WO2008022788A1 - Permanent magnet synchronous motor - Google Patents

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WO2008022788A1
WO2008022788A1 PCT/EP2007/007415 EP2007007415W WO2008022788A1 WO 2008022788 A1 WO2008022788 A1 WO 2008022788A1 EP 2007007415 W EP2007007415 W EP 2007007415W WO 2008022788 A1 WO2008022788 A1 WO 2008022788A1
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WO
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rotor
permanent magnet
synchronous motor
magnet synchronous
stator windings
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PCT/EP2007/007415
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Inventor
Manfred Dollinger
Wolfgang Benzing
Wilfried Fritsch
Original Assignee
Abm Greiffenberger Antriebstechnik Gmbh
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706Inner rotors
    • H02K1/272Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753Inner 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
    • H02K1/276Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14Electronic commutators
    • H02P6/16Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/182Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings

Definitions

  • the present invention relates to a permanent magnet synchronous motor according to the preamble of claim 1, wherein a so-called. Sensorless control is provided.
  • Permanent magnet synchronous motors are finding increasing use in recent times as compared to conventional stepping motors because they better meet the requirements for high reliability, high power density, high efficiency and smooth running.
  • the direction switching of the current for the stator windings takes place independently of the position of the rotor or the position of the permanent magnets provided on the rotor, the synchronous motor is indexed in synchronism with the rotor. Due to the orientation on the rotor magnetic field, therefore, the synchronous motor allows the use of higher torques and thus a higher dynamics.
  • the speed ranges in which synchronous motors can be used are also significantly greater compared to stepper motors.
  • a classic permanent magnet synchronous motor consists of a metallic rotor supporting the permanent magnets and a stator housing the windings.
  • the motor is designed as a three-phase motor, wherein the windings are connected to three phases in a star or delta.
  • Fig. 9 shows the typical course of the reverse voltage in a conventional permanent magnet synchronous motor, as it is used today.
  • the course of the countervoltage is pronounced in a broader sense of a sinusoidal course, but in the areas of the maxima and minima areas or plateaus are present in which the counter-voltage is almost constant. This results in the problem that no clear differentiation is possible in these areas, which in turn means that the angular position of the rotor can only be determined with a limited accuracy.
  • This ultimately has the consequence that an adaptation or synchronous control of the windings to the rotor position is only possible to a limited extent, which is why sensorless motors have so far been able to prevail only to a certain extent.
  • the present invention is based on the object to further develop known permanent magnet synchronous motors with a sensorless control such that a more precise control of the windings is made possible synchronously with the rotor position and accordingly the possible applications of such a motor can be extended.
  • the present invention is based on the idea of further developing the motor so that a more accurate determination of the angular position of the rotor is made possible in the context of sensorless control.
  • the rotor is designed in a special way, in particular such that the induced voltage in the stator windings now has a substantially sinusoidal course.
  • the design of the rotor is thus particularly influenced in such a way that the countervoltage induced in the stator windings no longer has any horizontal plateaus in comparison with the voltage curve shown in FIG. Instead, a continuous sinusoidal course is sought, which ultimately makes it possible to determine its angular position with high accuracy in all positions of the rotor.
  • a permanent magnet synchronous motor having a rotor supporting a plurality of permanent magnets, a stator having stator windings surrounding the rotor and a control circuit which supplies a time-varying current to the stator windings, the control circuit being configured to rotate one through the rotor To determine counter tension induced in the stator windings, to determine the angular position of the rotor based on the determined counter voltage and to control the stator windings in dependence on the determined angular position of the rotor, and wherein the rotor is designed such that the counter voltage induced in the stator windings substantially sinusoidal course has.
  • the permanent magnets of the rotor do not rest against its outer circumference, but instead are arranged inside the rotor.
  • the rotor may have in its peripheral region axially extending recesses which serve to receive the permanent magnets.
  • the recesses and thus the permanent magnets in this case preferably have a substantially rectangular cross-section, but it is particularly preferred that additional recesses are provided in the recesses on the longitudinal sides of the permanent magnets, which are for example.
  • Semicircular and serve to reduce the magnetic leakage flux The recesses may also serve to introduce adhesive or other potting dimensions to easily secure the magnets within the rotor.
  • Another measure, which is crucial for the formation of the required reluctance of the rotor, is that in the outer peripheral region of the rotor located between the magnet recesses are provided. As a result, the asymmetrical impedance distribution of the rotor is further increased, which ultimately contributes to the formation of the desired sinusoidal voltage. Furthermore, the efficiency of the rotor can be improved by the measure, since not usable by the introduction of these recesses harmonic torques are avoided. This also leads to a reduction of the noise emission and to reduce the torque ripple within a single revolution of the rotor.
  • the rotor itself preferably consists of a plurality of axially successively arranged sheets, which consist in particular of a magnetic flux conducting material. These sheets can then each have the previously mentioned recesses for receiving the permanent magnets and the recesses in the peripheral region. On the front side, however, sheets can be used in which the recesses for the magnets have been dispensed with, so that ultimately each magnet is completely enclosed by the sheets.
  • An additional development may also consist in that the magnets extend in the axial direction only over a portion of the rotor. This makes it possible to adapt the magnetic and electrical properties of the rotor as needed to the geometry of the air gap between the rotor and the stator. Ultimately, this leads to the fact that the usable speed range of the engine is increased and an improved torque output can be achieved at high speeds.
  • the above-mentioned measures to improve the sensorless permanent magnet synchronous motor primarily concerned the design of the rotor.
  • additional measures can be provided on the stator in order to promote the desired sinusoidal profile of the reverse voltage.
  • it may initially be provided to distribute the stator windings to a multiplicity of stator slots. Ideally, this again provides a sinusoidal inductance distribution of the pole windings, which leads to a further improvement in the interaction between stator and rotor.
  • stator windings Another measure relates to the configuration of the stator windings. It is provided according to a particularly preferred embodiment, these in the form of To realize floor windings, in which case the windings are each connected in parallel in four groups. This multiple-parallel circuit allows a higher current load, which in particular leads to advantages at low operating voltages of the motor.
  • FIG. 2 shows the side view of a permanent magnet rotor used in the motor according to the invention
  • FIG. 3 is a sectional view of the rotor according to the section I-I in Fig. 2.
  • Fig. 4 is the view II-II of the rotor in Fig. 2;
  • Fig. 5 is a sectional view in the axial direction of the rotor according to a first
  • FIG. 6 is a sectional view of the rotor in the axial direction according to a second exemplary embodiment
  • FIGS. 7a to 7c show different possibilities for configuring the stator windings
  • FIG. 8b shows the course of the countervoltage which results in the motor according to the invention
  • the block diagram of a permanent magnet synchronous motor according to the invention corresponds to the classical structure of such a motor type.
  • Core element of the engine 1 is first a permanent magnet rotor 10 which is rotatably disposed within a stator 30.
  • the stator 30 supports the stator windings which are distributed on a plurality of stator slots and provide a rotating magnetic field by supplying respective currents. This in turn cooperates with the magnet arranged inside the permanent magnet motor 10 in such a way that rotation of the rotor 10 takes place.
  • the control of the stator windings is carried out by a control circuit or a current regulator 5, which, taking into account in the supplied external signals, which specify, for example, a target speed U so u for the engine 1 or a desired torque, a subordinate three-phase bridge 6, which according to the information of the current controller 5 provides a time-varying stator current.
  • a control circuit or a current regulator 5 which, taking into account in the supplied external signals, which specify, for example, a target speed U so u for the engine 1 or a desired torque
  • a subordinate three-phase bridge 6, which according to the information of the current controller 5 provides a time-varying stator current.
  • three stator windings are supplied with sinusoidal currents, which are offset by 120 ° each phase.
  • Stator windings take place as synchronously as possible to the rotor position, which is ensured by the current regulator 5.
  • a sensorless operation is provided here. This means that no additional sensors are used as components to determine the rotor position. Instead, the angular position ⁇ of the rotor 10 is determined from the counter-voltage induced in the stator windings, which is caused by the rotating magnetic field of the permanent magnet rotor 10. By evaluating this induced back voltage (Back EMF) so can the
  • Control circuit 5 determine the angular position ⁇ of the rotor 10 and make a corresponding control of the stator windings.
  • Fig. 2 shows first a side view of the rotor 10, which is arranged rotatably within the stator 30 by means of an unspecified axis 7.
  • the rotor 10 consists of a package of plates 11 arranged one behind the other in the axial direction, the configuration of which can be seen in the illustration in FIG. Each plate 11 has a circular shape with a passage opening I Ia for carrying the rotor axis. 7
  • a first special feature consists in the fact that the permanent magnets 20 and 21 are not arranged on the outside of the rotor 10 but instead are accommodated in this.
  • the recesses 13, 14 and thus also the magnets 20, 21 have a substantially rectangular cross section, whereby the use of conventional, cuboid bar magnets for the permanent magnets 20, 21 is made possible. This initially contributes to a more cost-effective production of the rotor 10.
  • Rotor 10 the formation of a magnetic leakage flux, which could adversely affect the engine operation is reduced.
  • This also contributes to the fact that the recesses 13, 14 for receiving the magnets 20, 21 each have at their two ends additional recesses 13a, 14a, which are preferably formed semicircular as shown. Other shapes for these recesses 13a, 14a, which also reduce the formation of the magnetic stray flux, would be possible.
  • these recesses 13 a, 14 a also provide a simple way of attaching the magnets 20, 21, since in them an adhesive or other potting compounds can be introduced to safely store the magnets 20, 21 within the rotor 10. Another feature of this
  • Recesses 13a, 14a may also be to use these optionally to form a starting cage for the engine 1. It should also be noted that instead of the illustrated four permanent magnets, the number of these can also be varied.
  • the two end plates 12, as shown in FIG. 4, are also configured without these recesses 13, 14. Accordingly, the magnets 20, 21 are enclosed on all sides by the sheets 11 and 12, respectively, so that they are securely held within the rotor 10.
  • Another special feature of the rotor 10 according to the invention consists in recesses 15, which are arranged in the outer peripheral region of the individual sheets 11, in particular in the region between two adjacent magnets 20, 21. These recesses 15 cause a separation between individual pole pieces 16 of the rotor 10 and have the consequence in that the rotor 10 has a strong magnetic asymmetry between the transverse inductance L q and the longitudinal inductance L d . This magnetic asymmetry or reluctance of the rotor ultimately allows accurate rotor position determination without the use of special sensors. This can be seen from the illustration in FIG. 8 a, which shows the angular dependence of
  • Inductance of the rotor 10 shows. It can be seen that this has a sinusoidal shape, which then ultimately also contributes to the generation of the desired essentially sinusoidal countervoltage. Furthermore, it can be seen from the illustration in FIG. 8a that there are small differences in the successive maximum and minimum values, which is due to hysteresis effects and opens up the possibility of unambiguously distinguishing between the north and south poles of the rotor 10. Accordingly, in particular at the speed 0 and at low speeds, this pronounced curve shape of the inductance curve supplies a signal which can be evaluated unambiguously for the rotor position detection.
  • pole shoes 16 formed by the recesses 15 have approximately a circular segment shape, although the center of the respective circular shape does not necessarily coincide with the center of the rotor 10. Instead, the pole shoes 16 have a slightly greater curvature, which further contributes to the expression of the strong magnetic asymmetry.
  • the permanent magnets 20, 21 may extend over the entire axial length of the rotor 10 as shown in FIG. Alternatively, however, it would also be conceivable, as shown in FIG. 6, for the magnets 20, 21 to extend only over a central subregion. This special design has to
  • the inductance in the d-direction is further increased, which is advantageous if the motor with an additional field-forming stator current to be fed. Due to the larger inductance in the d-direction, a correspondingly greater voltage drop results, which compensates for the generator-generated voltage by the magnets 20, 21. This in turn means that the motor can be operated at a higher speed without having to increase the power converter output voltage. There is accordingly the possibility of increasing the speed of the motor beyond its rated speed, ie the engine power remains up to a value dependent on the design of the motor constant for a given rated power.
  • a first measure consists in a distribution of the stator winding on a plurality of grooves or pole teeth, resulting in an approximately sinusoidal field profile of the magnetic field formed by the stator windings.
  • Both figures show schematically the course of the three stator windings in the stator slots 32 formed between the teeth 31.
  • FIG. 7a shows a series connection, whereas the windings in the scheme according to FIG. 7b are connected in parallel in two groups.
  • the arrangement of the windings is further carried out in floors, with the result that results over conventional arrangements in two floors, a smaller average winding length by shorter end connections.
  • the winding strands are preferably connected in a triangular circuit. This arrangement is problematic in itself, since it led to relatively high losses so far.
  • the basic field is designed to be as sinusoidal as possible, no third harmonic occurs in the voltage, with the result that additional losses, which could be caused by additional circulating currents, are avoided.
  • the rated power of the engine does not have to be reduced accordingly, with the result that the efficiency of the engine is significantly greater than in a conventional motor in which circular currents can form.

Abstract

The invention relates to a permanent magnet synchronous motor (1), comprising a rotor (10) with several permanent magnets (20, 21), a stator (30) surrounding the rotor (10), with stator windings and a controller (5), which supply the stator windings with a current changing over time, wherein the controller (5) is designed to measure a counter voltage induced in the stator windings by the rotor(10), to determine the angular position (γ) of the rotor (10) based on the measured counter voltage and to operate the stator windings based on the determined angular position (γ) of the rotor (10). The rotor (10) is designed such that the counter voltage induced in the stator windings is an essentially sinusoidal curve.

Description

Permanentmagnet-Svnchronmotor Permanent magnet Svnchronmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Permanentmagnet-Synchronmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , bei dem eine sog. sensorlose Steuerung vorgesehen ist.The present invention relates to a permanent magnet synchronous motor according to the preamble of claim 1, wherein a so-called. Sensorless control is provided.
Permanentmagnet-Synchronmotoren (PSM) finden in letzter Zeit im Vergleich zu herkömmlichen Schrittmotoren zunehmend Verwendung, da sie die Anforderungen nach einer hohen Zuverlässigkeit, einer hohen Leistungsdichte, einem hohen Wirkungsgrad und einem ruhigen Lauf besser erfüllen. Während bei herkömmlichen Schrittmotoren die Richtungsumschaltung des Stroms für die Statorwicklungen unabhängig von der Lage des Rotors bzw. der Lage der an dem Rotor vorgesehenen Permanentmagnete erfolgt, wird beim Synchronmotor synchron zum Rotor weitergeschaltet. Aufgrund der Orientierung am Rotormagnetfeld erlaubt daher der Synchronmotor den Einsatz höherer Drehmomente und damit eine höhere Dynamik. Auch die Drehzahlbereiche, in denen Synchronmotoren eingesetzt werden können, sind im Vergleich zu Schrittmotoren deutlich größer.Permanent magnet synchronous motors (PSM) are finding increasing use in recent times as compared to conventional stepping motors because they better meet the requirements for high reliability, high power density, high efficiency and smooth running. Whereas in conventional stepping motors the direction switching of the current for the stator windings takes place independently of the position of the rotor or the position of the permanent magnets provided on the rotor, the synchronous motor is indexed in synchronism with the rotor. Due to the orientation on the rotor magnetic field, therefore, the synchronous motor allows the use of higher torques and thus a higher dynamics. The speed ranges in which synchronous motors can be used are also significantly greater compared to stepper motors.
Ein klassischer Permanentmagnet-Synchronmotor besteht aus einem metallischen Rotor, der die Permanentmagnete trägt, sowie einem Stator, der die Wicklungen beherbergt. Üblicherweise ist der Motor als Drehstrommotor ausgeführt, wobei die Wicklungen zu drei Phasen in Stern oder Dreieck geschaltet sind.A classic permanent magnet synchronous motor consists of a metallic rotor supporting the permanent magnets and a stator housing the windings. Usually, the motor is designed as a three-phase motor, wherein the windings are connected to three phases in a star or delta.
Um sicherzustellen, dass der Synchronmotor tatsächlich synchron zum Rotor weitergeschaltet wird, ist eine im Vergleich zu einem Schrittmotor aufwendigere elektronische Kommutierung der Phasen erforderlich, da die Kommutierung möglichst genau an die Rotorlage angepasst werden muss. Diese Vorgehensweise wird üblicherweise als Feldorientierung bezeichnet (FOC bzw. Field Oriented Control), weil mit der Lage des Rotors auch die Lage des Magnetfelds erfasst wird und die geeignete Bestromung der Statorwicklung eingestellt werden kann. In der Vergangenheit wurden hierzu in erster Linie spezielle Lagesensoren eingesetzt, um die Rotorlage zu erfassen. Insbesondere ist hierbei der Einsatz sog. Hall-Sensoren oder Resolver bekannt.In order to ensure that the synchronous motor is actually switched in synchronism with the rotor, a more complex electronic commutation of the phases is required compared with a stepper motor since the commutation must be adapted as exactly as possible to the rotor position. This procedure is usually referred to as field orientation (FOC or Field Oriented Control), because with the position of the rotor, the position of the magnetic field is detected and the appropriate energization of the stator winding can be adjusted. In the past, special position sensors were used primarily to detect the rotor position. In particular, in this case the use of so-called Hall sensors or resolvers is known.
Da durch den Einsatz zusätzlicher Sensoren allerdings die Anzahl der Bauelemente für den Motor erhöht wird, wurde nach Lösungen gesucht, um die Rotorlage auf anderem Wege zu ermitteln. Hierbei wurde eine sog. sensorlose Rotorsteuerung entwickelt, die darauf beruht, dass die durch die Rotormagnete in die Statorwicklungen induzierte Spannung, welche oftmals auch als elektromotorische Kraft bzw. Back EMF oder Gegenspannung bezeichnet wird, zur Lageerfassung des Rotors herangezogen wird. Diese Vorgehensweise beruht also darauf, dass die sich mit dem Rotor drehenden Permanentmagneten in die Statorwicklungen eine Spannung induzieren, deren Form bzw. Verlauf Auskunft über die Winkellage des Rotors gibt. Da bei dieser Vorgehensweise die Rotorlage ausschließlich durch die an den Wicklungen anliegende Spannung bzw. den Verlauf des Wicklungsstroms erfasst werden kann, kann auf den Einsatz separater Sensoren verzichtet werden.However, since the number of components for the motor is increased by the use of additional sensors, solutions were sought to the rotor position on other To identify ways. In this case, a so-called. Sensorless rotor control was developed, which is based on the fact that the voltage induced by the rotor magnets in the stator windings, which is often referred to as electromotive force or back EMF or reverse voltage, used for detecting the position of the rotor. This procedure is therefore based on the fact that the permanent magnets rotating with the rotor induce a voltage in the stator windings whose shape or course gives information about the angular position of the rotor. Since in this procedure the rotor position can be detected exclusively by the voltage applied to the windings or the course of the winding current, it is possible to dispense with the use of separate sensors.
Fig. 9 zeigt den typischen Verlauf der Gegenspannung bei einem herkömmlichen Permanentmagnet-Synchronmotor, wie er heutzutage eingesetzt wird. Der Verlauf der Gegenspannung erinnert im weiteren Sinne an einen sinusförmigen Verlauf, wobei allerdings in den Bereichen der Maxima und Minima Bereiche bzw. Plateaus vorliegen, in denen die Gegenspannung nahezu konstant ist. Hierbei ergibt sich das Problem, dass in diesen Bereichen keine eindeutige Differenzierung möglich ist, was wiederum bedeutet, dass die Winkellage des Rotors nur mit einer begrenzten Genauigkeit bestimmt werden kann. Dies hat letztendlich zur Folge, dass eine Anpassung bzw. synchrone Ansteuerung der Wicklungen zur Rotorlage nur begrenzt möglich ist, weshalb sich sensorlose Motoren bislang lediglich in einem gewissen Umfang durchsetzen konnten.Fig. 9 shows the typical course of the reverse voltage in a conventional permanent magnet synchronous motor, as it is used today. The course of the countervoltage is reminiscent in a broader sense of a sinusoidal course, but in the areas of the maxima and minima areas or plateaus are present in which the counter-voltage is almost constant. This results in the problem that no clear differentiation is possible in these areas, which in turn means that the angular position of the rotor can only be determined with a limited accuracy. This ultimately has the consequence that an adaptation or synchronous control of the windings to the rotor position is only possible to a limited extent, which is why sensorless motors have so far been able to prevail only to a certain extent.
Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, bekannte Permanentmagnet-Synchronmotoren mit einer sensorlosen Steuerung derart weiter zu entwickeln, dass eine genauere Ansteuerung der Wicklungen synchron zur Rotorlage ermöglicht ist und dementsprechend die Einsatzmöglichkeiten eines derartigen Motors insgesamt erweitert werden.The present invention is based on the object to further develop known permanent magnet synchronous motors with a sensorless control such that a more precise control of the windings is made possible synchronously with the rotor position and accordingly the possible applications of such a motor can be extended.
Die Aufgabe wird durch einen Permanentmagnet- Synchronmotor, welcher die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The object is achieved by a permanent magnet synchronous motor having the features of claim 1. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, den Motor derart weiter zu entwickeln, dass im Rahmen der sensorlosen Steuerung eine genauere Ermittlung der Winkellage des Rotors ermöglicht ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Rotor in spezieller Weise ausgebildet ist, insbesondere derart, dass die in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung nun einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf aufweist. Erfindungsgemäß wird also speziell die Ausgestaltung des Rotors derart beeinflusst, dass die in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung im Vergleich zu dem in Fig. 9 dargestellten Spannungsverlauf keine horizontalen Plateaus mehr aufweist. Stattdessen wird ein durchgängig sinusförmiger Verlauf angestrebt, der es letztendlich ermöglicht, in sämtlichen Positionen des Rotors dessen Winkellage mit einer hohen Genauigkeit zu bestimmen.The present invention is based on the idea of further developing the motor so that a more accurate determination of the angular position of the rotor is made possible in the context of sensorless control. This is inventively achieved in that the rotor is designed in a special way, in particular such that the induced voltage in the stator windings now has a substantially sinusoidal course. According to the invention, the design of the rotor is thus particularly influenced in such a way that the countervoltage induced in the stator windings no longer has any horizontal plateaus in comparison with the voltage curve shown in FIG. Instead, a continuous sinusoidal course is sought, which ultimately makes it possible to determine its angular position with high accuracy in all positions of the rotor.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird deshalb ein Permanentmagnet- Synchronmotor vorgeschlagen, der einen mehrere Permanentmagnete tragenden Rotor, einen den Rotor umgebenden Stator mit Statorwicklungen sowie eine Steuerschaltung aufweist, welche den Statorwicklungen einen zeitveränderlichen Strom zuführt, wobei die Steuerschaltung dazu ausgebildet ist, eine durch den Rotor in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung zu ermitteln, auf Basis der ermittelten Gegenspannung die Winkellage des Rotors zu bestimmen und in Abhängigkeit von der ermittelten Winkellage des Rotors die Statorwicklungen anzusteuern, und wobei der Rotor derart ausgebildet ist, dass die in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf aufweist.Therefore, according to the present invention, there is proposed a permanent magnet synchronous motor having a rotor supporting a plurality of permanent magnets, a stator having stator windings surrounding the rotor and a control circuit which supplies a time-varying current to the stator windings, the control circuit being configured to rotate one through the rotor To determine counter tension induced in the stator windings, to determine the angular position of the rotor based on the determined counter voltage and to control the stator windings in dependence on the determined angular position of the rotor, and wherein the rotor is designed such that the counter voltage induced in the stator windings substantially sinusoidal course has.
Die Art und Weise der Ausgestaltung des Rotors, durch die diese erfindungsgemäße Maßnahme erreicht wird, ist insbesondere Gegenstand der abhängigen Ansprüche. So wird das Ziel des im wesentlichen sinusförmigen Verlauf der Gegenspannung insbesondere dadurch erzielt, dass der Rotor eine verhältnismäßig starke magnetische Asymmetrie (Reluktanz) aufweist. Dies wird durch mehrere Maßnahmen erzielt, welche nachfolgend näher erläutert werden.The manner of the embodiment of the rotor, by means of which this measure according to the invention is achieved, is in particular subject of the dependent claims. Thus, the goal of the substantially sinusoidal course of the counter-voltage is achieved in particular by virtue of the fact that the rotor has a relatively strong magnetic asymmetry (reluctance). This is achieved by several measures, which are explained in more detail below.
So kann zunächst erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Permanentmagnete des Rotors nicht an dessen Außenumfang anliegen, sondern stattdessen innerhalb des Rotors angeordnet sind. Hierzu kann der Rotor in seinem Umfangsbereich sich in Axialrichtung erstreckende Ausnehmungen aufweisen, welche der Aufnahme der Permanentmagnete dienen. Die Ausnehmungen und damit die Permanentmagnete weisen hierbei vorzugsweise einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wobei jedoch besonders bevorzugt vorgesehen ist, dass an den Längsseiten der Permanentmagnete zusätzliche Aussparungen in den Ausnehmungen vorgesehen sind, welche bspw. halbkreisförmig ausgestaltet sind und der Reduzierung des magnetischen Streuflusses dienen. Die Aussparungen können ferner auch dazu dienen, Klebstoff oder eine andere Vergussmaße einzubringen, um die Magnete in einfacher Weise innerhalb des Rotors zu befestigen. Eine weitere Maßnahme, welche entscheidend zur Ausbildung der erforderlichen Reluktanz des Rotors dient, besteht darin, dass im Außenumfangsbereich des Rotors zwischen den Magneten befindliche Ausnehmungen vorgesehen sind. Hierdurch wird die asymmetrische Impedanzverteilung des Rotors weiter erhöht, was letztendlich zur Ausbildung der gewünschten sinusförmigen Spannung beiträgt. Weiterhin kann durch die Maßnahme der Wirkungsgrad des Rotors verbessert werden, da durch das Einbringen dieser Ausnehmungen nicht nutzbare Oberwellenmomente vermieden werden. Dies führt ferner auch zu einer Reduzierung der Geräuschemission sowie zur Reduzierung der Drehmomentenwelligkeit innerhalb einer einzelnen Umdrehung des Rotors.Thus, according to the invention, it may initially be provided that the permanent magnets of the rotor do not rest against its outer circumference, but instead are arranged inside the rotor. For this purpose, the rotor may have in its peripheral region axially extending recesses which serve to receive the permanent magnets. The recesses and thus the permanent magnets in this case preferably have a substantially rectangular cross-section, but it is particularly preferred that additional recesses are provided in the recesses on the longitudinal sides of the permanent magnets, which are for example. Semicircular and serve to reduce the magnetic leakage flux , The recesses may also serve to introduce adhesive or other potting dimensions to easily secure the magnets within the rotor. Another measure, which is crucial for the formation of the required reluctance of the rotor, is that in the outer peripheral region of the rotor located between the magnet recesses are provided. As a result, the asymmetrical impedance distribution of the rotor is further increased, which ultimately contributes to the formation of the desired sinusoidal voltage. Furthermore, the efficiency of the rotor can be improved by the measure, since not usable by the introduction of these recesses harmonic torques are avoided. This also leads to a reduction of the noise emission and to reduce the torque ripple within a single revolution of the rotor.
Der Rotor selbst besteht vorzugsweise aus einer Vielzahl von in Axialrichtung hintereinander angeordneten Blechen, welche insbesondere aus einem magnetflussleitenden Material bestehen. Diese Bleche können dann jeweils die zuvor angesprochenen Ausnehmungen zur Aufnahme der Permanentmagnete sowie die Ausnehmungen im Umfangsbereich aufweisen. Stirnseitig können allerdings Bleche eingesetzt werden, bei denen auf die Ausnehmungen für die Magneten verzichtet wurde, so dass letztendlich jeder Magnet vollständig von den Blechen eingeschlossen wird.The rotor itself preferably consists of a plurality of axially successively arranged sheets, which consist in particular of a magnetic flux conducting material. These sheets can then each have the previously mentioned recesses for receiving the permanent magnets and the recesses in the peripheral region. On the front side, however, sheets can be used in which the recesses for the magnets have been dispensed with, so that ultimately each magnet is completely enclosed by the sheets.
Eine zusätzliche Weiterbildung kann ferner darin bestehen, dass sich die Magnete in Axialrichtung lediglich über einen Teilbereich des Rotors erstrecken. Dies ermöglicht es, die magnetischen und elektrischen Eigenschaften des Rotors bedarfsgerecht an die Geometrie des Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator anzupassen. Letztendlich führt dies dazu, dass der nutzbare Drehzahlbereich des Motors erhöht wird und eine verbesserte Drehmomentausbeute bei hohen Drehzahlen erzielt werden kann.An additional development may also consist in that the magnets extend in the axial direction only over a portion of the rotor. This makes it possible to adapt the magnetic and electrical properties of the rotor as needed to the geometry of the air gap between the rotor and the stator. Ultimately, this leads to the fact that the usable speed range of the engine is increased and an improved torque output can be achieved at high speeds.
Die bisher angesprochenen Maßnahmen zur Verbesserung des sensorlosen Permanentmagneten-Synchronmotors betrafen primär die Ausgestaltung des Rotors. Allerdings können auch am Stator zusätzliche Maßnahmen vorgesehen sein, um den angestrebten sinusförmigen Verlauf der Gegenspannung zu fördern. Hierbei kann insbesondere zunächst vorgesehen sein, die Statorwicklungen auf eine Vielzahl von Statornuten zu verteilen. Idealerweise ist hierbei wiederum eine sinusförmige Induktivitätsverteilung der Pol Wicklungen vorgesehen, was zu einer weiteren Verbesserung des Zusammenspiels zwischen Stator und Rotor führt.The above-mentioned measures to improve the sensorless permanent magnet synchronous motor primarily concerned the design of the rotor. However, additional measures can be provided on the stator in order to promote the desired sinusoidal profile of the reverse voltage. In particular, it may initially be provided to distribute the stator windings to a multiplicity of stator slots. Ideally, this again provides a sinusoidal inductance distribution of the pole windings, which leads to a further improvement in the interaction between stator and rotor.
Eine weitere Maßnahme betrifft die Ausgestaltung der Statorwicklungen. Dabei ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, diese in Form von Etagenwicklungen zu realisieren, wobei dann die Wicklungen jeweils in vier Gruppen parallel geschaltet sind. Diese Mehrfachparallel-Schaltung erlaubt eine höhere Strombelastung, was insbesondere zu Vorteilen bei niedrigen Betriebsspannungen des Motors fuhrt.Another measure relates to the configuration of the stator windings. It is provided according to a particularly preferred embodiment, these in the form of To realize floor windings, in which case the windings are each connected in parallel in four groups. This multiple-parallel circuit allows a higher current load, which in particular leads to advantages at low operating voltages of the motor.
Letztendlich wird also ein Gesamtkonzept für einen sensorlosen Motor vorgeschlagen, der im Vergleich zu bislang realisierten Motoren deutliche Vorteil hinsichtlich seiner Betriebseigenschaften aufweist.Ultimately, therefore, an overall concept for a sensorless motor is proposed, which has significant advantages in terms of its operating characteristics compared to previously realized engines.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Permanent-1 schematically shows the structure of a permanent
Synchronmotors;Synchronous motor;
Fig. 2 die seitliche Ansicht eines bei dem erfindungsgemäßen Motors eingesetzten Permamentmagnet-Rotors;FIG. 2 shows the side view of a permanent magnet rotor used in the motor according to the invention; FIG.
Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Rotors gemäß dem Schnitt I-I in Fig. 2;3 is a sectional view of the rotor according to the section I-I in Fig. 2.
Fig. 4 die Ansicht II-II des Rotors in Fig. 2;Fig. 4 is the view II-II of the rotor in Fig. 2;
Fig. 5 eine Schnittdarstellung in Axialrichtung des Rotors gemäß einem erstenFig. 5 is a sectional view in the axial direction of the rotor according to a first
Ausfuhrungsbeispiel ;Exemplary embodiment;
Fig. 6 eine Schnittdarstellung des Rotors in Axialrichtung gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel;6 is a sectional view of the rotor in the axial direction according to a second exemplary embodiment;
Fig. 7a bis 7c Darstellungen unterschiedlicher Möglichkeiten zur Ausgestaltung der Statorwicklungen;FIGS. 7a to 7c show different possibilities for configuring the stator windings;
Fig. 8a die winkelabhängige Induktivität des Rotors;8a shows the angle-dependent inductance of the rotor;
Fig. 8b den sich bei dem erfindungsgemäßen Motor gebenden Verlauf der Gegenspannung undFIG. 8b shows the course of the countervoltage which results in the motor according to the invention and FIG
Fig. 9 den Verlauf der Gegenspannung bei einem Motor gemäß dem Stand der9 shows the course of the reverse voltage in an engine according to the prior
Technik. OTechnology. O
Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild eines allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehenen erfindungsgemäßen Permanentmagneten-Synchronmotors entspricht dem klassischen Aufbau eines derartigen Motortyps. Kernelement des Motors 1 ist zunächst ein Permanentmagnet-Rotor 10, der drehbar innerhalb eines Stators 30 angeordnet ist. Der Stator 30 trägt die Statorwicklungen, welche auf eine Vielzahl von Statornuten verteilt sind und durch die Zuführung entsprechender Ströme ein sich drehendes Magnetfeld bereitstellen. Dieses wiederum wirkt mit den innerhalb des Permanentmagnet-Motors 10 angeordneten Magneten derart zusammen, dass eine Drehung des Rotors 10 erfolgt.The block diagram of a permanent magnet synchronous motor according to the invention, generally indicated by the reference numeral 1, corresponds to the classical structure of such a motor type. Core element of the engine 1 is first a permanent magnet rotor 10 which is rotatably disposed within a stator 30. The stator 30 supports the stator windings which are distributed on a plurality of stator slots and provide a rotating magnetic field by supplying respective currents. This in turn cooperates with the magnet arranged inside the permanent magnet motor 10 in such a way that rotation of the rotor 10 takes place.
Die Ansteuerung der Statorwicklungen erfolgt durch eine Steuerschaltung bzw. einen Stromregler 5, der unter Berücksichtigung im zugeführter externer Signale, welche beispielsweise eine Solldrehzahl Usou für den Motor 1 oder ein gewünschtes Drehmoment vorgeben, eine ihm nachgeordnete Drehstrombrücke 6 ansteuert, welche entsprechend den Informationen des Stromreglers 5 einen zeitlich veränderlichen Statorstrom zur Verfügung stellt. Hierbei werden drei Statorwicklungen mit sinusförmigen Strömen versorgt, welche jeweils um 120° Phasen- versetzt sind. Durch den Einsatz sinusförmiger Ströme für die Statorwicklungen können dabei die Drehmomentenrippel während des Motorbetriebs vermieden werden, was zu einem ruhigeren Rotorlauf führt. Auf der anderen Seite muss die Ansteuerung derThe control of the stator windings is carried out by a control circuit or a current regulator 5, which, taking into account in the supplied external signals, which specify, for example, a target speed U so u for the engine 1 or a desired torque, a subordinate three-phase bridge 6, which according to the information of the current controller 5 provides a time-varying stator current. Here, three stator windings are supplied with sinusoidal currents, which are offset by 120 ° each phase. Through the use of sinusoidal currents for the stator windings while the torque ripple can be avoided during engine operation, resulting in a quieter rotor. On the other hand, the control of the
Statorwicklungen möglichst synchron zur Rotorstellung erfolgen, was durch den Stromregler 5 sichergestellt ist.Stator windings take place as synchronously as possible to the rotor position, which is ensured by the current regulator 5.
Im Gegensatz zu Lösungen, bei denen separate Sensoren zur Ermittlung der Rotorlage vorgesehen sind, ist hierbei ein sensorloser Betrieb vorgesehen. Dies bedeutet, dass keine zusätzlichen Sensoren als Bauteile eingesetzt werden, um die Rotorlage zu bestimmen. Stattdessen wird die Winkellage γ des Rotors 10 aus der in die Statorwicklungen induzierten Gegenspannung ermittelt, welche durch das sich drehende Magnetfeld des Permanentmagnet-Rotors 10 hervorgerufen wird. Durch Auswertung dieser induzierten Gegenspannung (Back EMF) kann also dieIn contrast to solutions in which separate sensors are provided for determining the rotor position, a sensorless operation is provided here. This means that no additional sensors are used as components to determine the rotor position. Instead, the angular position γ of the rotor 10 is determined from the counter-voltage induced in the stator windings, which is caused by the rotating magnetic field of the permanent magnet rotor 10. By evaluating this induced back voltage (Back EMF) so can the
Steuerschaltung 5 die Winkellage γ des Rotors 10 bestimmen und eine entsprechende Ansteuerung der Statorwicklungen vornehmen.Control circuit 5 determine the angular position γ of the rotor 10 and make a corresponding control of the stator windings.
Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Motors 1 besteht dabei darin, dass die durch den Rotor 10 induzierte Gegenspannung einen annähernd sinusförmigen Verlauf hat, was durch besondere Maßnahmen an dem Rotor 10 und dem Stator 30 bewirkt wird. Diese sollen nachfolgend näher erläutert werden, wobei zunächst die Ausgestaltung des Rotors näher besprochen und anschließend der Stator erläutert wird. Fig. 2 zeigt zunächst eine seitliche Ansicht des Rotors 10, der mittels einer nicht näher beschriebenen Achse 7 drehbar innerhalb des Stators 30 angeordnet ist. Der Rotor 10 besteht aus einem Paket von in Axialrichtung hintereinander angeordneten Blechen 11, deren Ausgestaltung der Darstellung in Fig. 3 entnommen werden kann. Jedes Blech 11 besitzt dabei eine kreisartige Form mit einer Durchgangsöffnung I Ia zur Durchführung der Rotorachse 7.The peculiarity of the motor 1 according to the invention consists in the fact that the counter-voltage induced by the rotor 10 has an approximately sinusoidal profile, which is brought about by special measures on the rotor 10 and the stator 30. These will be explained in more detail below, with first the design of the rotor discussed in more detail and then the stator is explained. Fig. 2 shows first a side view of the rotor 10, which is arranged rotatably within the stator 30 by means of an unspecified axis 7. The rotor 10 consists of a package of plates 11 arranged one behind the other in the axial direction, the configuration of which can be seen in the illustration in FIG. Each plate 11 has a circular shape with a passage opening I Ia for carrying the rotor axis. 7
Die grundsätzliche Ausgestaltung eines Rotors durch ein derartiges Blechpaket ist bereits hinlänglich bekannt. Eine erste Besonderheit besteht nunmehr allerdings darin, dass die Permanentmagnete 20 bzw. 21 nicht an der Außenseite des Rotors 10 angeordnet sondern stattdessen in diesem aufgenommen sind. Hierzu weisen die Bleche 11 im Umfangsbereich befindliche Ausnehmungen 13, 14 auf, welche zur Aufnahme der Magnete 20, 21 vorgesehen sind. Die Ausnehmungen 13, 14 und damit auch die Magnete 20, 21 weisen einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wodurch der Einsatz herkömmlicher, quaderförmiger Stabmagnete für die Permanentmagnete 20, 21 ermöglicht wird. Dies trägt zunächst zu einer kostengünstigeren Herstellung des Rotors 10 bei.The basic design of a rotor through such a laminated core is already well known. However, a first special feature consists in the fact that the permanent magnets 20 and 21 are not arranged on the outside of the rotor 10 but instead are accommodated in this. For this purpose, the sheets 11 located in the peripheral region recesses 13, 14, which are provided for receiving the magnets 20, 21. The recesses 13, 14 and thus also the magnets 20, 21 have a substantially rectangular cross section, whereby the use of conventional, cuboid bar magnets for the permanent magnets 20, 21 is made possible. This initially contributes to a more cost-effective production of the rotor 10.
Des Weiteren besteht allerdings ein besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung auch darin, dass durch die Anordnung der Magnete 20, 21 unterhalb der Oberfläche desFurthermore, however, a particular advantage of this embodiment is that the arrangement of the magnets 20, 21 below the surface of the
Rotors 10 die Ausbildung eines magnetischen Streuflusses, welcher den Motorbetrieb negativ beeinträchtigen könnte, reduziert wird. Hierzu trägt ferner auch bei, dass die Ausnehmungen 13, 14 zur Aufnahme der Magnete 20, 21 an ihren beiden Enden jeweils zusätzliche Aussparungen 13a, 14a aufweisen, welche gemäß der Darstellung vorzugsweise halbkreisförmig ausgebildet sind. Auch andere Formen für diese Aussparungen 13a, 14a, welche ebenfalls die Ausbildung des magnetischen Streuflusses reduzieren, wären möglich. Darüber hinaus bieten diese Aussparungen 13 a, 14a auch eine einfache Möglichkeit zur Befestigung der Magnete 20, 21, da in sie ein Klebstoff oder andere Vergussmassen eingebracht werden können, um die Magnete 20, 21 sicher innerhalb des Rotors 10 zu lagern. Eine Weitere Funktion dieserRotor 10, the formation of a magnetic leakage flux, which could adversely affect the engine operation is reduced. This also contributes to the fact that the recesses 13, 14 for receiving the magnets 20, 21 each have at their two ends additional recesses 13a, 14a, which are preferably formed semicircular as shown. Other shapes for these recesses 13a, 14a, which also reduce the formation of the magnetic stray flux, would be possible. In addition, these recesses 13 a, 14 a also provide a simple way of attaching the magnets 20, 21, since in them an adhesive or other potting compounds can be introduced to safely store the magnets 20, 21 within the rotor 10. Another feature of this
Aussparungen 13a, 14a kann auch darin bestehen, diese optional zur Ausbildung eines Anlaufkäfigs für den Motor 1 zu nutzen. Anzumerken ist ferner, dass anstelle der dargestellten vier Permanentmagnete die Anzahl dieser auch variiert werden kann.Recesses 13a, 14a may also be to use these optionally to form a starting cage for the engine 1. It should also be noted that instead of the illustrated four permanent magnets, the number of these can also be varied.
Um zusätzlich eine Sicherung der Magnete 20, 21 in Axialrichtung zu erhalten, sind ferner die beiden stirnseitigen Bleche 12, wie in Fig. 4 dargestellt, ohne diese Ausnehmungen 13, 14 ausgestaltet. Dementsprechend sind die Magnete 20, 21 allseitig von den Blechen 11 bzw. 12 umschlossen, so dass sie sicher innerhalb des Rotors 10 gehalten werden. Eine weitere Besonderheit des erfindungsgemäßen Rotors 10 besteht in Ausnehmungen 15, welche im Außenumfangsbereich der einzelnen Bleche 11 angeordnet sind, insbesondere im Bereich zwischen zwei benachbarten Magneten 20, 21. Diese Ausnehmungen 15 bewirken eine Trennung zwischen einzelnen Polschuhen 16 des Rotors 10 und haben zur Folge, dass der Rotor 10 eine starke magnetische Asymmetrie zwischen der Querinduktivität Lq und der Längsinduktivität Ld aufweist. Diese magnetische Asymmetrie bzw. Reluktanz des Rotors erlaubt letztendlich eine genaue Rotorlageermittlung ohne den Einsatz spezieller Sensoren. Dies kann der Darstellung in Fig. 8a entnommen werden, welche die Winkelabhängigkeit derIn order to additionally secure the magnets 20, 21 in the axial direction, the two end plates 12, as shown in FIG. 4, are also configured without these recesses 13, 14. Accordingly, the magnets 20, 21 are enclosed on all sides by the sheets 11 and 12, respectively, so that they are securely held within the rotor 10. Another special feature of the rotor 10 according to the invention consists in recesses 15, which are arranged in the outer peripheral region of the individual sheets 11, in particular in the region between two adjacent magnets 20, 21. These recesses 15 cause a separation between individual pole pieces 16 of the rotor 10 and have the consequence in that the rotor 10 has a strong magnetic asymmetry between the transverse inductance L q and the longitudinal inductance L d . This magnetic asymmetry or reluctance of the rotor ultimately allows accurate rotor position determination without the use of special sensors. This can be seen from the illustration in FIG. 8 a, which shows the angular dependence of
Induktivität des Rotors 10 zeigt. Erkennbar ist, dass diese eine sinusähnliche Form aufweist, was dann letztendlich auch zu der Generierung der angestrebten im wesentlichen sinusförmigen Gegenspannung beiträgt. Ferner kann der Darstellung in Fig. 8a entnommen werden, dass kleine Unterschiede in den aufeinander folgenden Maximal- bzw. Minimalwerten vorliegen, was auf Hystereseeffekte zurückzuführen ist und die Möglichkeit eröffnet, eindeutig zwischen Nord- und Südpol des Rotors 10 zu unterscheiden. Insbesondere bei der Drehzahl 0 und bei niedrigen Drehzahlen liefert dementsprechend diese ausgeprägte Kurvenform des Induktivitätsverlaufs ein für die Rotorlageerkennung eindeutig auswertbares Signal.Inductance of the rotor 10 shows. It can be seen that this has a sinusoidal shape, which then ultimately also contributes to the generation of the desired essentially sinusoidal countervoltage. Furthermore, it can be seen from the illustration in FIG. 8a that there are small differences in the successive maximum and minimum values, which is due to hysteresis effects and opens up the possibility of unambiguously distinguishing between the north and south poles of the rotor 10. Accordingly, in particular at the speed 0 and at low speeds, this pronounced curve shape of the inductance curve supplies a signal which can be evaluated unambiguously for the rotor position detection.
Anzumerken ist, dass die durch die Ausnehmungen 15 gebildeten Polschuhe 16 annähernd eine Kreissegmentform aufweisen, wobei allerdings das Zentrum der jeweiligen Kreisform nicht zwingend mit dem Zentrum des Rotors 10 zusammenfällt. Stattdessen besitzen die Polschuhe 16 eine etwas stärker Krümmung, was weiter zum Ausprägen der starken magnetischen Asymmetrie beiträgt.It should be noted that the pole shoes 16 formed by the recesses 15 have approximately a circular segment shape, although the center of the respective circular shape does not necessarily coincide with the center of the rotor 10. Instead, the pole shoes 16 have a slightly greater curvature, which further contributes to the expression of the strong magnetic asymmetry.
Die Permanentmagnete 20, 21 können sich gemäß der Darstellung in Fig. 5 über die gesamte Axiallänge des Rotors 10 erstrecken. Alternativ hierzu wäre es allerdings gemäß der Darstellung in Fig. 6 auch denkbar, dass sich die Magnete 20, 21 lediglich über einen mittleren Teilbereich erstrecken. Diese spezielle Ausgestaltung hat zurThe permanent magnets 20, 21 may extend over the entire axial length of the rotor 10 as shown in FIG. Alternatively, however, it would also be conceivable, as shown in FIG. 6, for the magnets 20, 21 to extend only over a central subregion. This special design has to
Folge, dass die Induktivität in d-Richtung weiter vergrößert wird, was von Vorteil ist, falls der Motor mit einem zusätzlichen feldbildenden Statorstrom gespeist werden soll. Durch die größere Induktivität in d-Richtung ergibt sich ein dementsprechend größerer Spannungsabfall, welcher die generatorisch erzeugte Spannung durch die Magnete 20, 21 kompensiert. Dies wiederum bedeutet, dass der Motor mit einer höheren Drehzahl betrieben werden kann, ohne dass die Stromrichterausgangsspannung erhöht werden muss. Es besteht dementsprechend die Möglichkeit, die Drehzahl des Motors über seine Bemessungsdrehzahl hinaus zu erhöhen, d.h. die Motorleistung bleibt bis zu einem von der Auslegung des Motors abhängigen Wert konstant bei gegebener Bemessungsleistung.Result that the inductance in the d-direction is further increased, which is advantageous if the motor with an additional field-forming stator current to be fed. Due to the larger inductance in the d-direction, a correspondingly greater voltage drop results, which compensates for the generator-generated voltage by the magnets 20, 21. This in turn means that the motor can be operated at a higher speed without having to increase the power converter output voltage. There is accordingly the possibility of increasing the speed of the motor beyond its rated speed, ie the engine power remains up to a value dependent on the design of the motor constant for a given rated power.
Die bisherigen Maßnahmen, welche zur Ausbildung der möglichst sinusförmigen Gegenspannung beitragen, beschränkten sich auf den Rotor 10. Nachfolgend sollen nun Maßnahmen an dem Stator 30 erläutert werden, welche ebenfalls den Zweck verfolgen, die sinusförmige Zusammenwirkung und damit eine verbesserte sensorlose Steuerung zu unterstützen.The previous measures, which contribute to the formation of the sinusoidal counter-voltage as possible, limited to the rotor 10. Subsequently measures will now be explained on the stator 30, which also pursue the purpose of supporting the sinusoidal interaction and thus an improved sensorless control.
Eine erste Maßnahme besteht hierbei in einer Verteilung der Statorwicklung auf mehrere Nuten bzw. Polzähne, was zu einem näherungsweise sinusförmigen Feldverlauf des durch die Statorwicklungen gebildeten Magnetfelds führt. Hierbei besteht die Möglichkeit, die Wicklung in Serie oder in zwei Gruppen parallel zu schalten, wie den Darstellungen in den Fig. 7a und 7b entnommen werden kann. Beide Figuren zeigen schematisch den Verlauf der drei Statorwicklungen in den zwischen den Zähnen 31 gebildeten Statornuten 32. Fig. 7a zeigt dabei eine Serienschaltung, während hingegen die Wicklungen bei dem Schema gemäß Fig. 7b in zwei Gruppen parallel geschaltet sind.A first measure consists in a distribution of the stator winding on a plurality of grooves or pole teeth, resulting in an approximately sinusoidal field profile of the magnetic field formed by the stator windings. In this case, it is possible to connect the winding in series or in two groups in parallel, as can be seen in the illustrations in FIGS. 7a and 7b. Both figures show schematically the course of the three stator windings in the stator slots 32 formed between the teeth 31. FIG. 7a shows a series connection, whereas the windings in the scheme according to FIG. 7b are connected in parallel in two groups.
Bei dem erfindungsgemäßen Motor besteht nunmehr die Möglichkeit, die Wicklungen in Serie oder zwei Gruppen parallel zu schalten. Darüber hinaus besteht eine besonders bevorzugte und in Fig. 7c dargestellte Variante darin, die Wicklungen in vier Gruppen parallel zu schalten. Das sich hierbei ergebende Wicklungsschema hat zur Folge, dass sich die Windungszahl pro Nut vervielfacht. Dies wiederum hat zur Folge, dass die Wicklungen auch für sehr kleine Spannungen - beispielsweise bei einem Batteriebetrieb - genau ausgeführt werden können.In the motor according to the invention, it is now possible to connect the windings in series or in two groups in parallel. Moreover, a particularly preferred variant shown in FIG. 7c is to switch the windings in four groups in parallel. The resulting winding scheme has the consequence that the number of turns per groove multiplied. This in turn means that the windings can also be designed precisely for very small voltages-for example, during battery operation.
In vorteilhafter Weise erfolgt die Anordnung der Wicklungen ferner in Etagen, was zur Folge hat, dass sich gegenüber herkömmlichen Anordnungen in zwei Etagen eine kleinere mittlere Wicklungslänge durch kürzere Stirnverbindungen ergibt. Hierdurch verringert sich der Kupferbedarf für die gesamten Statorwicklungen, was wiederum zu einer kostengünstigen Realisierung des erfindungsgemäßen Motors beiträgt.Advantageously, the arrangement of the windings is further carried out in floors, with the result that results over conventional arrangements in two floors, a smaller average winding length by shorter end connections. This reduces the copper requirement for the entire stator windings, which in turn contributes to a cost-effective implementation of the motor according to the invention.
Die Wicklungsstränge werden vorzugsweise in einer Dreiecksschaltung verschaltet. Diese Anordnung ist an sich problematisch, da sie bislang zu verhältnismäßig hohen Verlusten führte. Da gemäß der vorliegenden Erfindung das Grundfeld allerdings möglichst sinusförmig ausgestaltet ist, tritt keine dritte Oberwelle in der Spannung auf, was zur Folge hat, dass zusätzliche Verluste, welche durch zusätzliche Kreisströme hervorgerufen werden könnten, vermieden werden. Die Bemessungsleistung des Motor muss dementsprechend nicht reduziert werden, was zur Folge hat, dass der Wirkungsgrad des Motors deutlich größer ist als bei einem herkömmlichen Motor, in dem sich Kreisströme ausbilden können.The winding strands are preferably connected in a triangular circuit. This arrangement is problematic in itself, since it led to relatively high losses so far. However, according to the present invention, since the basic field is designed to be as sinusoidal as possible, no third harmonic occurs in the voltage, with the result that additional losses, which could be caused by additional circulating currents, are avoided. The rated power of the engine does not have to be reduced accordingly, with the result that the efficiency of the engine is significantly greater than in a conventional motor in which circular currents can form.
Letztendlich fuhrt also die gesamte Ausgestaltung des Motors in der erfindungsgemäßen Weise dazu, dass - wie in Fig. 8b dargestellt - die durch den sich drehenden Rotor in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung einen annähernd sinusförmigen Verlauf hat. Dies ermöglicht im Vergleich zu dem Verlauf der Gegenspannung gemäß dem Stand der Technik von Fig. 9 eine bei jeder Drehzahl und Stellung des Rotors deutlich präzisere Ermittlung der Rotorwinkellage und dementsprechend eine genauere und effektivere Ansteuerung des Motors.Ultimately, therefore, the entire configuration of the motor in the manner according to the invention leads to the fact that-as shown in FIG. 8b-the countervoltage induced in the stator windings by the rotating rotor has an approximately sinusoidal profile. This allows compared to the course of the counter-tension according to the prior art of Fig. 9 at each speed and position of the rotor much more precise determination of the rotor angle position and, accordingly, a more accurate and effective control of the motor.
Durch die vorliegende Erfindung wird also ein Gesamtkonzept für einen Permanentmagnet-Synchronmotor zur Verfügung gestellt, der aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften und seinem optimierten Wirkungsgrad vielfältig eingesetzt werden kann. Die hierbei vorgesehenen Maßnahmen können dabei kostengünstig realisiert werden, was einen weiteren Vorteil der Erfindung darstellt. By the present invention, therefore, an overall concept for a permanent magnet synchronous motor is provided, which can be used in many ways due to its excellent properties and its optimized efficiency. The measures provided in this case can be realized inexpensively, which represents a further advantage of the invention.

Claims

Ansprüche claims
1. Permanentmagnet-Synchronmotor (1), aufweisend1. permanent magnet synchronous motor (1), comprising
• einen mehrere Permanentmagnete (20, 21) tragenden Rotor (10),A rotor (10) carrying a plurality of permanent magnets (20, 21),
• einen den Rotor (10) umgebenden Stator (30) mit Statorwicklungen, sowie• a rotor (10) surrounding the stator (30) with stator windings, as well
• eine Steuerschaltung (5), welche den Statorwicklungen einen zeitveränderlichen Strom zuführt, wobei die Steuerschaltung (5) dazu ausgebildet ist, eine durch den Rotor (10) in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung zu ermitteln, auf Basis der ermittelten Gegenspannung die Winkellage (γ) des Rotors (10) zu bestimmen und in Abhängigkeit von der ermittelten Winkellage (γ) des Rotors (10) die Statorwicklungen anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) derart ausgebildet ist, dass die in die Statorwicklungen induzierte Gegenspannung einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf aufweist.A control circuit (5) which supplies a time-variable current to the stator windings, wherein the control circuit (5) is designed to determine a countervoltage induced in the stator windings by the rotor (10) based on the determined back voltage the angular position (γ) of the rotor (10) and to control the stator windings as a function of the determined angular position (γ) of the rotor (10), characterized in that the rotor (10) is designed such that the countervoltage induced in the stator windings is substantially sinusoidal History has.
2. Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (20, 21) innerhalb des Rotors (10) angeordnet sind.2. permanent magnet synchronous motor according to claim 1, characterized in that the permanent magnets (20, 21) within the rotor (10) are arranged.
3. Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) im Umfangsbereich sich in Axialrichtung erstreckende Ausnehmungen (13, 14) aufweist, in denen die Permanentmagnete (20, 21) angeordnet sind.3. permanent magnet synchronous motor according to claim 2, characterized in that the rotor (10) in the peripheral region in the axial direction extending recesses (13, 14), in which the permanent magnets (20, 21) are arranged.
4. Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (20, 21) einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen bzw. quaderförmig sind.4. permanent magnet synchronous motor according to claim 3, characterized in that the permanent magnets (20, 21) have a substantially rectangular cross section and are cuboidal.
5. Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (13, 14) zur Aufnahme der Permanentmagnete (20, 21) an den Längsseiten der Permanentmagnete (20, 21) Aussparungen (I Ia, 12a) aufweisen.5. permanent magnet synchronous motor according to claim 4, characterized in that the recesses (13, 14) for receiving the permanent magnets (20, 21) on the longitudinal sides of the permanent magnets (20, 21) recesses (I Ia, 12a).
6. Permanentmagnet- Synchronmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (13a, 14a) halbkreisförmig sind.6. permanent magnet synchronous motor according to claim 5, characterized in that the recesses (13a, 14a) are semicircular.
7. Permanentmagnet-Synchronmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) im Außenumfangsbereich zwischen den Magneten (20, 21) befindliche Ausnehmungen (15) aufweist.7. permanent magnet synchronous motor according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor (10) in the outer peripheral region between the magnets (20, 21) located recesses (15).
8. Permanentmagnet-Synchronmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (20, 21) sich in Axialrichtungen gesehen lediglich über einen Teilbereich des Rotors (10) erstrecken.8. permanent magnet synchronous motor according to one of the preceding claims, characterized in that the permanent magnets (20, 21) seen in axial directions only over a portion of the rotor (10) extend.
9. Permanentmagnet-Synchronmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) aus einer Vielzahl von in Axialrichtung hintereinander angeordneten Blechen (11) besteht.9. permanent magnet synchronous motor according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor (10) consists of a plurality of axially successively arranged sheets (11).
10. Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleche (11) aus einem magnetfluß-leitenden Material bestehen.10. permanent magnet synchronous motor according to claim 9, characterized in that the sheets (11) consist of a magnetic flux-conducting material.
1 1. Permanentmagnet-Synchronmotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklungen auf eine Vielzahl von Statornuten (32) verteilt sind.1 1. Permanent magnet synchronous motor according to one of the preceding claims, characterized in that the stator windings are distributed over a plurality of stator slots (32).
12. Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklungen zu Vierer-Gruppen parallel geschaltet sind. 12. permanent magnet synchronous motor according to claim 11, characterized in that the stator windings are connected in parallel to four-groups.
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