on the bevel shown in FIG. 2 with the parallelogram-shaped permanent magnet 13 Dividing into two parts results in an upper and a lower parallelogram-shaped permanent magnet 33 and 34, respectively, which are arranged offset from one another by the first staggering angle ⁇ st i according to equation (4).
  • Each of the two permanent magnets 33 and 34 has a second helix angle ⁇ Sch 2 calculated according to equation (2).
  • the exemplary embodiment according to FIG. 7 contains a magnetic pole 35 with a basically comparable construction.
  • two arrow-shaped permanent magnets 36 and 37 are provided in this embodiment, which are in turn staggered by the first stagger angle ⁇ st i.
  • the second angle of inclination ⁇ .sup.s2 is determined by the projection of the arrowhead at the front end or by the depth of the notch at the rear end of the permanent magnets 36 and 37.
  • an arrow bevel as provided in the permanent magnet 36 or 37, can also be used in the slots 5 in the stator 2.
  • a further exemplary embodiment with a magnetic pole 38 can be provided, which contains a permanent magnet 39 having a double bevel.
  • the latter is composed of three parallelogram-shaped magnet subregions 40, 41 and 42.
  • the first and the third magnet portion 40 and 42 respectively, a first helix angle ⁇ Sch3 assigned, the second magnetic portion 41, however, a second oblique angle ⁇ Sch . 4
  • the first helix angle ⁇ Sch3 is calculated according to:
  • the first and third Magnetteilbe ⁇ rich 40 and 42 have in the direction of the axis of rotation 4 each have a partial length Ii of:
  • the second magnetic partial region 41 has a partial region length I2 of:
  • the permanent magnet 39 can be designed in one piece or even in several parts, for example in accordance with its subdivision into the three magnet sections 40 to 42.
  • the double bevel which in
  • FIG 8 is shown for the assignment of a rotor with unspecified rotor with permanent magnets 39, in principle, also for the grooves 5 of the stator 2 are used.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die permanenterregte Synchronmaschine (1) hat einen mit Nuten (5) versehenen Ständer (2) und einen mit Permanentmagneten (9) , die magnetische Pole (10) bilden, versehenen Läufer (3) . Es sind erste Unterdrückungsmittel in Form einer Polbedeckung (x) , die bezogen auf eine Polteilung (τp) der Permanentmagnete (9) kleiner als eins ist, zweite Unterdrückungsmittel in Form einer ersten Staffelung der Permanentmagnete eines Pols oder einer ersten Schrägung der Permanentmagnete oder einer ersten Schrägung (αSchi) der Nuten (5) , und dritte Unterdrückungsmittel in Form einer zweiten Staffelung (αst2) der Permanentmagnete (9) eines Pols (10) oder einer zweiten Schrägung (αSch2) der Permanentmagnete (9) oder einer zweiten Schrägung der Nuten vorgesehen.

Description

Beschreibung
Permanenterregte Synchronmaschine mit Unterdrückungsmitteln zur Verbesserung der Drehmomentwelligkeit
Die Erfindung betrifft eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem mit Nuten versehenen Ständer und mit einem mit Per¬ manentmagneten, die magnetische Pole bilden, versehenen Läu¬ fer.
Eine derartige permanenterregte Synchronmaschine weist im Be¬ trieb oftmals eine gewisse Drehmomentwelligkeit auf. Zur Re¬ duzierung dieser Drehmomentwelligkeit sind verschiedene Un¬ terdrückungsmittel bekannt. So wird in der DE 100 41 329 Al beschrieben, dass eine Polbedeckung der Oberfläche des Läu¬ fers mit Permanentmagneten von 70 bis 80% zu einem verbesser¬ ten Oberfeldverhalten führt. Außerdem ist der DE 199 61 760 Al zu entnehmen, dass spezielle Wicklungsfaktoren eines in den Nuten angeordneten Wicklungssystems und eine Schrägung der Nuten zu einer Reduzierung der Drehmomentwelligkeit füh¬ ren. Trotz dieser bekannten Maßnahmen ist die Drehmomentwel¬ ligkeit immer noch vorhanden, insbesondere dann, wenn gleich¬ zeitig die Forderung nach einer möglichst kostengünstigen Herstellung der permanenterregte Synchronmaschine besteht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine perma¬ nenterregte Synchronmaschine der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die ein weiter verbessertes Drehmomentverhalten mit möglichst niedriger Welligkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei der eingangs bezeichneten permanenter¬ regten Synchronmaschine handelt es sich um eine solche, bei der a) erste Unterdrückungsmittel in Form einer Polbedeckung, die bezogen auf eine Polteilung der Permanentmagnete kleiner als eins ist, b) zweite Unterdrückungsmittel in Form einer ersten Staffe¬ lung der Permanentmagnete eines Pols oder einer ersten Schrägung der Permanentmagnete oder einer ersten Schrägung der Nuten, und c) dritte Unterdrückungsmittel in Form einer zweiten Staffe¬ lung der Permanentmagnete eines Pols oder einer zweiten Schrägung der Permanentmagnete oder einer zweiten Schrä¬ gung der Nuten vorgesehen sind.
Es wurde erkannt, dass die Drehmomentwelligkeit auf verschie¬ dene Ursachen zurückzuführen ist. Ein erster Anteil hat seine Ursache in Reluktanzkräften zwischen den Permanentmagneten des Läufers und Zähnen, die zwischen den Nuten vorhanden sind. Dieser Anteil ruft ein Nutrasten hervor und führt zu
Pendeldrehmomenten. Wechselwirkungen von Läufer- und Ständer- Magnetfeldwellen sind weitere Ursachen für die Drehmomentwel¬ ligkeit. Diesbezüglich sind besonders die fünfte und die siebte Oberwelle zur Nutzwelle des im Luftspalt zwischen dem Läufer und dem Ständer vorhandenen Luftspaltfelds von Bedeu¬ tung. Insgesamt lassen sich mit dem Nutrasten, der fünften und der siebten Oberwelle im Luftspaltfeld also drei Haupt¬ quellen für die Drehmomentwelligkeit lokalisieren. Erfin¬ dungsgemäß sind zur möglichst effizienten Reduzierung jeder der genannten drei Hauptursachen gesonderte Unterdrückungs¬ mittel vorgesehen. Die Unterdrückungsmittel können dann ganz gezielt auf die jeweils maßgebliche Ursache der Drehmoment¬ welligkeit abgestimmt werden. Dadurch lässt sich eine erheb¬ lich verbesserte Unterdrückung der Drehmomentwelligkeit er- zielen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen permanent¬ erregten Synchronmaschine ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
Eine Polbedeckung von 4/5, also von 80%, dient insbesondere zur Unterdrückung der fünften Oberwelle zur Nutzwelle des Luftspaltfeldes. Entsprechend lässt sich mit einer Polbede¬ ckung von 6/7, also von etwa 85,7%, die siebte Oberwelle un¬ terbinden.
Günstig ist eine Variante, bei der die zweiten Unterdrü¬ ckungsmittel als erste Staffelung der Permanentmagnete eines Pols und die dritten Unterdrückungsmittel als zweite Staffe¬ lung der Permanentmagnete eines Pols ausgebildet sind. Da¬ durch ergibt sich eine Doppelstaffelung mit einem ersten und einem zweiten Staffelwinkel. Beide Staffelungen lassen sich mittels einer entsprechend der jeweiligen Staffelwinkel ver¬ setzten Anordnung der Permanentmagnete herstellen. Der für die Doppelstaffelung erforderliche Fertigungsaufwand ist nicht wesentlich größer als für eine Einfachstaffelung. Trotzdem erhält man mittels der Doppelstaffelung eine wirksa¬ me Unterdrückung von zwei Hauptquellen der Drehmomentwellig- keit, beispielsweise des Nutrastens und einer der beiden ge¬ nannten besonders störenden Oberwellen. Eine Doppelstaffelung lässt sich außerdem ausschließlich durch Eingriffe am Läufer realisieren, sodass für den Ständer kein zusätzlicher Ferti¬ gungsaufwand anfällt.
Weiterhin kann es bei einer Doppelstaffelung vorgesehen sein, dass die Permanentmagnete eines Pols unabhängig von ihrer je- weiligen Zugehörigkeit zur ersten oder zweiten Staffelung in axialer Richtung mit bezogen auf den ersten Permanentmagnet dieses Pols zunehmendem Umfangswinkelversatz angeordnet sind. Dadurch ergeben sich sehr niedrige Streufelder. Außerdem las¬ sen sich dann die Permanentmagnete leichter anordnen, da ein Ineinandergreifen der Permanentmagnet-Anordnungen benachbar¬ ter Pole bei einer solchen Sortierung praktisch nicht vor¬ kommt.
Die erste oder die zweite Schrägung kann als einfache Schrä- gung oder auch als Pfeilschrägung ausgebildet sein. Bei einer Pfeilschrägung weisen die Permanentmagnete oder die Nuten ei¬ ne Pfeilform auf. Außerdem ist eine Doppelschrägung mit einem ersten und einem zweiten Schrägungswinkel möglich, bei der die zweiten Unter¬ drückungsmittel als erste Schrägung und die dritten Unterdrü¬ ckungsmittel als zweite Schrägung ausgebildet sind. Es erge- ben sich ähnliche Vorteile wie bei der Doppelstaffelung, wo¬ bei eine Doppelschrägung sowohl am Läufer als auch am Ständer vorgesehen sein kann.
Bei einer weiteren Ausgestaltung ist ein Teil der Unterdrü- ckungsmittel am Ständer und ein anderer Teil am Läufer vorge¬ sehen. Insbesondere sind die zweiten Unterdrückungsmittel als erste Schrägung der Nuten und die dritten Unterdrückungsmit¬ tel als zweite Schrägung oder Staffelung der Permanentmagnete vorgesehen. Durch diese Aufteilung der Maßnahmen kann eine leichtere Fertigung erreicht werden, insbesondere wenn enge räumliche Verhältnisse vorliegen.
Vorteilhafterweise enthält ein in den Nuten angeordnetes Wicklungssystem als wesentliche Komponenten Zahnspulen. Letz- tere sind insbesondere hinsichtlich ihrer Herstellungskosten und ihrer geringen Induktivität von Vorteil.
Die permanenterregte Synchronmaschine kann einen Innen- oder auch einen Außenläufer enthalten. Die Maßnahmen zur Unterdrü- ckung der Drehmomentwelligkeit können in beiden Ausgestaltun¬ gen mit Vorteil zum Einsatz kommen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung er¬ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh- rungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
FIG 1 ein Ausführungsbeispiel einer permanenterregten
Synchronmaschine mit Unterdrückungsmitteln in Quer- schnittsdarStellung, FIG 2 eine abgerollte Oberfläche zweier Ausführungsbei¬ spiele eines Läufers mit Schrägung oder Staffelung der Permanentmagnete, FIG 3 eine abgerollte Oberfläche eines weiteren Ausfüh¬ rungsbeispiels eines Läufers mit Doppelstaffelung der Permanentmagnete,
FIG 4 eine abgerollte Oberfläche eines weiteren Ausfüh- rungsbeispiels eines Läufers mit Doppelstaffelung der Permanentmagnete,
FIG 5 den Läufer mit Doppelstaffelung gemäß FIG4 in Sei¬ tenansicht,
FIG 6 eine abgerollte Oberfläche eines weiteren Ausfüh- rungsbeispiels eines Läufers mit Schrägung und
Staffelung der Permanentmagnete,
FIG 7 eine abgerollte Oberfläche eines weiteren Ausfüh¬ rungsbeispiels eines Läufers mit Pfeilschrägung und Staffelung der Permanentmagnete und FIG 8 eine abgerollte Oberfläche eines weiteren Ausfüh¬ rungsbeispiels eines Läufers mit Doppelschrägung der Permanentmagnete.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren 1 bis 8 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In FIG 1 ist eine als Motor ausgebildete permanenterregte Synchronmaschine 1 in Querschnittsdarstellung gezeigt. Sie enthält einen Ständer 2 sowie einen Läufer 3, der um eine Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Der Läufer 3 ist ein Innen¬ läufer. Der Ständer 2 enthält an seiner dem Läufer 3 zuge¬ wandten inneren Wandung mehrere, im Ausführungsbeispiel von FIG 1 insgesamt zwölf, gleichmäßig über den Umfang verteilte Nuten 5, zwischen denen jeweils Zähne 6 gebildet sind. Ein außen umlaufendes Joch 7 verbindet die Zähne 6 miteinander. In den Nuten 5 sind Zahnspulen 8 angeordnet, die jeweils ei¬ nen Zahn 6 umschließen. Der Läufer 3 ist mit Permanentmagne¬ ten 9 versehen, die so angeordnet sind, dass sich insgesamt acht gleichmäßig über den Umfang verteilte Magnetpole 10 er- geben. Einem Magnetpol 10 ist dabei eine Polteilung τP, die durch einen Winkelbereich eines Umfangswinkels α gebildet ist, zugewiesen. Die Permanentmagnete 9 erstrecken sich in Umfangsrichtung nicht über den gesamten Winkelbereich der Polteilung τP, sondern nur über einen Teil x-τP. Die Größe x bezeichnet dabei eine Polbedeckung. Sie hat einen Wert < 1.
Zur Unterdrückung einer Drehmomentwelligkeit während des Be¬ triebs weist die permanenterregte Synchronmaschine 1 ver¬ schiedene Unterdrückungsmittel auf. Für die Ausbildung der störenden Drehmomentwelligkeit sind hauptsächlich drei Aspek¬ te verantwortlich.
Zum einen verursachen Reluktanzkräfte zwischen den Permanent¬ magneten 9 und den Zähnen 6 ein Nutrasten mit einer Rastpol¬ paarzahl pR, die sich gemäß:
pR=kgv(n,2-p)
errechnet. Hierbei steht kgV für das kleinste gemeinsame Vielfache, n für eine Nutanzahl der Nuten 5 und p für eine Polpaarzahl der Magnetpole 10. Die Variable p kann auch die Nutzpolpaarzahl eines sich in einem Luftspalt 11, der zwi¬ schen dem Ständer 2 und dem Läufer 3 vorhanden ist, einstel¬ lenden Magnetfelds bezeichnen. Sie gibt dann den dominanten Anteil des Luftspaltfelds, also die Nutzwelle, wieder. Im Ausführungsbeispiel mit insgesamt acht Magnetpolen 10, also einer Polpaarzahl p = 4, und einer Nutanzahl n = 12 ergibt sich eine Rastpolpaarzahl pR von 24. Die permanenterregte Synchronmaschine 1 rastet also mit der doppelten Nutanzahl n. Zusätzlich zu diesem Grundrasten kann sich bei jedem beliebi¬ gen Vielfachen der Rastpolpaarzahl pR ein Rasten höherer Ord- nung einstellen.
Die beiden weiteren Hauptursachen für die Drehmomentwellig¬ keit liegen in Wechselwirkungen von Läufer- und Ständer- Magnetfeldwellen im Luftspalt 11 begründet. Besonders störend sind dabei die fünften und die siebten Oberwellen zur Nutz¬ welle des sich im Luftspalt 11 ausbildenden magnetischen Luftspaltfeldes . Sowohl das Nutrasten als auch die fünfte und die siebte Ober¬ welle des Luftspaltfeldes sind zu unterdrücken, um eine mög¬ lichst niedrige Drehmomentwelligkeit zu gewährleisten. Die permanenterregte Synchronmaschine 1 umfasst gegen jede dieser drei Störungsquellen gesonderte und speziell ausgelegte Un¬ terdrückungsmittel. So verlaufen die Nuten 5 nicht exakt pa¬ rallel zur Drehachse 4, sondern weisen einen ersten Schrä- gungswinkel αSchi auf, der einen Umfangswinkelversatz wieder¬ gibt. Er berechnet sich gemäß:
i•360° aSchi =-k-p , (D
wobei mit i eine beliebige natürliche Zahl und mit k eine Ordnungszahl der zu unterdrückenden Oberwelle bezeichnet ist. Im Ausführungsbeispiel wird die siebte Oberwelle unterdrückt, also nimmt k den Wert 7 an. Mit i = 1 und p = 4 ergibt sich der erste Schrägungswinkel αSchi zu 12,86°.
Die beiden weiteren Unterdrückungsmittel betreffen am Läufer 3 vorgesehene Maßnahmen. Als zweite Maßnahme ist zur Unter¬ drückung der fünften Oberwelle ist für die Polbedeckung x ein Wert von 4/5 vorgesehen. Grundsätzlich können die erste und die zweite Maßnahme hinsichtlich der zu unterdrückenden Ober¬ welle auch vertauscht vorgesehen sein.
Als dritte Maßnahme sind außerdem zur Unterbindung des Nut- rastens die Permanentmagnete 9 unter Berücksichtigung eines zweiten Schrägungswinkels αSch2 oder eines zweiten Staffelwin¬ kels αst2 auf dem Läufer 3 angeordnet. Der zweite Schrägungs- winkel αSch2 berechnet sich gemäß:
;-360° aSch2 ~ ,kgΛVτ((n, ~2• p\) ' '
und der zweite Staffelwinkel αst2 gemäß: i • 360°
«*2 = (3 ) m - (kgV(n , 2 - p)) '
wobei mit m eine Magnetanzahl der Permanentmagnete 9, die in- nerhalb eines Magnetpols 10 gestaffelt sind, bezeichnet ist.
Die dritte Maßnahme der Schrägung bzw. Staffelung der Perma¬ nentmagnete ist in FIG 2 näher dargestellt. Gezeigt ist ein Ausschnitt einer abgerollten Oberfläche des Läufers 3. Die Darstellung gibt im Wesentlichen einen Magnetpol 12 wieder. Die nur teilweise gezeigten benachbarten Magnetpole sind ge¬ strichelt angedeutet.
Falls eine Schrägung als Unterdrückungsmittel vorgesehen ist, enthält der Magnetpol 12 nur einen einzigen Permanentmagnet 13 in Gestalt eines Parallelogramms. Der zweite Schrägungs- winkel α.sCh2 ist eingetragen. Er entspricht einem Abschnitt des Umfangswinkels α, der sich aus einem Abstand der linken unteren Ecke von einem Lot der linken oberen Ecke auf die Verbindungslinie zwischen den beiden unteren Ecken ergibt. Mit i = 1, n = 12 und p = 4 ergibt sich der zweite Schrä- gungswinkel αSch2 gemäß Gleichung (2) im Ausführungsbeispiel zu 15°.
Alternativ zu der Schrägung kann auch eine Staffelung zum
Einsatz kommen. Dabei wird das Parallelogramm des Permanent¬ magneten 13 durch mehrere, im gezeigten Ausführungsbeispiel durch insgesamt fünf, gleichlange rechteckige Permanentmagne¬ te 14, 15, 16, 17 und 18 angenähert. Die Permanentmagnete 14 bis 18 sind gestaffelt angeordnet und jeweils gegenüber dem benachbarten der Permanentmagnete 14 bis 18 um den zweiten Staffelwinkel αst2 in Umfangsrichtung versetzt. Mit m = 5 er¬ rechnet sich der zweite Staffelwinkel αst2 gemäß Gleichung (3) zu 3°. Die beiden in FIG 2 gezeigten Alternativen wirken jeweils ge¬ gen das Nutrasten, wobei die Schrägung eine Unterdrückung der Grundwelle und aller Vielfacher des Nutrastens bewirkt. Dage¬ gen gewährleistet die Staffelung keine Unterdrückung von O- berwellen mit einer Ordnungszahl entsprechend der Magnetan¬ zahl m und ihrer Vielfachen. Um die üblicherweise nur wenig gedämpften Oberwellen niedriger Ordnung zu unterdrücken, wird deshalb eine Magnetzahl m von mindestens 3, vorzugsweise von mindestens 4 vorgesehen. Im Beispiel beträgt m = 5. Die rechteckigen Permanentmagnete 14 bis 18 lassen sich einfacher herstellen, dafür bietet der parallelogrammförmige Permanent¬ magnet 13 eine Unterbindung aller Oberwellen des Nutrastens.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer permanenterreg- ten Synchronmaschine weisen die Nuten 5 im Läufer 3 keine
Schrägung auf, sondern verlaufen im Wesentlichen parallel zur Drehachse 4. Sämtliche Maßnahmen zur Unterbindung der drei Hauptursachen für die Drehmomentwelligkeit sind dann am Läu¬ fer 3 vorgesehen. In den Figuren 3 bis 7 sind derartige Aus- führungsbeispiele dargestellt.
In FIG 3 ist ein einen Magnetpol 19 umfassender Ausschnitt einer abgerollten Oberfläche des Läufers 3 mit Doppelstaffe¬ lung gezeigt. Ausgangspunkt ist die im Ausführungsbeispiel von FIG 2 vorgesehene Einfachstaffelung mit den fünf Perma¬ nentmagneten 14 bis 18. Halbiert man letztere in Richtung der Drehachse 4 und verschiebt jeweils die untere Hälfte gegen¬ über der zugehörigen oberen Hälften in Umfangsrichtung um ei¬ nen ersten Staffelwinkel αsti, resultiert die in FIG 3 ge- zeigte Anordnung. Die nach links verschobenen unteren Hälften sind zur Verdeutlichung schraffiert dargestellt. Der Magnet¬ pol 19 umfasst dann insgesamt zehn rechteckige Permanentmag¬ nete 20 bis 29, die doppelt gestaffelt mit dem ersten Staf¬ felwinkel cxsti und dem zweiten Staffelwinkel αst2 angeordnet sind. Der erste Staffelwinkel αsti berechnet sich gemäß:
Figure imgf000012_0001
und der zweite Staffelwinkel αst2 gemäß Gleichung (3) berech- net wird. Mit i = 1, der Polpaarzahl p = 4, der Ordnungszahl der zu unterdrückenden Oberwelle k = 7, der Magnetanzahl m = 5 und der Nutanzahl n = 12 ergeben sich der erste Staffelwin¬ kel αsti zu 6,43° und der zweite Staffelwinkel αst2 zu 3°. Der erste Staffelwinkel αsti wirkt gegen die siebte Oberwelle, der zweite Staffelwinkel αst2 gegen das Nutrasten und die in FIG 3 nicht näher gezeigte Polbedeckung x = 4/5 gegen die fünfte Oberwelle. Insgesamt wird damit die Drehmomentwellig- keit erheblich reduziert.
Das Ausführungsbeispiel gemäß FIG 4 mit einem dargestellten Magnetpol 30 ist verglichen mit dem Ausführungsbeispiel von FIG 3 insofern modifiziert, als die Permanentmagnete 20 bis 29 so umsortiert sind, dass ihr jeweiliger auf den ersten Permanentmagneten 29 bezogener Umfangswinkelversatz in Rich- tung der Drehachse 4 zunimmt. Die jeweiligen Umfangswinkel- versätze sind in FIG 4 miteingetragen.
In FIG 5 ist eine Seitenansicht eines zugehörigen Läufers 31, auf dem die Permanentmagnete 20 bis 29 des Magnetpols 30 in umsortierter Reihenfolge als Magnetschalen angeordnet sind, gezeigt. Auch der Läufer 31 enthält also neben einer entspre¬ chenden Polbedeckung eine Doppelstaffelung, um die Drehmo- mentwelligkeit zu minimieren.
Anstelle einer Doppelstaffelung ist auch eine Kombination ei¬ ner Schrägung und einer Staffelung möglich. Ausführungsbei¬ spiele hierzu sind in den FIG 6 und 7 gezeigt.
Das Ausführungsbeispiel gemäß FIG 6 enthält einen Magnetpol 32 und basiert auf der in FIG 2 gezeigten Schrägung mit dem parallelogrammförmigen Permanentmagneten 13. Mittels einer Zweiteilung ergeben sich ein oberer und ein unterer paralle- logrammförmiger Permanentmagnet 33 bzw. 34, die um den ersten Staffelwinkel αsti gemäß Gleichung (4) gegeneinander versetzt angeordnet sind. Jeder der beiden Permanentmagnete 33 und 34 weist einen gemäß Gleichung (2) berechneten zweiten Schrä- gungswinkel αSch2 auf.
Das Ausführungsbeispiel gemäß FIG 7 enthält einen Magnetpol 35 mit einem grundsätzlich vergleichbaren Aufbau. Anstelle der parallelogrammförmigen Permanentmagnete 33 und 34 sind bei diesem Ausführungsbeispiel zwei pfeilförmige Permanent¬ magnete 36 und 37 vorgesehen, die wiederum um den ersten Staffelwinkel αsti gegeneinander versetzt angeordnet sind. Wie aus FIG 7 ersichtlich, bestimmt sich der zweite Schrä- gungswinkel α.sCh2 durch den Vorsprung der Pfeilspitze am vor¬ deren Ende oder durch die Tiefe der Einkerbung am hinteren Ende der Permanentmagnete 36 und 37.
Grundsätzlich kann eine Pfeilschrägung, wie sie beim Perma- nentmagnet 36 oder 37 vorgesehen ist, auch bei den Nuten 5 im Ständer 2 eingesetzt werden.
Ausgehend vom Ausführungsbeispiel gemäß FIG 4 oder FIG 6 lässt sich ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Magnet- pol 38 angeben, der einen eine Doppelschrägung aufweisenden Permanentmagneten 39 enthält. Letzterer setzt sich aus drei parallelogrammförmigen Magnetteilbereichen 40, 41 und 42 zu¬ sammen. Dem ersten und dem dritten Magnetteilbereich 40 bzw. 42 ist jeweils ein erster Schrägungswinkel αSch3 zugewiesen, dem zweiten Magnetteilbereich 41 dagegen ein zweiter Schrä¬ gungswinkel αSch4.
Der erste Schrägungswinkel αSch3 errechnet sich gemäß:
360° aSM=—— (5) k-4-p und der zweite Schrägungswinkel αSch4 gemäß:
& ScM = 0C Schi ~ aSch3 > ( ß )
wobei der weitere Schrägungswinkel αSch2 gemäß Gleichung (2) zugrunde gelegt ist. Der erste und der dritte Magnetteilbe¬ reich 40 bzw. 42 haben in Richtung der Drehachse 4 jeweils eine Teilbereichslänge Ii von:
Z1=-/^-, (7)
2 aSch2
wobei mit 1G die Gesamtlänge des Permanentmagneten 39 in Richtung der Drehachse 4 bezeichnet ist. Der zweite Magnet¬ teilbereich 41 hat eine Teilbereichslänge I2 von:
I1=I0-I-I1. (8)
Mittels der Doppelschrägung gemäß dem Ausführungsbeispiel von FIG 8 wird der Einfluss einer Oberwelle und des Nutrastens unterbunden.
Der Permanentmagnet 39 kann - wie in FIG 8 gezeigt - eintei¬ lig oder auch - beispielsweise entsprechend seiner Untertei¬ lung in die drei Magnetteilbereiche 40 bis 42 - mehrteilig ausgebildet sein. Außerdem kann die Doppelschrägung, die in
FIG 8 für die Belegung eines nicht näher bezeichneten Läufers mit Permanentmagneten 39 dargestellt ist, grundsätzlich auch für die Nuten 5 des Ständers 2 verwendet werden.
Insgesamt lässt sich an Hand der beschriebenen Kombinationen von jeweils drei Maßnahmen eine sehr effiziente Unterdrückung der Drehmomentwelligkeit erreichen.

Claims

Patentansprüche
1. Permanenterregte Synchronmaschine mit einem mit Nuten (5) versehenen Ständer (2) und mit einem mit Permanentmagneten (9;13;14-18;20-29;33,34;36,37;39) , die magnetische Pole (10; 12; 19;30;32;35;38) bilden, versehenen Läufer (3;31), wobei a) erste Unterdrückungsmittel in Form einer Polbedeckung (x) , die bezogen auf eine Polteilung (τp) der Permanentmagnete (9;13;14-18;20-29;33,34;36,37;39) kleiner als eins ist, b) zweite Unterdrückungsmittel in Form einer ersten Staffe¬ lung (αsti) der Permanentmagnete (20-29;33, 34;36, 37) eines Pols (19;30;32;35) oder einer ersten Schrägung (αSch3) der Permanentmagnete (39) oder einer ersten Schrägung (αSchi) der Nuten (5) , und c) dritte Unterdrückungsmittel in Form einer zweiten Staffe¬ lung (αst2) der Permanentmagnete (9; 14-18;20-29) eines Pols (10; 19;30) oder einer zweiten Schrägung (αSch2; α.Sch4) der Permanentmagnete (9; 13;33, 34;36, 37;39) oder einer zweiten Schrägung der Nuten vorgesehen sind.
2. Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 1, da¬ durch gekennzeichnet, dass eine Polbedeckung (x) von 4/5 oder von 6/7 vorgesehen ist.
3 . Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s die erste oder die zweite Staf felung mit einem ersten Staf felwinkel αsti von :
M 80° α™ = -; k - p erfolgt, wobei mit i eine beliebige natürliche Zahl größer als null, mit k eine Ordnungszahl einer zu unterdrückenden Oberwelle im Drehmoment der Synchronmaschine und mit p eine Polpaarzahl bezeichnet ist.
4. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die erste oder die zweite Staffelung mit einem zweiten Staffel¬ winkel αst2 von:
i•360°
«*2 = m-(kgV(n,2-p))
erfolgt, wobei mit i eine beliebige natürliche Zahl größer als null, mit m eine Magnetanzahl der Permanentmagnete (14 - 18;20-29) der ersten bzw. zweiten Staffelung, mit kgV das kleinste gemeinsame Vielfache, mit n eine Nutanzahl der Nuten (5) im Ständer (2) und mit p eine Polpaarzahl bezeichnet ist.
5. Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 4, da¬ durch gekennzeichnet, dass die Magnetanzahl m min¬ destens drei, vorzugsweise mindestens vier, beträgt.
6. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die zweiten und die dritten Unterdrückungsmittel als erste bzw. zweite Staffelung (αsti, αst2) vorgesehen sind, sodass eine Doppelstaffelung mit einem ersten und einem zweiten Staffel¬ winkel (αsti; α.st2) vorliegt.
7. Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 6, da¬ durch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (20 - 29) eines Pols (30) unabhängig von ihrer jeweiligen Zugehö¬ rigkeit zur ersten oder zweiten Staffelung in axialer Rich¬ tung (4) mit bezogen auf den ersten Permanentmagnet (29) die¬ ses Pols (30) zunehmendem Umfangswinkelversatz angeordnet sind.
8. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die erste oder die zweite Schrägung mit einem ersten Schrägungs- winkel αSchi von: t - 360c
^Schl = ■ k - p
erfolgt, wobei mit i eine beliebige natürliche Zahl größer als null, mit k eine Ordnungszahl einer zu unterdrückenden Oberwelle im Drehmoment der Synchronmaschine und mit p eine Polpaarzahl bezeichnet ist.
9. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die erste oder die zweite Schrägung mit einem zweiten Schrägungs- winkel αSch2 von:
i-360c
«M2 = 'kgV(n,2-p)
erfolgt, wobei mit i eine beliebige natürliche Zahl größer als null, mit kgV das kleinste gemeinsame Vielfache, mit n eine Nutanzahl der Nuten (5) im Ständer (2) und mit p eine Polpaarzahl bezeichnet ist.
10. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die erste oder die zweite Schrägung (αSch2) als Pfeilschrägung ausgebildet ist, sodass die Permanentmagnete (36,37) oder die Nuten eine Pfeilform aufweisen.
11. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die zweiten und die dritten Unterdrückungsmittel als erste bzw. zweite Schrägung vorgesehen sind, sodass eine Doppel- schrägung mit einem ersten und einem zweiten Schrägungswinkel (αSch3; αSch4) vorliegt.
12. Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 11, da¬ durch gekennzeichnet , dass der erste Schrägungswin- kel αSch3 gemäß :
360c
<*SM = k-A-p
und der zweite Schrägungswinkel αSch4 gemäß:
^Sch4 ~ ^ Schi ~ ^1ScKi
vorgesehen ist, wobei mit k eine Ordnungszahl einer zu unter¬ drückenden Oberwelle im Drehmoment der Synchronmaschine, mit p eine Polpaarzahl und mit αSch2 ein weiterer Schrägungswin¬ kel, der gemäß:
Figure imgf000018_0001
mit i als einer beliebigen natürlichen Zahl größer als null, mit kgV als dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen und mit n als einer Nutanzahl der Nuten (5) im Ständer (2) vorgesehen ist, bezeichnet ist.
13. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die zweiten Unterdrückungsmittel als erste Schrägung (αSchi) der Nuten (5) und die dritten Unterdrückungsmittel als zweite Schrägung (αSch2) oder Staffelung (αst2) der Permanentmagnete (13; 14-18) vorgesehen sind.
14. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Nuten (5) ein Wicklungssystem aufnehmen und das Wick¬ lungssystem Zahnspulen (8) beinhaltet.
15. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Läufer (3;31) als Außenläufer oder als Innenläufer (3; 31) ausgebildet ist.
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