WO2008031726A1 - Permanent-magnet synchronous machine - Google Patents

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WO2008031726A1
WO2008031726A1 PCT/EP2007/059049 EP2007059049W WO2008031726A1 WO 2008031726 A1 WO2008031726 A1 WO 2008031726A1 EP 2007059049 W EP2007059049 W EP 2007059049W WO 2008031726 A1 WO2008031726 A1 WO 2008031726A1
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WO
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pole
magnetic poles
synchronous machine
rotor
magnet synchronous
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/059049
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ralf Kruse
Original Assignee
Continental Automotive Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Gmbh filed Critical Continental Automotive Gmbh
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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
    • H02K1/278Surface mounted magnets; Inset magnets
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/03Motors 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 having a stator winding for generating a stator field having stator which surrounds a magnetic pole in the form of permanent magnets having rotor forming an air gap. It further relates to a hybrid vehicle with such a synchronous machine.
  • Such a synchronous machine with a stator-side, usually three-stranded and fed with a three-phase sinusoidal AC or three-phase stator or rotating field winding has a designated as a pole windingless rotor, which is provided with permanent or permanent magnets.
  • pole windingless rotor which is provided with permanent or permanent magnets.
  • the total number of magnetic poles indicates the number of poles (2p), with adjacent north and south poles forming so-called pole pairs (pole pair number p).
  • the permanent-magnet synchronous machine offers a high volume-related torque and can incorporate the speed with a high power density, which ultimately ensures a high degree of utilization.
  • permanently excited synchronous machines tend to relatively high unwanted torque ripples and in the de-energized state to undesirable cogging torques.
  • These latching or cogging torques occurring due to reluctance fluctuations can lead to undesirably high torque fluctuations and corresponding speed fluctuations when the rotor is practically aligned with the stator teeth during operation.
  • Also disadvantageous are the electromagnetically excited noises.
  • the torque ripple in an inverter-fed synchronous machine also causes power fluctuations on the DC side (DC side).
  • DC side DC side
  • such power fluctuations can significantly reduce the life of the high-performance battery of the vehicle.
  • the invention has for its object to provide a permanent-magnet synchronous machine, in which avoiding said interference effects in the form of, in particular, torque ripples, cogging torques, power fluctuations and / or electromagnetically excited noises enables an improved operating behavior.
  • a permanent magnet synchronous machine having a stator winding for generating a stator field having stator which surrounds a rotor to form an air gap.
  • On or on the rotor axis radially spaced rotor surface one of the number of poles of the synchronous machine corresponding number of magnetic poles in the circumferential direction to form alternating north and south poles are arranged.
  • the magnetic poles or their arrangement on the rotor surface have mutually opposite pole edges in the direction of the rotor axis, the distance of which defines an axial pole width. This axial pole width of the magnetic poles varies in the circumferential direction.
  • the axially-mediated rotor field is trapezoidal or preferably at least approximately sinusoidal when the arrangement of the magnetic poles in a planar rotor surface is unwound.
  • the invention is based on the consideration that an improved operating behavior of a permanent-magnet synchronous machine can be achieved if the mentioned parasitic effects can be reduced or avoided without any time delay. like other effects that negatively influence the operating behavior, in particular so-called axial tensile forces.
  • the disturbing effects are recognized to be caused or influenced by the geometric shape and / or the arrangement of the magnetic poles on or on the rotor surface.
  • the pole covering degree of the rotor by means of a suitable design of the pole covering degree of the rotor, individual disturbing effects can be deliberately suppressed. Under the Polabdeckungsgrad this is understood as the percentage of the covered by the magnetic poles rotor surface.
  • a pole coverage of the rotor surface with the magnetic poles of 80% leads to complete suppression of the fifth harmonic of the rotor field, while a pole coverage of 85.7% completely suppresses the seventh harmonic of the rotor field.
  • the corresponding harmonics therefore do not appear in the rotor field and therefore can not cause any disturbances or disturbing effects.
  • pole coverage of more than 85% does not lead to any substantial increase in the sinusoidal fundamental wave of the rotor field and thus of the actual useful field.
  • poly cladding levels less than 100% may be beneficial for economic reasons.
  • comparatively low Polabdeckungs grade lower the fundamental wave of the rotor field to an increased extent, resulting in a reduction in the utilization of the synchronous machine. Therefore, in order to influence the unwanted spurious effects, pole coverages in the range of 60% to 100%, preferably 60% to 95%, are particularly useful. It has also been found that a deliberate deviation of the geometry of the magnetic poles arranged on the rotor surface from the rectangular shape can already lead to a reduction or avoidance of at least individual disturbing effects.
  • the axial averaging refers to the axial width of the magnetic poles extending in the direction of the rotor axis between their mutually opposite pole edges along the rotor axis.
  • the stator preferably has a single-tooth winding, in particular in hybrid vehicle applications.
  • each coil of a winding strand of the stator winding encloses only a single stator tooth in the single-tooth winding.
  • the arrangement of the magnetic poles and / or each magnetic pole on the rotor surface ie. H. at its unwinding in a flat rotor or rotor surface, at least one axially or circumferentially aligned symmetry axis or symmetry.
  • About the circumference of the runner, d. H. in the angular dimension between 0 ° and 360 ° or in the radian measure between 0 and 2 ⁇ then takes place corresponding to the pole pair number periodic recurrence of changing in the circumferential direction of the rotor axial width of the magnetic poles.
  • the or each magnetic pole has an axis symmetry to an axially, in particular centrally between the Polr skilledn extending in the circumferential direction Mirror axis on.
  • Such an axisymmetric geometry for example, show hexagonal and arrow-shaped magnetic poles or such arrangements of magnetic poles whose geometry corresponds to the enveloped surface shapes of two opposing sinusoidal boundary lines.
  • This as well as said hexagonal geometry of the magnetic poles additionally shows an axial axis symmetry to a mirror axis running along the axial center line of the respective magnetic pole.
  • Such an axial axial symmetry in turn show trapezoidal magnetic poles, which are distributed, for example comb-like offset from one another on the rotor surface.
  • two adjacent magnetic poles to each other show an axis symmetry. This is again the case, for example, in the case of hexagonal magnetic poles, which form a cross slope in the overall arrangement in the region of the respective mirror axis between adjacent magnetic poles.
  • the varying in the circumferential direction of the rotor axial width of the magnetic poles includes in particular such geometries of
  • Magnetic poles in which the axial width decreases towards the one pole edge, towards the opposite other pole edge or else, starting from a borderline between the pole edges, for example in the center, towards both pole edges.
  • (2p 4) permanent magnet synchronous machine with three-phase stator winding (single-tooth winding) and with a rotor with Magnetpole forming surface magnet, schematically the unwound in a plane rotor surface of the rotor of the synchronous machine according to FIG 1 with the formation of a chamfer gaplessly arranged trapezoidal magnetic poles
  • 3 shows a further variant of hexagonal magnetic poles according to FIG. 3, another variant of a trapezoidal pole arrangement according to FIG.
  • FIG 3 with fitted magnetic poles, in a representation according to FIG Arrangement with mutually rotated by 180 ° parallelogrammför- magnetic poles, in an induction radian diagram a trapezoidal course of the axially averaged rotor field of the arrangements of the magnetic poles according to FIG 2 to 7, in a representation acc ß 2 shows a lückenbehaf- ended array of trapezium-shaped magnetic poles, in a representation according to FIG 9 shows an arrangement of the magnetic poles with continuous afflicted Kirschrägung, in a representation according to FIG 9 shows an arrangement of
  • FIG. 8 Magnetic poles with gap-prone angled arrows, in an induction radian diagram according to FIG 8, the course of the rotor field of the arrangements of the magnetic poles according to FIG 9 to 11, FIG. 13 in a representation according to FIG. 2 sinusoidally rounded magnetic poles in a gap-covered sine pole arrangement, FIG.
  • FIG. 8 shows a gap-shaped, sinusoidal profile of the axially averaged rotor field of the arrangements of the magnetic poles according to FIG. 13, FIG. 15 in an illustration according to FIG.
  • FIG. 17 shows a variant of a gapless sine pole arrangement according to FIG. 16
  • FIG. 18 shows a further variant of a gapless sine pole arrangement according to FIG. 16
  • FIG. 17 shows a variant of a gapless sine pole arrangement according to FIG. 16
  • FIG. 18 shows a further variant of a gapless sine pole arrangement according to FIG. 16
  • the permanent magnet synchronous machine 1 shown schematically in cross-section in FIG. 1 has a stator 2 which, forming an air gap 3, has a rotor 4 with a rotor axis 4a extending axially and thus in the z-direction according to the illustrated coordinate system Magnet or rotor surface 4b radially spaced surrounds.
  • the stator has six stator teeth 2 a and 6 stator slots 2 b into which individual teeth are wound.
  • a three-phase rotating field winding with a corresponding assignment of the stator teeth 2a to the three star-connected winding strands U, V and W of the rotating field or stator winding is inserted.
  • plus sign (+ U, + V, + W) means a (positive) current flowing out of the image or drawing plane
  • a minus sign (-U, -V, -W) means a current flowing into the image or drawing plane
  • the rotor 4 is equipped with hereinafter referred to as surface magnets permanent or permanent magnet 5. These form magnetic poles which face the air gap 3 alternately with their north pole N or with their south pole S in the circumferential direction U of the rotor 4. In the exemplary embodiments, four magnetic poles in the form of two south magnetic poles S and two north magnetic poles N are arranged on or on the rotor surface 4b.
  • Each magnetic pole N, S may be in the form of a single magnet (single magnet). Such individual magnets, which each span a section or a portion of the rotor circumference, are also referred to as shell magnets. Alternatively, each magnetic pole N, S may be composed of many small magnetic plates arranged side by side on the rotor surface 4b.
  • Combinations of rectangular (rectangular) and triangular (triangular) magnetic plates are particularly suitable for the magnetic poles N, S according to the invention.
  • rare-earth magnetic materials are preferably used.
  • magnetic plates are preferable to the shell magnets.
  • the permanent magnets 5 generate in the air gap 3 a rotor or rotor rotating field, also referred to as a field of excitation.
  • the stator winding U, V, W When supplied with a three-phase sinusoidal alternating current, the stator winding U, V, W generates a circulating in the air gap 3 between the stator 2 and the rotor 4 magnetic field (stator or stator rotating field) with the number of poles of the rotor field corresponding number of poles (2p).
  • This stator field also consists of alternating magnetic north poles N and south poles S, which rotate along the air gap 3.
  • the number of poles (2p), which can be virtually arbitrary in the synchronous machine 1 according to the invention, is in the FIGS 1 to 19 2p 4.
  • the runner or rotor rotating field generated by the rotor 4 has at the time considered on the machine upper side and on the machine underside of the synchronous machine 1 rotor south poles S, which are in accordance with the coordinate system shown in Figure 1 in the y direction opposite each other.
  • rotor north poles N are then obtained, which face each other in the x-direction.
  • FIGS. 2 to 7 show the rotor surface 4b, which is developed in a plane, with magnetic poles N, S whose geometric configuration is angular, and whose arrangement on the rotor surface 4b is continuous with respect to the axially averaged rotor field.
  • an axially averaged, trapezoidal rotor or air gap field L B is generated along the circumference U of the rotor 4 according to the diagram illustrated in FIG , on the abscissa of the circumference U of the rotor 4 in radians and at its ordinate the induction B are removed.
  • the rotor field L B shows a trapezoidal, harmonic low field gradient.
  • the axial width b of the magnetic poles N, S varies or changes in the circumferential direction U of the rotor 4.
  • the magnetic poles N, S and / or their arrangement on the rotor surface 4b at least one axis symmetry.
  • the pole coverage degree designated ⁇ is 100%.
  • Spaced pole edges 7, 8 of the magnetic poles N, S define or define the axial width b of the pole dimension N, S extending in the z-direction.
  • Mutually facing pole edges k of adjacent magnetic poles N, S run between the pole edges 7, 8 in the same direction obliquely, by adjacent trapezoidal magnetic poles N, S against each other by 180 ° twisted arranged on the rotor surface 4b and / or held.
  • Figures 3 to 5 show embodiments with hexagonal geometry of the magnetic poles N, S.
  • 94% in the present embodiment.
  • the transition regions 9 between adjacent magnetic poles N, S therefore, there remains a magnet-free region of the otherwise sheet-like packet-like material of the rotor 4.
  • each individual magnetic pole N, S shows axis symmetry with respect to a mirror axis A extending centrally in the z-direction
  • the overall arrangement of the magnetic poles N, S also shows an axial symmetry in the cross-skew according to FIG. Extending direction mirror axis A ⁇ .
  • All formed by the hexagonal geometry Polecken e of the magnetic poles N, S are on this common mirror axis A ⁇ .
  • the Polabdeckungsgrad ⁇ in turn, for example, 94%.
  • the pole corners e are not offset exactly in the middle between the two pole edges 7, 8, but towards the bottom edge 8.
  • An offset of the pole corners e can also be provided towards the upper pole edge 7.
  • Each individual magnetic pole N, S again shows an axis symmetry to the mirror axis A running in the z-direction.
  • all magnetic poles N, S show an axis symmetry with respect to the pole-specific mirror axis A running in the z-direction.
  • the pole corners e of the magnetic poles forming the south poles S are offset here towards the upper pole edge 7, while the pole corners e are the north poles N forming magnetic poles are offset to the lower pole edge 8 out.
  • the Polabdeckungsgrad ⁇ is again 94% in this embodiment.
  • a further axis symmetry is given, in which the magnetic poles N, S is also given to a mirror axis A ⁇ extending in the boundary region between adjacent magnetic poles N, S in the z direction.
  • the pole coverage ⁇ is 94%.
  • FIG 7 the magnetic poles used N, S in turn angular.
  • the geometric shape in this embodiment corresponds to that of a parallelogram.
  • the north poles N and the south poles S forming magnetic poles with respect to the inclination of the pole edges k are each the same direction, but in the overall arrangement between adjacent magnetic poles N, S rotated by 180 ° and thus in opposite directions on the rotor surface 4b arranged.
  • the Polabdeckungsgrad ⁇ in turn, for example, 94%.
  • each of the axis symmetries shown in the embodiments of FIGS 2 to 7 ensures the avoidance of axial tensile forces, while each of the illustrated geometric configurations of the individual magnetic poles N, S due to their varying in the circumferential direction U axial width b of the rotor 4 unwanted disturbing effect, such as Drehmomentwellenigkei - Tent, cogging, power fluctuations and / or electrically excited noise avoids or at least reduced, which leads to an overall improved performance with high utilization of the synchronous machine 1.
  • the trapezoidal magnetic poles N, S are arranged on the rotor surface 4b in gap-like alternating bevel.
  • this embodiment otherwise corresponds to that according to FIG.
  • FIG 10 corresponds with respect to the hexagonal geometry of the magnetic poles N, S and the axis symmetry along the axial mirror axis A and extending in the circumferential direction U central mirror axis A 'of the embodiment of FIG 3.
  • this is a gap-prone cross bevel , which leads to a Polabdeckungsgrad ⁇ , for example, also 85%.
  • the magnet-free transition regions 9 are comparatively large in this embodiment compared to that of FIG. Axis symmetries are shown in this embodiment along the mirror axes A, A 'and A''.
  • FIG. 11 represents a so-called oblique arrow.
  • this arrow bevel is again filled with gaps, wherein the pole cover degree ⁇ in this embodiment is again 85%.
  • the arrow bevel shows an axis symmetry which runs in the circumferential direction U of the rotor 4 and thereby along the axial pole width b centrally between the pole edges 7,8 of the magnetic poles N, S.
  • the course of the rotor field L B common to the embodiments according to FIGS. 9 to 11 is shown in the diagram shown in FIG. 12, on whose abscissa the circumference U of the rotor 4 in radians and at its ordinate the induction B are plotted.
  • the axially averaged rotor field L B again shows a trapezoidal field profile.
  • the field profile of the rotor field L B according to FIG 12 shows in the zero crossings at ⁇ / 4, 3 / 4 ⁇ and 5 / 4 ⁇ each a slight offset of the trapezoidal half-waves.
  • the reason for this disturbance of the rotor field L B are the magnet-free gaps or transition regions 9 between adjacent magnetic poles N, S.
  • the advantage of these embodiments is the comparatively low demand for magnetic material of the individual Magnetic poles N, S due to the relatively low Polabdeckungsgrades ⁇ .
  • FIGS. 2 to 7 and FIGS. 9 to 11 show geometries or arrangements of the magnetic poles N, S respectively of a trapezoidal pole arrangement which result at least in part from specific or targeted combinations or subcombinations of other arrangements shown, whereby further geometries and / or Trapeze pole arrangements are conceivable.
  • FIGS. 13 and 15 to 18 show rounded or rounded geometries of the magnetic poles N, S, which in their arrangement on the rotor surface 4b leads to a sinusoidal field profile of the rotor field L B according to FIGS. 14 and 19.
  • the circumference U of the rotor 4 is again plotted in radians against the axially averaged induction B (rotor field L B ).
  • the magnetic poles N, S itself a si- Nus-shaped geometry with each magnetic pole N, S having the geometry of a sine half-wave corresponds to the geometry of the magnetic poles N, S in the sine-pole arrangement representing embodiments of FIGS 13 and 16 of the enclosed by two opposing sine waves surface geometries.
  • FIGS. 13 and 16 differ by a gap-like or gapless arrangement of the magnetic poles N, S on the rotor surface 4b.
  • the embodiment according to FIG. 17 differs from that according to FIG. 16 in that the sine waves or sinusoidal waves enveloping the magnetic poles N, S are slightly distorted and / or offset from one another.
  • each magnetic pole N, S is formed by two individual magnets each having the same pole orientation, the geometric shape of the magnetic poles N, S being at the vertex of a sine half-cycle or one
  • each individual magnetic pole N, S has an axis symmetry along a mirror axis A extending axially in the z-direction.
  • a further axis symmetry exists along a mirror axis A ", which in turn extends axially in the z-direction between adjacent magnetic poles N, S.
  • the pole edges k of the magnetic poles N, S are partially or at least approximately completely matched to the sinusoidal shape.
  • the course of the pole edges k deviates slightly from the sinusoidal shape.
  • the edge course of the pole edges k of the embodiments according to FIGS. 13 and 18 is semicircular or quarter-circle-shaped.
  • FIGS. 16 and 17 show an axis symmetry with respect to the previously defined mirror axis A ".
  • the embodiment according to FIG. 16 also shows, like the embodiment according to FIG. 13, an axis symmetry to the previously defined mirror axis A '.
  • the Polabdeckungsgrad analogous to the embodiment of FIG 2 ⁇ 100%
  • the Polabdeckungsgrad ⁇ in the embodiments of Figures 13 and 16 to 18 again analogous to the embodiments of Figures 3 to 7 and 9 to 11 less than 100%.
  • the Polabdeckungsgrad ⁇ in the embodiment of FIG 16 even only 63.7%.
  • the pole cover degree ⁇ is even smaller than 63.7% due to the gapy sine pole arrangement shown there.
  • the comparatively low pole coverage ⁇ of the embodiments shown in FIGS. 13 and 16 to 18 leads to a again comparatively low requirement of material for the magnetic poles N, S.
  • the advantage of the sine-pole arrangements according to FIGS. 13 and 15 to 18 is that, by means of a corresponding geometric configuration of the magnetic poles N, S and their arrangement on the rotor surface 4b, an at least approximately exactly sinusoidal axially averaged rotor field L B or a sinusoidal axially averaged induction B is reached or generated.
  • the axial width b of the magnetic poles N, S in the circumferential direction U of the rotor 4 also varies or changes in these sinusoidal pole arrangements according to the embodiments according to FIGS. 13 and 15 to 18.
  • the magnetic poles N, S and / or their arrangement on the rotor surface 4b at least one axis symmetry.
  • FIGS. 13 and 15 to 18 represent geometries or arrangements of the magnetic poles N, S in special sine or meander pole arrangements, which may result at least in part from specific or targeted combinations or subcombinations of other arrangements shown also other geometries or sine-pole arrangements are conceivable.

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Abstract

In a permanent-magnet synchronous machine (1) with a stator (2), which has a stator winding (U, V, W) and surrounds a rotor (4) with a rotor surface (4b), which is spaced radially apart from a rotor axis (4a), so as to form an air gap (3), on which rotor surface a number of magnet poles (N, S) which corresponds to the number of poles (2p) are arranged in a circumferential direction (U) with an axial pole width (b) which is delimited by two opposing pole edges (7, 8), the axial pole width (b) of the magnet poles (N, S) varies in the circumferential direction (U).

Description

Beschreibungdescription
Permanenterregte SynchronmaschinePermanent magnet synchronous machine
Die Erfindung bezieht sich auf eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem eine Ständerwicklung zur Erzeugung eines Ständerfeldes aufweisenden Ständer, der unter Bildung eines Luftspaltes einen Magnetpole in Form von Dauermagnete aufweisenden Läufer umgibt. Sie bezieht sich weiter auf ein Hybrid-Fahrzeug mit einer solchen Synchronmaschine.The invention relates to a permanent magnet synchronous machine having a stator winding for generating a stator field having stator which surrounds a magnetic pole in the form of permanent magnets having rotor forming an air gap. It further relates to a hybrid vehicle with such a synchronous machine.
Eine derartige Synchronmaschine mit einer ständerseitigen, üblicherweise dreisträngigen und mit einem dreiphasigen sinusförmigen Wechselstrom oder Drehstrom gespeisten Ständer- oder Drehfeldwicklung weist einen auch als Polrad bezeichneten wicklungslosen Läufer auf, der mit Permanent- oder Dauermagneten versehen ist. Diese bilden alternierende Magnetpole, d. h. die zum Luftspalt zwischen dem Ständer und dem Läufer hin gerichteten Nord- und Südpole der Magnetpole wechseln sich entlang des Laufer-Umfangs ab. Die Gesamtzahl aller Magnetpole gibt dabei die Polzahl (2p) an, wobei benachbarte Nord- und Südpole so genannte Polpaare (Polpaarzahl p) bilden .Such a synchronous machine with a stator-side, usually three-stranded and fed with a three-phase sinusoidal AC or three-phase stator or rotating field winding has a designated as a pole windingless rotor, which is provided with permanent or permanent magnets. These form alternating magnetic poles, i. H. the north and south poles of the magnetic poles directed towards the air gap between the stator and the rotor alternate along the circumference of the rotor. The total number of magnetic poles indicates the number of poles (2p), with adjacent north and south poles forming so-called pole pairs (pole pair number p).
Unabhängig von einer speziellen Anordnung der Dauermagnete erzeugen diese im Luftspalt ein auch als Erregerfeld bezeichnetes Läufer- oder Läuferdrehfeld. Die dreisträngige, gespeiste Ständerwicklung erzeugt im Luftspalt ein rotierendes magnetisches Ständer- oder Ständerdrehfeld mit der der PoI- zahl des Läuferfeldes entsprechenden Polzahl. In Folge der Wechselwirkung zwischen dem Läuferfeld und dem Ständerfeld entsteht ein Drehmoment der Synchronmaschine. Im stationären Betrieb rotiert die Synchronmaschine mit synchroner Drehzahl, indem sich der Läufer mit einer der Drehzahl des Ständerfeldes entsprechenden Drehzahl dreht. Je nach Winkellage des Läufers relativ zum Ständerfeld ist dieses Drehmoment positiv - und wirkt demnach beschleunigend - oder negativ und daher bremsend. Die Winkellage des Läufers ist daher maßgebend für einen motorischen oder einen generatorischen Betrieb der Synchronmaschine.Independently of a special arrangement of the permanent magnets, these generate in the air gap a so-called rotor field or rotor rotating field. The three-phase, powered stator winding generates a rotating magnetic stator or stator rotating field in the air gap with the number of poles corresponding to the number of poles of the rotor field. As a result of the interaction between the rotor field and the stator field creates a torque of the synchronous machine. In stationary operation, the synchronous machine rotates at synchronous speed by the rotor rotates at a speed corresponding to the speed of the stator field speed. Depending on the angular position of the rotor relative to the stator field this torque is positive - and thus accelerates - or negative and therefore braking. The angular position of the rotor is therefore decisive for a motor or a generator operation of the synchronous machine.
Die permanenterregte Synchronmaschine bietet ein hohes volumenbezogenes Drehmoment und kann unter Einbeziehung der Drehzahl über eine hohe Leistungsdichte verfügen, was letztendlich einen hohen Ausnutzungsgrad gewährleistet. Allerdings neigen permanenterregte Synchronmaschinen zu relativ hohen unerwünschten Drehmomentwelligkeiten sowie im stromlosen Zustand zu unerwünschten Rastmomenten. Diese, aufgrund von Reluktanzschwankungen auftretenden Rast- oder Nutrastmomente können zu unerwünscht hohen Drehmomentschwankungen und zu entsprechenden Drehzahlschwankungen führen, wenn sich der Läufer im Betrieb praktisch auf die Ständerzähne ausrichtet. Nachteilig sind auch die elektromagnetisch angeregten Geräusche .The permanent-magnet synchronous machine offers a high volume-related torque and can incorporate the speed with a high power density, which ultimately ensures a high degree of utilization. However, permanently excited synchronous machines tend to relatively high unwanted torque ripples and in the de-energized state to undesirable cogging torques. These latching or cogging torques occurring due to reluctance fluctuations can lead to undesirably high torque fluctuations and corresponding speed fluctuations when the rotor is practically aligned with the stator teeth during operation. Also disadvantageous are the electromagnetically excited noises.
Die Drehmomentwelligkeit führt bei einer wechselrichterge- speisten Synchronmaschine zudem zu Leistungsschwankungen auf der Gleichstromseite (DC-Seite) . Insbesondere bei der Verwendung einer Synchronmaschine in einem Hybridfahrzeug (Hybridfahrzeug-Anwendung) können derartige Leistungsschwankungen die Lebensdauer der Hochleistungsbatterie des Fahrzeugs er- heblich herabsetzen.The torque ripple in an inverter-fed synchronous machine also causes power fluctuations on the DC side (DC side). In particular, when using a synchronous machine in a hybrid vehicle (hybrid vehicle application) such power fluctuations can significantly reduce the life of the high-performance battery of the vehicle.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine permanenterregte Synchronmaschine anzugeben, bei der unter Vermeidung der genannten Störeffekte in Form insbesondere von Drehmo- mentwelligkeiten, Rastmomenten, Leistungsschwankungen und/oder elektromagnetisch angeregten Geräuschen ein verbessertes Betriebsverhalten ermöglicht ist.The invention has for its object to provide a permanent-magnet synchronous machine, in which avoiding said interference effects in the form of, in particular, torque ripples, cogging torques, power fluctuations and / or electromagnetically excited noises enables an improved operating behavior.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem eine Ständerwicklung zur Erzeugung eines Ständerfeldes aufweisenden Ständer, der unter Bildung eines Luftspaltes einen Läufer umgibt. An oder auf der zur Läuferachse radial beabstandeten Läuferoberfläche sind eine der Polzahl der Synchronmaschine entsprechende Anzahl von Magnetpolen in Umfangsrichtung unter Ausbildung alternierender Nord- und Südpole angeordnet. Die Magnetpole bzw. deren Anordnung auf der Läuferoberfläche weisen in Richtung der Läuferachse einander gegenüberliegende Polränder auf, deren Abstand eine axiale Polbreite definiert. Diese axiale Polbreite der Magnetpole variiert in Umfangsrichtung.This object is achieved by a permanent magnet synchronous machine having a stator winding for generating a stator field having stator which surrounds a rotor to form an air gap. On or on the rotor axis radially spaced rotor surface one of the number of poles of the synchronous machine corresponding number of magnetic poles in the circumferential direction to form alternating north and south poles are arranged. The magnetic poles or their arrangement on the rotor surface have mutually opposite pole edges in the direction of the rotor axis, the distance of which defines an axial pole width. This axial pole width of the magnetic poles varies in the circumferential direction.
Durch die Variation oder Veränderung der axialen Polbreite der jeweiligen Magnetpole in Umfangsrichtung der Maschine bzw. des Läufers ist - bei einer Abwickelung der Anordnung der Magnetpole in eine ebene Läuferoberfläche - das axial ge- mittelte Läuferfeld trapezförmig oder vorzugsweise zumindest annähernd sinusförmig. Dabei variiert die axiale Polbreite der Magnetpole, d. h. der Nord- und Südpole jeweils in Um- fangsrichtung des Läufers, ohne dass sich die Magnetfelder der Nord- und Südpole in axialer Richtung gegenseitig aufheben .By varying or changing the axial pole width of the respective magnetic poles in the circumferential direction of the machine or of the rotor, the axially-mediated rotor field is trapezoidal or preferably at least approximately sinusoidal when the arrangement of the magnetic poles in a planar rotor surface is unwound. In this case, the axial pole width of the magnetic poles, d. H. the north and south poles each in the circumferential direction of the rotor, without the magnetic fields of the north and south poles cancel each other in the axial direction.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein verbessertes Betriebsverhalten einer permanenterregten Synchronmaschine dadurch erreicht werden kann, wenn die genannten Störeffekte reduziert oder vermieden werden können, ohne zeit- gleich andere das Betriebsverhalten negativ beeinflussende Effekte, wie insbesondere so genannte axiale Zugkräfte, zu erzeugen .The invention is based on the consideration that an improved operating behavior of a permanent-magnet synchronous machine can be achieved if the mentioned parasitic effects can be reduced or avoided without any time delay. like other effects that negatively influence the operating behavior, in particular so-called axial tensile forces.
Die Störeffekte werden erkanntermaßen hervorgerufen oder be- einflusst durch die geometrische Form und/oder die Anordnung der Magnetpole an bzw. auf der Läuferoberfläche. So können bereits durch eine geeignete Auslegung des Polabdeckungsgrades des Läufers einzelne Störeffekte gezielt unterdrückt wer- den. Unter dem Polabdeckungsgrad wird hierbei der prozentuale Anteil der von den Magnetpolen abgedeckten Läuferoberfläche verstanden .The disturbing effects are recognized to be caused or influenced by the geometric shape and / or the arrangement of the magnetic poles on or on the rotor surface. Thus, by means of a suitable design of the pole covering degree of the rotor, individual disturbing effects can be deliberately suppressed. Under the Polabdeckungsgrad this is understood as the percentage of the covered by the magnetic poles rotor surface.
So führt beispielsweise eine Polabdeckung der Lauferoberflä- che mit den Magnetpolen von 80% zur vollständigen Unterdrückung der fünften Oberwelle des Läuferfeldes, während ein Polabdeckungsgrad von 85,7% die siebente Oberwelle des Läuferfeldes vollständig unterdrückt. Die entsprechenden Oberwellen treten demnach im Läuferfeld nicht in Erscheinung und können daher auch keine Störungen oder Störeffekte verursachen .Thus, for example, a pole coverage of the rotor surface with the magnetic poles of 80% leads to complete suppression of the fifth harmonic of the rotor field, while a pole coverage of 85.7% completely suppresses the seventh harmonic of the rotor field. The corresponding harmonics therefore do not appear in the rotor field and therefore can not cause any disturbances or disturbing effects.
Ein Polabdeckungsgrad von mehr als 85% führt zwar erkanntermaßen zu keiner wesentlichen Steigerung der sinusförmigen Grundwelle des Läuferfeldes und damit des eigentlichen Nutzfeldes. Zudem können angesichts der Kosten für das Magnetmaterial Polabdeckungsgrade kleiner 100% aus wirtschaftlichen Gründen von Vorteil sein. Allerdings senken vergleichsweise niedrige Polabdeckungsgrade die Grundwelle des Läuferfeldes in erhöhtem Maße, was zu einer Verringerung der Ausnutzung der Synchronmaschine führt. Zur Beeinflussung der unerwünschten Störeffekte sind daher Polabdeckungsgrade im Bereich von 60% bis 100%, vorzugsweise 60% bis 95%, besonders zweckmäßig. Erkanntermaßen hat sich des Weiteren herausgestellt, dass eine gezielte Abweichung der Geometrie der an der Läuferoberfläche angeordneten Magnetpole von der Rechteckform bereits zu einer Verringerung oder Vermeidung zumindest einzelner Störeffekte führen kann. Grund hierfür ist, dass bestimmte geometrische Formen der Magnetpole nicht nur einen trapezförmigen, sondern sogar einen zumindest annähernd sinusförmigen Verlauf des axial gemittelten magnetischen Läuferfeldes oder der axial gemittelten magnetischen Läuferinduktion im Luftspalt erzeugen können. Die axiale Mittelung bezieht sich dabei auf die sich in Richtung der Läuferachse erstreckende a- xiale Breite der Magnetpole zwischen deren entlang der Läuferachse einander gegenüberliegenden Polrändern.It is recognized that a pole coverage of more than 85% does not lead to any substantial increase in the sinusoidal fundamental wave of the rotor field and thus of the actual useful field. In addition, considering the cost of the magnetic material, poly cladding levels less than 100% may be beneficial for economic reasons. However, comparatively low Polabdeckungsgrade lower the fundamental wave of the rotor field to an increased extent, resulting in a reduction in the utilization of the synchronous machine. Therefore, in order to influence the unwanted spurious effects, pole coverages in the range of 60% to 100%, preferably 60% to 95%, are particularly useful. It has also been found that a deliberate deviation of the geometry of the magnetic poles arranged on the rotor surface from the rectangular shape can already lead to a reduction or avoidance of at least individual disturbing effects. This is because certain geometric shapes of the magnetic poles can not only produce a trapezoidal, but even an at least approximately sinusoidal course of the axially averaged magnetic rotor field or the axially averaged magnetic rotor induction in the air gap. The axial averaging refers to the axial width of the magnetic poles extending in the direction of the rotor axis between their mutually opposite pole edges along the rotor axis.
Durch diese Abweichung der geometrischen Form der Magnetpole von der Rechteckform wird bereits aufgrund der vergleichsweise oberwellenarmen Trapezform des Läuferfeldes eine Reduzierung der Störeffekte erreicht. Eine weitere Reduzierung der Störeffekte wird durch ein zumindest annähernd sinusförmiges Läuferfeld erreicht.As a result of this deviation of the geometric shape of the magnetic poles from the rectangular shape, a reduction of the parasitic effects is already achieved on account of the comparatively low-harmonic trapezoidal shape of the rotor field. A further reduction of the disturbing effects is achieved by an at least approximately sinusoidal rotor field.
Obwohl diese Maßnahme der sich in Umfangsrichtung des Läufers ändernden axialen Breite der Magnetpole auch bei einer so ge- nannten verteilten Wicklung des Ständers geeignet ist, weist der Ständer, insbesondere bei Hybridfahrzeug-Anwendungen, vorzugsweise eine Einzelzahnwicklung auf. Im Unterschied zur verteilten Wicklung umschließt bei der Einzelzahnwicklung jede Spule eines Wicklungsstrangs der Ständerwicklung lediglich einen einzelnen Ständerzahn. Dies führt zu vergleichsweise kleinen und kompakten Wickelköpfen und damit zu sehr geringen axialen Baulängen, was insbesondere bei der Anwendung in Hyb- rid-Fahrzeugen vorteilhaft ist, zumal dort die elektrische Synchronmaschine direkt in den nur über wenig Bauraum verfügenden Antriebsstrang integriert ist.Although this measure of the axial width of the magnetic poles changing in the circumferential direction of the rotor is also suitable for a so-called distributed winding of the stator, the stator preferably has a single-tooth winding, in particular in hybrid vehicle applications. In contrast to the distributed winding, each coil of a winding strand of the stator winding encloses only a single stator tooth in the single-tooth winding. This leads to comparatively small and compact winding heads and thus to very small axial lengths, which is particularly advantageous when used in Hybrid vehicles, especially since the electric Synchronous machine is integrated directly into the little space having powertrain.
In vorteilhafter Ausgestaltung zeigen die Anordnung der Mag- netpole und/oder jeder Magnetpol auf der Läuferoberfläche, d. h. bei deren Abwickelung in eine ebene Läufer- oder Läuferoberfläche, mindestens eine axial oder in Umfangsrichtung ausgerichtete Symmetrieachse oder Symmetrie. Über den Umfang des Läufers, d. h. im Winkelmaß zwischen 0° und 360° bzw. im Bogenmaß zwischen 0 und 2π erfolgt dann eine der Polpaarzahl entsprechende periodische Wiederkehr der sich in Umfangsrich- tung des Läufers ändernden axialen Breite der Magnetpole.In an advantageous embodiment, the arrangement of the magnetic poles and / or each magnetic pole on the rotor surface, ie. H. at its unwinding in a flat rotor or rotor surface, at least one axially or circumferentially aligned symmetry axis or symmetry. About the circumference of the runner, d. H. in the angular dimension between 0 ° and 360 ° or in the radian measure between 0 and 2π then takes place corresponding to the pole pair number periodic recurrence of changing in the circumferential direction of the rotor axial width of the magnetic poles.
So führen verschiedene symmetrische Geometrien der Magnetpole zur Vermeidung von axialen Kraftkomponenten oder so genannten axialen Zugkräften. Derartige, proportional mit dem Drehmoment zunehmende und auch zu zusätzlichen Lagerbelastungen führende axiale Zugkräfte entstehen insbesondere bei in Richtung der Läuferachse geschrägten Geometrien der Magnetpole. Wechselt nämlich bei solchen geschrägten Geometrien der Magnetpole die Synchronmaschine vom motorischen in den generatorischen Betrieb, so wechseln auch die axialen Zugkräfte deren Richtung. Entsprechend führen Drehmomentwelligkeiten zu axialen Wechselkräften und zu Geräuschen, die aufgrund entspre- chender Axialschwingungen angeregt werden. Derartige axiale Zugkräfte können in einfacher und effektiver Weise vermieden werden, wenn die durch die beiden Polränder des Läufers begrenzte, variierende axiale Breite der Magnetpole in Umfangs- richtung bestimmte symmetrische Geometrien zeigt.Thus, different symmetrical geometries of the magnetic poles lead to the avoidance of axial force components or so-called axial tensile forces. Such, axially proportional to the torque increasing and also leading to additional bearing loads axial tensile forces arise in particular in the direction of the rotor axis beveled geometries of the magnetic poles. If the synchronous machine changes from motor to generator mode in such inclined geometries of the magnetic poles, the axial tensile forces also change direction. Correspondingly, torque ripples lead to axial alternating forces and to noises which are excited by corresponding axial vibrations. Such axial tensile forces can be avoided in a simple and effective manner if the varying axial width of the magnetic poles bounded by the two pole edges of the rotor shows certain symmetrical geometries in the circumferential direction.
Gemäß einer zweckmäßigen Variante weist der oder jeder Magnetpol eine Achsensymmetrie zu einer axial, insbesondere mittig zwischen den Polrändern in Umfangsrichtung verlaufenden Spiegelachse auf. Eine solche achsensymmetrische Geometrie zeigen beispielsweise sechseckige und pfeilförmige Magnetpole oder solche Anordnungen von Magnetpolen, deren Geometrie den eingehüllten Flächenformen von zwei gegenläufigen sinusförmi- gen Begrenzungslinien entsprechen. Diese sowie die genannte sechseckige Geometrie der Magnetpole zeigt zusätzlich eine axiale Achsensymmetrie zu einer entlang der axialen Mittellinie des jeweiligen Magnetpols verlaufenden Spiegelachse. Eine solche axiale Achsensymmetrie wiederum zeigen trapezförmige Magnetpole, die beispielsweise kammartig gegeneinander versetzt an der Läuferoberfläche verteilt angeordnet sind.According to an expedient variant, the or each magnetic pole has an axis symmetry to an axially, in particular centrally between the Polrändern extending in the circumferential direction Mirror axis on. Such an axisymmetric geometry, for example, show hexagonal and arrow-shaped magnetic poles or such arrangements of magnetic poles whose geometry corresponds to the enveloped surface shapes of two opposing sinusoidal boundary lines. This as well as said hexagonal geometry of the magnetic poles additionally shows an axial axis symmetry to a mirror axis running along the axial center line of the respective magnetic pole. Such an axial axial symmetry in turn show trapezoidal magnetic poles, which are distributed, for example comb-like offset from one another on the rotor surface.
Auch können zwei benachbarte Magnetpole zueinander eine Achsensymmetrie zeigen. Dies ist beispielsweise wiederum bei sechseckigen Magnetpolen der Fall, die in der Gesamtanordnung im Bereich der jeweiligen Spiegelachse zwischen benachbarten Magnetpolen eine Kreuzschrägung ausbilden.Also, two adjacent magnetic poles to each other show an axis symmetry. This is again the case, for example, in the case of hexagonal magnetic poles, which form a cross slope in the overall arrangement in the region of the respective mirror axis between adjacent magnetic poles.
Die in Umfangsrichtung des Läufers variierende axiale Breite der Magnetpole schließt insbesondere solche Geometrien derThe varying in the circumferential direction of the rotor axial width of the magnetic poles includes in particular such geometries of
Magnetpole ein, bei denen die axiale Breite zu dem einen Polrand, zu dem gegenüberliegenden anderen Polrand oder aber ausgehend von einer zwischen den Polrändern, beispielsweise mittig erscheinenden Grenzlinie zu beiden Polrändern hin ab- nimmt.Magnetic poles, in which the axial width decreases towards the one pole edge, towards the opposite other pole edge or else, starting from a borderline between the pole edges, for example in the center, towards both pole edges.
Weitere Varianten und Ausgestaltungen der Magnetpole und/oder deren Anordnung an der Läuferoberfläche sind Gegenstand der Unteransprüche .Further variants and configurations of the magnetic poles and / or their arrangement on the rotor surface are the subject matter of the subclaims.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: schematisch in einem Querschnitt eine vierpoligeEmbodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show: schematically in a cross section a four-pole
(2p=4) permanenterregte Synchronmaschine mit drei- strängiger Ständerwicklung (Einzelzahnwicklung) und mit einem Läufer mit Magnetpole bildenden Oberflä- chenmagneten, schematisch die in eine Ebene abgewickelte Läuferoberfläche des Läufers der Synchronmaschine gemäß FIG 1 mit unter Ausbildung einer Wechselschrägung lückenlos angeordneten trapezförmigen Magnetpolen, in einer Darstellung gemäß FIG 2 unter Ausbildung einer Kreuzschrägung angeordnete sechseckige Magnetpole, ein Variante sechseckiger Magnetpole gemäß FIG 3, eine weitere Variante sechseckiger Magnetpole gemäß FIG 3, eine andere Variante einer Trapezpolanordnung gemäß FIG 3 mit taillierten Magnetpolen, in einer Darstellung gemäß FIG 2 eine Anordnung mit gegeneinander um 180° gedrehten parallelogrammför- migen Magnetpolen, in einem Induktions-Bogenmaß-Diagramm einen trapezförmigen Verlauf des axial gemittelten Läuferfeldes der Anordnungen der Magnetpole gemäß FIG 2 bis 7, in einer Darstellung gemäß FIG 2 eine lückenbehaf- tete Anordnung von trapezförmigen Magnetpolen, in einer Darstellung gemäß FIG 9 eine Anordnung der Magnetpole mit lückenbehafteter Wechselschrägung, in einer Darstellung gemäß FIG 9 eine Anordnung der(2p = 4) permanent magnet synchronous machine with three-phase stator winding (single-tooth winding) and with a rotor with Magnetpole forming surface magnet, schematically the unwound in a plane rotor surface of the rotor of the synchronous machine according to FIG 1 with the formation of a chamfer gaplessly arranged trapezoidal magnetic poles, 3 shows a further variant of hexagonal magnetic poles according to FIG. 3, another variant of a trapezoidal pole arrangement according to FIG. 3 with fitted magnetic poles, in a representation according to FIG Arrangement with mutually rotated by 180 ° parallelogrammför- magnetic poles, in an induction radian diagram a trapezoidal course of the axially averaged rotor field of the arrangements of the magnetic poles according to FIG 2 to 7, in a representation acc ß 2 shows a lückenbehaf- ended array of trapezium-shaped magnetic poles, in a representation according to FIG 9 shows an arrangement of the magnetic poles with continuous afflicted Wechselschrägung, in a representation according to FIG 9 shows an arrangement of
Magnetpole mit lückenbehafteter Pfeilschrägung, in einem Induktions-Bogenmaß-Diagramm gemäß FIG 8 den Verlauf des Läuferfeldes der Anordnungen der Magnetpole gemäß FIG 9 bis 11, FIG 13 in einer Darstellung gemäß FIG 2 sinusförmig abgerundeten Magnetpolen in lückenbehafteter Sinuspolanordnung,Magnetic poles with gap-prone angled arrows, in an induction radian diagram according to FIG 8, the course of the rotor field of the arrangements of the magnetic poles according to FIG 9 to 11, FIG. 13 in a representation according to FIG. 2 sinusoidally rounded magnetic poles in a gap-covered sine pole arrangement, FIG.
FIG 14 in einem Induktions-Bogenmaß-Diagramm gemäß FIG 8 einen lückenbehafteten, sinusförmigen Verlauf des axial gemittelten Läuferfeldes der Anordnungen der Magnetpole gemäß FIG 13, FIG 15 in einer Darstellung gemäß FIG 2 eine lückenlose8 shows a gap-shaped, sinusoidal profile of the axially averaged rotor field of the arrangements of the magnetic poles according to FIG. 13, FIG. 15 in an illustration according to FIG
Anordnung von sinusförmigen Magnetpolen (Mäander- polanordnung) ,Arrangement of sinusoidal magnetic poles (meandering pole arrangement),
FIG 16 eine weitere lückenlose Anordnung von sinusförmigen16 shows a further gapless arrangement of sinusoidal
Magnetpolen (Sinuspolanordnung) , FIG 17 eine Variante einer lückenlosen Sinuspolanordnung gemäß FIG 16, FIG 18 eine weitere Variante einer lückenlosen Sinuspolanordnung gemäß FIG 16, undMagnetic poles (sine pole arrangement), FIG. 17 shows a variant of a gapless sine pole arrangement according to FIG. 16, FIG. 18 shows a further variant of a gapless sine pole arrangement according to FIG. 16, and FIG
FIG 19 in einem Induktions-Bogenmaß-Diagramm gemäß FIG 14 den Verlauf des Läuferfeldes der Anordnungen der Magnetpole gemäß den FIG 15 bis 19.19 in an induction radian diagram according to FIG. 14 the course of the rotor field of the arrangements of the magnetic poles according to FIGS. 15 to 19.
Einander entsprechende Teile sind in allen FIG mit den gleichen Bezugzeichen versehen.Corresponding parts are provided in all FIG with the same reference numerals.
Die in den FIG 1 schematisch im Querschnitt dargestellte per- manenterregte Synchronmaschine 1 weist einen Ständer 2 auf, der unter Bildung eines Luftspaltes 3 einen Läufer 4 mit einer axial - und damit gemäß dem dargestellten Koordinatensystem in z-Richtung - verlaufenden Läuferachse 4a sowie mit einer Magnet- oder Läuferoberfläche 4b radial beabstandet um- gibt.The permanent magnet synchronous machine 1 shown schematically in cross-section in FIG. 1 has a stator 2 which, forming an air gap 3, has a rotor 4 with a rotor axis 4a extending axially and thus in the z-direction according to the illustrated coordinate system Magnet or rotor surface 4b radially spaced surrounds.
Der Ständer weist im Ausführungsbeispiel sechs Ständerzähne 2a und sechs Ständernuten 2b auf, in die in Einzelzahnwick- lung eine dreisträngige Drehfeldwicklung mit entsprechender Zuordnung der Ständerzähne 2a zu den drei in Stern geschalteten Wicklungssträngen U, V und W der Drehfeld- oder Ständerwicklung eingelegt ist. Dabei bedeutet Pluszeichen (+U,+V,+W) einen aus der Bild- oder Zeichenebene herausfließenden (positiven) Strom, während ein Minuszeichen (-U,-V, -W) einen in die Bild- bzw. Zeichenebene hineinfließenden Strom bedeutet.In the exemplary embodiment, the stator has six stator teeth 2 a and 6 stator slots 2 b into which individual teeth are wound. a three-phase rotating field winding with a corresponding assignment of the stator teeth 2a to the three star-connected winding strands U, V and W of the rotating field or stator winding is inserted. In this case, plus sign (+ U, + V, + W) means a (positive) current flowing out of the image or drawing plane, while a minus sign (-U, -V, -W) means a current flowing into the image or drawing plane ,
Der Läufer 4 ist mit nachfolgend auch als Oberflächenmagneten bezeichneten Permanent- oder Dauermagneten 5 bestückt. Diese bilden Magnetpole, die in Umfangsrichtung U des Läufers 4 alternierend mit deren Nordpol N oder mit deren Südpol S dem Luftspalt 3 zugewandt sind. In den Ausführungsbeispielen sind vier Magnetpole in Form von zwei magnetischen Südpolen S und zwei magnetischen Nordpolen N auf oder an der Läuferoberfläche 4b angeordnet.The rotor 4 is equipped with hereinafter referred to as surface magnets permanent or permanent magnet 5. These form magnetic poles which face the air gap 3 alternately with their north pole N or with their south pole S in the circumferential direction U of the rotor 4. In the exemplary embodiments, four magnetic poles in the form of two south magnetic poles S and two north magnetic poles N are arranged on or on the rotor surface 4b.
Jeder Magnetpol N, S kann in Form eines einzelnen Magneten (Einzelmagnet) ausgeführt sein. Derartige Einzelmagnete, die jeweils einen Abschnitt oder einen Teilbereich des Läuferum- fangs umspannen, werden auch als Schalenmagnete bezeichnet. Alternativ kann jeder Magnetpol N, S aus vielen kleinen, auf der Läuferoberfläche 4b nebeneinander angeordneten Magnet- plättchen zusammengesetzt sein.Each magnetic pole N, S may be in the form of a single magnet (single magnet). Such individual magnets, which each span a section or a portion of the rotor circumference, are also referred to as shell magnets. Alternatively, each magnetic pole N, S may be composed of many small magnetic plates arranged side by side on the rotor surface 4b.
Für die erfindungsgemäßen Magnetpole N, S eignen sich insbesondere Kombinationen von rechteckigen (rechteckförmigen) und dreieckigen (dreieckförmigen) Magnetplättchen . Bei Hybridfahrzeug-Anwendungen kommen dabei bevorzugt Selten-Erde- Magnetmaterialien zum Einsatz. Zur Unterdrückung unerwünschter Wirbelstromverluste in diesen Magneten sind Magnetplättchen den Schalenmagneten vorzuziehen. Die Dauermagneten 5 erzeugen im Luftspalt 3 ein auch als Erregerfeld bezeichnetes Läufer- oder Läuferdrehfeld. Bei Speisung mit einem dreiphasigen sinusförmigen Wechselstrom erzeugt die Ständerwicklung U, V, W ein im Luftspalt 3 zwischen dem Ständer 2 und dem Läufer 4 umlaufendes magnetisches Feld (Ständer- oder Ständerdrehfeld) mit der der Polzahl des Läuferfeldes entsprechenden Polzahl (2p) . Dieses Ständerfeld besteht ebenfalls aus einander abwechselnden magnetischen Nordpolen N und Südpolen S, die entlang des Luftspaltes 3 rotie- ren. Die Polzahl (2p), die bei der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 praktisch beliebig sein kann, ist hinsichtlich einer besseren Übersichtlichkeit in den in den FIG 1 bis 19 gezeigten Ausführungsbeispielen 2p = 4. Die Polpaarzahl der dargestellten vierpoligen, permanenterregten Synchronma- schine 1 ist demnach p = 2.Combinations of rectangular (rectangular) and triangular (triangular) magnetic plates are particularly suitable for the magnetic poles N, S according to the invention. In hybrid vehicle applications, rare-earth magnetic materials are preferably used. To suppress unwanted eddy current losses in these magnets, magnetic plates are preferable to the shell magnets. The permanent magnets 5 generate in the air gap 3 a rotor or rotor rotating field, also referred to as a field of excitation. When supplied with a three-phase sinusoidal alternating current, the stator winding U, V, W generates a circulating in the air gap 3 between the stator 2 and the rotor 4 magnetic field (stator or stator rotating field) with the number of poles of the rotor field corresponding number of poles (2p). This stator field also consists of alternating magnetic north poles N and south poles S, which rotate along the air gap 3. The number of poles (2p), which can be virtually arbitrary in the synchronous machine 1 according to the invention, is in the FIGS 1 to 19 2p = 4. The number of pole pairs of the illustrated four-pole, permanent-magnet synchronous machine 1 is therefore p = 2.
Das vom Läufer 4 erzeugte Läufer- oder Läuferdrehfeld weist zum betrachteten Zeitpunkt an der Maschinenoberseite und an der Maschinenunterseite der Synchronmaschine 1 Läufer-Südpole S auf, die sich gemäß dem in FIG 1 dargestellten Koordinatensystem in y-Richtung einander gegenüber stehen. An den dazwischen liegenden Maschinenseiten werden dann Läufer-Nordpole N erhalten, die sich in x-Richtung einander gegenüber stehen. Die vier Magnetpole N, S, die nicht punktuell auf die Ma- schinenseiten konzentriert sind, umspannen im Wesentlichen jeweils eine Polteilung, was bei der vorliegenden Polzahl 2p = 4 einem viertel Umfang der Synchronmaschine 1 entspricht.The runner or rotor rotating field generated by the rotor 4 has at the time considered on the machine upper side and on the machine underside of the synchronous machine 1 rotor south poles S, which are in accordance with the coordinate system shown in Figure 1 in the y direction opposite each other. At the intermediate machine sides, rotor north poles N are then obtained, which face each other in the x-direction. The four magnetic poles N, S, which are not concentrated on the sides of the machine, essentially span one pole pitch, which corresponds to a quarter circumference of the synchronous machine 1 in the present number of poles 2p = 4.
Die FIG 2 bis 7 zeigen die in eine Ebene abgewickelte Läufer- Oberfläche 4b mit in deren geometrischen Ausgestaltung eckigen Magnetpolen N, S und deren bezüglich des axial gemittelten Läuferfeldes lückenlosen Anordnung auf der Läuferoberfläche 4b. Bei den in den FIG 3 bis 7 dargestellten geometrischen Ausgestaltungen der Magnetpole N, S und deren Anordnung an der Läuferoberfläche 4 wird ein axial gemitteltes, trapezförmiges Läufer- oder Luftspaltfeld LB entlang des Umfangs U des Läufers 4 gemäß dem in FIG 8 dargestellten Diagramm erzeugt, an dessen Abszisse der Umfang U des Läufers 4 im Bogenmaß und an dessen Ordinate die Induktion B abgetragen sind. Das Läuferfeld LB zeigt einen trapezförmigen, oberwellenarmen Feldver- lauf.FIGS. 2 to 7 show the rotor surface 4b, which is developed in a plane, with magnetic poles N, S whose geometric configuration is angular, and whose arrangement on the rotor surface 4b is continuous with respect to the axially averaged rotor field. In the geometric configurations of the magnetic poles N, S and their arrangement on the rotor surface 4 shown in FIGS. 3 to 7, an axially averaged, trapezoidal rotor or air gap field L B is generated along the circumference U of the rotor 4 according to the diagram illustrated in FIG , on the abscissa of the circumference U of the rotor 4 in radians and at its ordinate the induction B are removed. The rotor field L B shows a trapezoidal, harmonic low field gradient.
Zudem variiert oder ändert sich bei diesen Ausführungsformen die axiale Breite b der Magnetpole N, S in Umfangsrichtung U des Läufers 4. Ferner zeigen bei diesen Ausführungsformen die Magnetpole N, S und/oder deren Anordnung an der Läuferoberfläche 4b mindestens eine Achsensymmetrie.In addition, in these embodiments, the axial width b of the magnetic poles N, S varies or changes in the circumferential direction U of the rotor 4. Further, in these embodiments, the magnetic poles N, S and / or their arrangement on the rotor surface 4b at least one axis symmetry.
Bei den in FIG 2 trapezförmig ausgebildeten und in Umfangs- richtung U des Läufers 4 praktisch lückenlos aneinander lie- gend angeordneten Magnetpole N, S beträgt der mit α bezeichnete Polabdeckungsgrad 100%. Zueinander beabstandete Polränder 7,8 der Magnetpole N, S bestimmen oder definieren die axiale Breite b der sich in z-Richtung erstreckenden Polabmessung der Magnetpole N, S. Einander zugewandte Polkanten k benach- barter Magnetpole N, S verlaufen zwischen den Polrändern 7,8 gleichsinnig schräg, indem einander benachbarte trapezförmige Magnetpole N, S gegeneinander um 180° verdreht an der Läuferoberfläche 4b angeordnet und/oder gehalten sind.In the case of the magnetic poles N, S which are trapezoidally shaped in FIG. 2 and lie practically without gaps in the circumferential direction U of the rotor 4, the pole coverage degree designated α is 100%. Spaced pole edges 7, 8 of the magnetic poles N, S define or define the axial width b of the pole dimension N, S extending in the z-direction. Mutually facing pole edges k of adjacent magnetic poles N, S run between the pole edges 7, 8 in the same direction obliquely, by adjacent trapezoidal magnetic poles N, S against each other by 180 ° twisted arranged on the rotor surface 4b and / or held.
Diese, nachfolgend als Wechselschrägung bezeichnete Anordnung, bei der die axiale Breite b der Magnetpole N, S in Um- fangsrichtung U des Läufers 4 variiert, stellt eine von Magnetpol N, S zu Magnetpol S, N die Richtung oder Orientierung wechselnde Verschraubung dar. So nimmt die axiale Breite b der die Nordpole N bildenden Magnetpole von dem in FIG 2 unteren Polrand 8 zu dem oberen Polrand 7 entlang der beiden Polkanten k ab, während die axiale Breite b der die Südpole S bildenden Magnetpole entlang beider Polkanten k vom Polrand 8 zum Polrand 7 hin zunimmt.This arrangement, referred to below as a change bevel, in which the axial width b of the magnetic poles N, S varies in the circumferential direction U of the rotor 4, sets one of magnetic poles N, S to magnetic poles S, N the direction or orientation Thus, the axial width b of the north poles N forming magnetic poles from the bottom in Figure 2 Polrand 8 to the upper pole edge 7 along the two pole edges k, while the axial width b of the south poles S forming magnetic poles along both pole edges k increases from the pole edge 8 to the pole edge 7 out.
Die FIG 3 bis 5 zeigen Ausführungsformen mit sechseckiger Geometrie der Magnetpole N, S. Bei diesen, nachfolgend als Kreuzschrägung bezeichneten Ausführungsformen ist der Polabdeckungsgrad α kleiner als 100% und im vorliegenden Ausführungsbeispiel α = 94%. In den Übergangsbereichen 9 zwischen benachbarten Magnetpolen N, S verbleibt daher ein magnetfreier Bereich des ansonsten blechpaketartigen Materials des Läufers 4.Figures 3 to 5 show embodiments with hexagonal geometry of the magnetic poles N, S. In these, hereinafter referred to as cross-taper embodiments, the Polabdeckungsgrad α is less than 100% and α = 94% in the present embodiment. In the transition regions 9 between adjacent magnetic poles N, S, therefore, there remains a magnet-free region of the otherwise sheet-like packet-like material of the rotor 4.
Während bei der Ausführungsform nach FIG 2 jeder einzelne Magnetpol N, S eine Achsensymmetrie zu einer in z-Richtung mittig verlaufenden Spiegelachse A zeigt, zeigt bei der Kreuzschrägung gemäß FIG 3 zusätzlich auch die Gesamtanordnung der Magnetpole N, S eine Achsensymmetrie zu einer in Um- fangsrichtung verlaufenden Spiegelachse Aλ. Alle durch die sechseckige Geometrie gebildeten Polecken e der Magnetpole N, S liegen auf dieser gemeinsamen Spiegelachse Aλ.While in the embodiment according to FIG. 2, each individual magnetic pole N, S shows axis symmetry with respect to a mirror axis A extending centrally in the z-direction, the overall arrangement of the magnetic poles N, S also shows an axial symmetry in the cross-skew according to FIG. Extending direction mirror axis A λ . All formed by the hexagonal geometry Polecken e of the magnetic poles N, S are on this common mirror axis A λ .
Bei der Ausführungsform nach FIG 4 ist der Polabdeckungsgrad α wiederum beispielsweise 94%. Die Polecken e sind jedoch im Gegensatz zur Ausführungsform nach FIG 3 nicht exakt mittig zwischen den beiden Polrändern 7,8, sondern zum unteren PoI- rand 8 hin versetzt. Ein Versatz der Polecken e kann auch zum oberen Polrand 7 hin vorgesehen sein. Jeder einzelne Magnetpol N, S zeigt wiederum eine Achsensymmetrie zur in z-Richtung verlaufenden Spiegelachse A. Bei der Ausführungsform nach FIG 5 zeigen wiederum alle Magnetpole N, S eine Achsensymmetrie zur in z-Richtung verlaufenden polspezifischen Spiegelachse A. Die Polecken e der die Südpole S bildenden Magnetpole sind hier zum oberen Polrand 7 hin versetzt, während die Polecken e der die Nordpole N bildenden Magnetpole zum unteren Polrand 8 hin versetzt sind. Der Polabdeckungsgrad α ist in diesem Ausführungsbeispiel wiederum 94% .In the embodiment of FIG 4, the Polabdeckungsgrad α in turn, for example, 94%. However, in contrast to the embodiment according to FIG. 3, the pole corners e are not offset exactly in the middle between the two pole edges 7, 8, but towards the bottom edge 8. An offset of the pole corners e can also be provided towards the upper pole edge 7. Each individual magnetic pole N, S again shows an axis symmetry to the mirror axis A running in the z-direction. In the embodiment according to FIG. 5, in turn all magnetic poles N, S show an axis symmetry with respect to the pole-specific mirror axis A running in the z-direction. The pole corners e of the magnetic poles forming the south poles S are offset here towards the upper pole edge 7, while the pole corners e are the north poles N forming magnetic poles are offset to the lower pole edge 8 out. The Polabdeckungsgrad α is again 94% in this embodiment.
Bei der in FIG 6 dargestellten Ausführungsform mit trapezförmigen, taillierten Magnetpolen N, S weisen diese wiederum eine Achsensymmetrie sowohl in Umfangsrichtung U zu einer allen Magnetpolen N, S gemeinsamen Spiegelachse Aλ sowie eine pol- spezifische Achsensymmetrie zu einer in z-Richtung mittig verlaufenden Spiegelachse A auf.In the embodiment shown in FIG. 6 with trapezoidal, waisted magnetic poles N, S, these in turn have an axis symmetry both in the circumferential direction U to a mirror axis A λ common to all magnetic poles N, S and pole-specific axis symmetry to a mirror axis running centrally in the z direction A up.
Bei dieser Ausführungsform ist eine weitere Achsensymmetrie gegeben, bei der die Magnetpole N, S auch zu einer im Grenzbe- reich zwischen benachbarten Magnetpolen N, S in z-Richtung verlaufenden Spiegelachse Aλλ gegeben ist. Auch bei dieser Ausführungsform ist der Polabdeckungsgrad α wiederum 94%.In this embodiment, a further axis symmetry is given, in which the magnetic poles N, S is also given to a mirror axis A λλ extending in the boundary region between adjacent magnetic poles N, S in the z direction. Again, in this embodiment, the pole coverage α is 94%.
Ebenso wie die geometrische Ausgestaltung der Magnetpole N, S nach den FIG 2 bis 6 sind auch bei der Ausführungsform nachAs well as the geometric configuration of the magnetic poles N, S of Figures 2 to 6 are also in the embodiment according to
FIG 7 die eingesetzten Magnetpole N, S wiederum eckig. Die geometrische Form entspricht bei dieser Ausführungsform derjenigen eines Parallelogramms. Dabei sind die die Nordpole N und die die Südpole S bildenden Magnetpole hinsichtlich der Schrägung deren Polkanten k jeweils gleichsinnig, in der Gesamtanordnung jedoch zwischen benachbarten Magnetpolen N, S um 180° verdreht und somit gegensinnig an der Läuferoberfläche 4b angeordnet. Auch bei dieser Ausführungsform ist der Polabdeckungsgrad α wiederum beispielsweise 94%.FIG 7, the magnetic poles used N, S in turn angular. The geometric shape in this embodiment corresponds to that of a parallelogram. The north poles N and the south poles S forming magnetic poles with respect to the inclination of the pole edges k are each the same direction, but in the overall arrangement between adjacent magnetic poles N, S rotated by 180 ° and thus in opposite directions on the rotor surface 4b arranged. Also in this embodiment, the Polabdeckungsgrad α in turn, for example, 94%.
Bei der Ausführungsform nach FIG 7 ist in der Anordnung der Magnetpole N, S wiederum eine Achsensymmetrie bezüglich einer zwischen benachbarten Magnetpolen N, S in z-Richtung verlaufenden Spiegelachse Aλλ gegeben.In the embodiment according to FIG. 7, in the arrangement of the magnetic poles N, S an axis symmetry is again given with respect to a mirror axis A λλ extending between adjacent magnetic poles N, S in the z-direction.
Bereits jede der in den Ausführungsformen nach den FIG 2 bis 7 gezeigten Achsensymmetrien gewährleistet die Vermeidung von axialen Zugkräften, während jede der dargestellten geometrischen Ausgestaltungen der einzelnen Magnetpole N, S aufgrund deren in Umfangsrichtung U variierender axialer Breite b des Läufers 4 unerwünschte Störeffekt, wie Drehmomentwelligkei- ten, Rastmomente, Leistungsschwankungen und/oder elektrisch angeregte Geräusche vermeidet oder zumindest reduziert, was insgesamt zu einem verbesserten Betriebsverhalten bei hoher Ausnutzung der Synchronmaschine 1 führt.Already each of the axis symmetries shown in the embodiments of FIGS 2 to 7 ensures the avoidance of axial tensile forces, while each of the illustrated geometric configurations of the individual magnetic poles N, S due to their varying in the circumferential direction U axial width b of the rotor 4 unwanted disturbing effect, such as Drehmomentwellenigkei - Tent, cogging, power fluctuations and / or electrically excited noise avoids or at least reduced, which leads to an overall improved performance with high utilization of the synchronous machine 1.
Bei der in FIG 9 dargestellten Ausführungsform sind die wiederum trapezförmigen Magnetpole N, S in lückenbehafteter Wech- selschrägung an der Läuferoberfläche 4b angeordnet. Die dadurch zwischen benachbarten Magnetpolen N, S entstehenden magnetfreien Lücken oder Übergangsbereiche 9 führen bei dieser Ausführungsform zu einem vergleichsweise niedrigen Polabdeckungsgrad von beispielsweise α = 85%. Hinsichtlich der sich ändernden axialen Breite b der Magnetpole N, S in Richtung des Umfangs U des Läufers 4 sowie bezüglich der Achsensymmetrie der einzelnen Magnetpole N, S zu diesen zugeordneten zentralen oder mittigen, axial in z-Richtung verlaufenden Spiegelachse A entspricht diese Ausführungsform ansonsten derjenigen nach FIG 2. Die Ausführungsform nach FIG 10 entspricht hinsichtlich der sechseckigen Geometrie der Magnetpole N, S sowie der Achsensymmetrie entlang der axialen Spiegelachse A und der in Um- fangsrichtung U verlaufenden zentralen Spiegelachse A' der Ausführungsform nach FIG 3. Jedoch handelt es sich hier um eine lückenbehaftete Kreuzschrägung, die zu einem Polabdeckungsgrad α von beispielsweise ebenfalls 85% führt. Die magnetfreien Übergangsbereiche 9 sind bei dieser Ausführungsform gegenüber derjenigen nach FIG 3 vergleichsweise groß. Achsen- Symmetrien zeigen sich bei dieser Ausführungsform entlang der Spiegelachsen A, A' und A' ' .In the embodiment shown in FIG. 9, the trapezoidal magnetic poles N, S, in turn, are arranged on the rotor surface 4b in gap-like alternating bevel. The resulting between adjacent magnetic poles N, S magnet-free gaps or transition regions 9 in this embodiment lead to a relatively low Polabdeckungsgrad, for example, α = 85%. With regard to the changing axial width b of the magnetic poles N, S in the direction of the circumference U of the rotor 4 and with respect to the axis symmetry of the individual magnetic poles N, S to these associated central or central, axially extending in the z-direction mirror axis A, this embodiment otherwise corresponds to that according to FIG. 2 The embodiment of FIG 10 corresponds with respect to the hexagonal geometry of the magnetic poles N, S and the axis symmetry along the axial mirror axis A and extending in the circumferential direction U central mirror axis A 'of the embodiment of FIG 3. However, this is a gap-prone cross bevel , which leads to a Polabdeckungsgrad α, for example, also 85%. The magnet-free transition regions 9 are comparatively large in this embodiment compared to that of FIG. Axis symmetries are shown in this embodiment along the mirror axes A, A 'and A''.
Die Ausführungsform nach FIG 11 stellt eine sogenannte Pfeil- schrägung dar. Diese Pfeilschrägung ist beispielsweise wie- derum lückenbehaftet, wobei der Polabdeckungsgrad α bei dieser Ausführungsform wiederum 85% beträgt. Die Pfeilschrägung zeigt eine Achsensymmetrie, die in Umfangsrichtung U des Läufers 4 und dabei entlang der axialen Polbreite b mittig zwischen den Polrändern 7,8 der Magnetpole N, S verläuft.The embodiment according to FIG. 11 represents a so-called oblique arrow. For example, this arrow bevel is again filled with gaps, wherein the pole cover degree α in this embodiment is again 85%. The arrow bevel shows an axis symmetry which runs in the circumferential direction U of the rotor 4 and thereby along the axial pole width b centrally between the pole edges 7,8 of the magnetic poles N, S.
Der den Ausführungsformen nach den FIG 9 bis 11 gemeinsame Verlauf des Läuferfeldes LB ist in dem in FIG 12 gezeigten Diagramm dargestellt, an dessen Abszisse wiederum der Umfang U des Läufers 4 im Bogenmaß und an dessen Ordinate die Induk- tion B angetragen sind. Das axial gemittelte Läuferfeld LB zeigt wiederum einen trapezförmigen Feldverlauf. Der Feldverlauf des Läuferfeldes LB gemäß FIG 12 zeigt in den Nulldurchgängen bei π/4, 3/4π und 5/4π jeweils einen geringfügigen Versatz der trapezförmigen Halbwellen. Ursache für diese Stö- rung des Läuferfeldes LB sind die magnetfreien Lücken oder Übergangsbereiche 9 zwischen benachbarten Magnetpolen N, S. Der Vorteil dieser Ausführungsformen ist jedoch der vergleichsweise geringe Bedarf an Magnetmaterial der einzelnen Magnetpole N, S aufgrund des vergleichsweise geringen Polabdeckungsgrades α.The course of the rotor field L B common to the embodiments according to FIGS. 9 to 11 is shown in the diagram shown in FIG. 12, on whose abscissa the circumference U of the rotor 4 in radians and at its ordinate the induction B are plotted. The axially averaged rotor field L B again shows a trapezoidal field profile. The field profile of the rotor field L B according to FIG 12 shows in the zero crossings at π / 4, 3 / 4π and 5 / 4π each a slight offset of the trapezoidal half-waves. The reason for this disturbance of the rotor field L B are the magnet-free gaps or transition regions 9 between adjacent magnetic poles N, S. However, the advantage of these embodiments is the comparatively low demand for magnetic material of the individual Magnetic poles N, S due to the relatively low Polabdeckungsgrades α.
Grundsätzlich führt bei allen Ausführungsformen nach den FIG 3 bis 7 und 9 bis 11 der unterhalb von 100% liegende Polabdeckungsgrad α zu einem entsprechend verminderten Bedarf an Magnetmaterial für die Magnetpole N, S. Andererseits sind geometrische Formen der Magnetpole N, S gemäß den FIG 2 und 9 sowie FIG 7 vergleichsweise einfach herstellbar. Allen Ausfüh- rungsformen nach den FIG 2 bis 7 und 9 bis 11 gemeinsam ist eine zuverlässige Unterdrückung oder Reduzierung der genannten Störeffekte bei gleichzeitiger Vermeidung unerwünschter axialer Zugkräfte.In principle, in all the embodiments according to FIGS. 3 to 7 and 9 to 11 the pole cover degree α lying below 100% leads to a correspondingly reduced requirement for magnetic material for the magnetic poles N, S. On the other hand, geometric shapes of the magnetic poles N, S according to FIG and 9 and FIG 7 comparatively easy to produce. Common to all embodiments according to FIGS. 2 to 7 and 9 to 11 is a reliable suppression or reduction of the above-mentioned interference effects while at the same time avoiding undesired axial tensile forces.
Zudem stellen die Ausführungsformen nach den FIG 2 bis 7 sowie 9 bis 11 Geometrien bzw. Anordnungen der Magnetpole N, S jeweils einer Trapezpolanordnung dar, die sich zumindest teilweise durch bestimmte oder gezielte Kombinationen oder Unterkombinationen anderer der gezeigten Anordnungen ergeben, wobei auch weitere Geometrien bzw. Trapezpolanordnungen denkbar sind.In addition, the embodiments according to FIGS. 2 to 7 and FIGS. 9 to 11 show geometries or arrangements of the magnetic poles N, S respectively of a trapezoidal pole arrangement which result at least in part from specific or targeted combinations or subcombinations of other arrangements shown, whereby further geometries and / or Trapeze pole arrangements are conceivable.
Die Ausführungsformen nach den FIG 13 und 15 bis 18 zeigen rundliche oder abgerundete Geometrien der Magnetpole N, S, die in deren Anordnung auf der Läuferoberfläche 4b zu einem sinusförmigen Feldverlauf des Läuferfeldes LB gemäß den FIG 14 bzw. 19 führt. Dabei sind in den Diagrammen nach den FIG 14 und 19 wiederum der Umfang U des Läufers 4 im Bogenmaß gegen die axial gemittelte Induktion B (Läuferfeld LB ) aufgetra- gen.The embodiments according to FIGS. 13 and 15 to 18 show rounded or rounded geometries of the magnetic poles N, S, which in their arrangement on the rotor surface 4b leads to a sinusoidal field profile of the rotor field L B according to FIGS. 14 and 19. In this case, in the diagrams according to FIGS. 14 and 19, the circumference U of the rotor 4 is again plotted in radians against the axially averaged induction B (rotor field L B ).
Während bei der eine Mäanderpolanordnung darstellenden Ausführungsform nach FIG 15 die Magnetpole N, S selbst eine si- nusförmige Geometrie mit je Magnetpol N, S der Geometrie einer Sinushalbwelle aufweisen, entspricht die Geometrie der Magnetpole N, S bei den eine Sinuspolanordnung darstellenden Ausführungsformen nach den FIG 13 und 16 der durch zwei gegen- läufige Sinuswellen eingeschlossenen Flächengeometrien.While in the case of a meander pole arrangement representing embodiment of FIG 15, the magnetic poles N, S itself a si- Nus-shaped geometry with each magnetic pole N, S having the geometry of a sine half-wave corresponds to the geometry of the magnetic poles N, S in the sine-pole arrangement representing embodiments of FIGS 13 and 16 of the enclosed by two opposing sine waves surface geometries.
Bei den ebenfalls eine Sinuspolanordnung darstellenden Ausführungsformen nach den FIG 13 und 15 bis 18 unterscheiden sich die Anordnungen nach den FIG 13 und 16 durch eine wie- derum lückenbehaftete bzw. lückenlose Anordnung der Magnetpole N, S an der Läuferoberfläche 4b. Die Ausführungsform nach FIG 17 unterscheidet sich von derjenigen nach FIG 16 dadurch, dass die die Magnetpole N, S einhüllenden Sinuswellen oder sinusartigen Wellen geringfügig verzogen und/oder gegeneinander versetzt sind.13 and 16, the arrangements according to FIGS. 13 and 16 differ by a gap-like or gapless arrangement of the magnetic poles N, S on the rotor surface 4b. The embodiment according to FIG. 17 differs from that according to FIG. 16 in that the sine waves or sinusoidal waves enveloping the magnetic poles N, S are slightly distorted and / or offset from one another.
Bei der Ausführungsform nach FIG 18 ist jeder Magnetpol N, S durch zwei Einzelmagnete mit jeweils gleicher Polorientierung gebildet, wobei die geometrischen Form der Magnetpole N, S einander am Scheitelpunkt einer Sinushalbwelle oder einesIn the embodiment according to FIG. 18, each magnetic pole N, S is formed by two individual magnets each having the same pole orientation, the geometric shape of the magnetic poles N, S being at the vertex of a sine half-cycle or one
Teils einer solchen aneinander liegen. An einer dadurch gebildeten, wiederum mittig zwischen den Polrändern 7,8 in Um- fangsrichtung des Läufers 4 verlaufenden Spiegelachse A' weist die Ausführungsform nach FIG 18 wiederum eine Achsen- Symmetrie auf. Zudem weist jeder einzelner Magnetpol N, S eine Achsensymmetrie entlang einer mittig axial in z-Richtung verlaufenden Spiegelachse A auf. Eine weitere Achsensymmetrie besteht entlang einer wiederum axial in z-Richtung zwischen benachbarten Magnetpolen N, S verlaufenden Spiegelachse A''.Part of such a lie together. The embodiment according to FIG. 18 again has an axis symmetry on a mirror axis A 'formed thereby, again centrally between the pole edges 7, 8 in the circumferential direction of the rotor 4. In addition, each individual magnetic pole N, S has an axis symmetry along a mirror axis A extending axially in the z-direction. A further axis symmetry exists along a mirror axis A ", which in turn extends axially in the z-direction between adjacent magnetic poles N, S.
Bei den Ausführungsformen nach den FIG 15 und 16 sind die Polkanten k der Magnetpole N, S teilweise oder zumindest annähernd vollständig an die Sinusform angepasst. Bei der Ausfüh- rungsform nach FIG 17 weicht der Verlauf der Polkanten k von der Sinusform geringfügig ab. Der Kantenverlauf der Polkanten k der Ausführungsformen nach den FIG 13 und 18 ist halbkreis- oder viertelkreisförmig.In the embodiments according to FIGS. 15 and 16, the pole edges k of the magnetic poles N, S are partially or at least approximately completely matched to the sinusoidal shape. In the case of According to FIG. 17, the course of the pole edges k deviates slightly from the sinusoidal shape. The edge course of the pole edges k of the embodiments according to FIGS. 13 and 18 is semicircular or quarter-circle-shaped.
Während die Ausführungsformen nach FIG 15 Achsensymmetrien zur zuvor definierten polspezifischen Spiegelachse A aufweisen, zeigen die FIG 16 und 17 eine Achsensymmetrie zur zuvor definierten Spiegelachse A' ' . Die Ausführungsform nach FIG 16 zeigt zudem ebenso wie die Ausführungsform nach FIG 13 eine Achsensymmetrie zur zuvor definierten Spiegelachse A'.While the embodiments according to FIG. 15 have axis symmetries with respect to the pole-specific mirror axis A defined above, FIGS. 16 and 17 show an axis symmetry with respect to the previously defined mirror axis A ". The embodiment according to FIG. 16 also shows, like the embodiment according to FIG. 13, an axis symmetry to the previously defined mirror axis A '.
Während bei der Ausführungsform nach FIG 15 der Polabdeckungsgrad analog zur Ausführungsform nach FIG 2 α = 100% aufweist, ist der Polabdeckungsgrad α bei den Ausführungsformen nach den FIG 13 und 16 bis 18 wiederum analog zu den Ausführungsformen nach den FIG 3 bis 7 und 9 bis 11 kleiner als 100%. So beträgt der Polabdeckungsgrad α bei der Ausführungsform nach FIG 16 sogar lediglich 63,7%. Bei der Ausführungs- form nach FIG 13 ist auf Grund der dort gezeigten lückenbehafteten Sinuspolanordnung der Polabdeckungsgrad α sogar kleiner als 63,7%. Der vergleichsweise geringe Polabdeckungsgrad α der in den FIG 13 und 16 bis 18 gezeigten Ausführungsformen führt zu einem wiederum vergleichsweise geringen Be- darf an Material für die Magnetpole N, S.While in the embodiment of FIG 15, the Polabdeckungsgrad analogous to the embodiment of FIG 2 α = 100%, the Polabdeckungsgrad α in the embodiments of Figures 13 and 16 to 18 again analogous to the embodiments of Figures 3 to 7 and 9 to 11 less than 100%. Thus, the Polabdeckungsgrad α in the embodiment of FIG 16 even only 63.7%. In the embodiment according to FIG. 13, the pole cover degree α is even smaller than 63.7% due to the gapy sine pole arrangement shown there. The comparatively low pole coverage α of the embodiments shown in FIGS. 13 and 16 to 18 leads to a again comparatively low requirement of material for the magnetic poles N, S.
Der Vorteil der Sinuspolanordnungen gemäß den FIG 13 und 15 bis 18 besteht darin, dass durch eine entsprechende geometrische Ausgestaltung der Magnetpole N, S und deren Anordnung an der Läuferoberfläche 4b ein zumindest annähernd exakt sinusförmiges axial gemitteltes Läuferfeld LB bzw. eine sinusförmige axial gemittelte Induktion B erreicht oder erzeugt wird. Zudem variiert oder ändert sich auch bei diesen Sinuspolanordnungen gemäß den Ausführungsformen nach den FIG 13 und 15 bis 18 die axiale Breite b der Magnetpole N, S in Umfangsrich- tung U des Läufers 4. Ferner zeigen bei diesen Ausführungs- formen die Magnetpole N, S und/oder deren Anordnung an der Läuferoberfläche 4b mindestens eine Achsensymmetrie.The advantage of the sine-pole arrangements according to FIGS. 13 and 15 to 18 is that, by means of a corresponding geometric configuration of the magnetic poles N, S and their arrangement on the rotor surface 4b, an at least approximately exactly sinusoidal axially averaged rotor field L B or a sinusoidal axially averaged induction B is reached or generated. In addition, the axial width b of the magnetic poles N, S in the circumferential direction U of the rotor 4 also varies or changes in these sinusoidal pole arrangements according to the embodiments according to FIGS. 13 and 15 to 18. Further, in these embodiments, the magnetic poles N, S and / or their arrangement on the rotor surface 4b at least one axis symmetry.
Auch stellen wiederum die Ausführungsformen nach den FIG 13 und 15 bis 18 Geometrien bzw. Anordnungen der Magnetpole N, S in speziellen Sinus- bzw. Mäanderpolanordnungen dar, die sich zumindest teilweise durch bestimmte oder gezielte Kombinationen oder Unterkombinationen anderer der gezeigten Anordnungen ergeben können, wobei ebenfalls auch weitere Geometrien bzw. Sinuspolanordnungen denkbar sind.Again, the embodiments of FIGS. 13 and 15 to 18 represent geometries or arrangements of the magnetic poles N, S in special sine or meander pole arrangements, which may result at least in part from specific or targeted combinations or subcombinations of other arrangements shown also other geometries or sine-pole arrangements are conceivable.
Den Ausführungsformen nach den FIG 2 bis 7, 9 bis 11, 13 und 15 bis 18 gemeinsam ist, dass bestimmte Feldanteile des Läuferfeldes, d.h. bestimmte Oberwellen, die jeweils bestimmte der genannten Störeffekte verursachen, durch die speziellen Geometrien der Magnetpole N, S oder zusätzlich auch durch eine oder mehrere der gezeigten Achsensymmetrien A, A', A'' vermieden, reduziert oder vollständig eliminiert werden können. Letztendlich lässt sich somit erkanntermaßen praktisch jedes gewünschte, oberwellenarme Läuferfeld LB allein durch die Ge- ometrie der Magnetpole N, S und durch spezielle Achsensymmetrien A, A', A' ' auf Grund bestimmter Anordnungen, insbesondere einer Sinuspolanordnung oder einer Trapezpolanordnung, erzeugen, wodurch zu Störeffekten führende Feldanteile eliminiert werden. It is common to the embodiments according to FIGS. 2 to 7, 9 to 11, 13 and 15 to 18 that certain field components of the rotor field, ie specific harmonics, each cause certain of the mentioned interference effects, due to the special geometries of the magnetic poles N, S or additionally can also be avoided, reduced or completely eliminated by one or more of the axis symmetries A, A ', A''shown. Thus, it is recognized that virtually any desired, low-harmonic rotor field L B can be produced solely by the geometry of the magnetic poles N, S and by special axis symmetries A, A ', A "on the basis of specific arrangements, in particular a sine pole arrangement or a trapezoidal pole arrangement, whereby field effects leading to disturbing effects are eliminated.

Claims

Patentansprüche claims
1. Permanenterregte Synchronmaschine (1) mit einem eine Ständerwicklung (U, V, W) zur Erzeugung eines Ständerfeldes aufweisenden Ständer (2), der unter Bildung eines Luftspaltes (3) einen Läufer (4) mit einer zu einer Läuferachse (4a) radial beabstandeten Läuferoberfläche (4b) umgibt, an der in Umfangsrichtung (U) eine der Polzahl (2p) entsprechende Anzahl von Magnetpolen (N, S) mit einer von zwei einander gege- nüberliegenden Polrändern (7,8) begrenzten axialen Polbreite (b) angeordnet sind, wobei die axiale Polbreite (b) der Magnetpole (N, S) jeweils in Umfangsrichtung (U) variiert.1. Permanent-magnet synchronous machine (1) with a stator winding (U, V, W) for generating a stator field having stator (2) forming an air gap (3) a rotor (4) with a to a rotor axis (4a) radially surrounds a spaced-apart rotor surface (4b) on which in the circumferential direction (U) one of the number of poles (2p) corresponding number of magnetic poles (N, S) arranged with one of two opposite Polrändern (7,8) limited axial Polbreite (b) are, wherein the axial pole width (b) of the magnetic poles (N, S) varies in each case in the circumferential direction (U).
2. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 1, wobei die Anordnung der Magnetpole (N, S) auf der Läuferoberfläche (4b) wenigstens eine Achsensymmetrie (A,Aλ,Aλλ) zeigt.2. Permanent magnet synchronous machine (1) according to claim 1, wherein the arrangement of the magnetic poles (N, S) on the rotor surface (4b) shows at least one axis symmetry (A, A λ , A λλ ).
3. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei benachbarte Magnetpole (4b) zu einer in Rich- tung der Läuferachse (4a) orientierten Spiegelachse (Aλλ) symmetrisch ausgebildet sind.3. Permanent-magnet synchronous machine (1) according to claim 1 or 2, wherein adjacent magnetic poles (4b) to a in the direction of the rotor axis (4a) oriented mirror axis (A λλ ) are formed symmetrically.
4. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jeder Magnetpol (N, S) auf der Läufer- Oberfläche (4b) eine Achsensymmetrie (A) zeigt.4. Permanent magnet synchronous machine (1) according to one of claims 1 to 3, wherein each magnetic pole (N, S) on the rotor surface (4b) shows an axis symmetry (A).
5. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 4, wobei jeder Magnetpol (N, S) symmetrisch zu einer in Umfangs- richtung (U) des Läufers (4), vorzugsweise mittig, zwischen den Polrändern (7,8) verlaufenden Spiegelachse (Aλ) ausgebildet ist. 5. Permanent magnet synchronous machine (1) according to claim 4, wherein each magnetic pole (N, S) symmetrical to a circumferential direction (U) of the rotor (4), preferably in the middle, between the pole edges (7,8) extending mirror axis (A λ ) is formed.
6. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die axiale Polbreite (b) der Magnetpole (N, S) zu den Polrändern (7,8) hin abnimmt.6. Permanent magnet synchronous machine (1) according to one of claims 1 to 5, wherein the axial pole width (b) of the magnetic poles (N, S) to the Polrändern (7,8) decreases towards.
7. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zwischen den Polrändern (7,8) verlaufenden Polkanten (k) jedes Magnetpols (N, S) zueinander gegensinnig schräg verlaufen.7. Permanent-magnet synchronous machine (1) according to one of claims 1 to 6, wherein between the polar edges (7,8) extending pole edges (k) of each magnetic pole (N, S) are inclined in opposite directions to each other.
8. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 7, wobei die Polkanten (k) benachbarter Magnetpole (N, S) zueinander gleichsinnig oder gegensinnig schräg verlaufen.8. Permanent-magnet synchronous machine (1) according to claim 7, wherein the pole edges (k) of adjacent magnetic poles (N, S) extend in the same direction or in opposite directions obliquely.
9. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den Polrändern (7,8) die Polkanten (k) jedes Magnetpols (N, S) zueinander gleichsinnig und die Polkanten (k) benachbarter Magnetpole (N, S) zueinander gegensinnig schräg verlaufen.9. Permanent-magnet synchronous machine (1) according to one of the preceding claims, wherein between the pole edges (7,8) the pole edges (k) of each magnetic pole (N, S) to each other in the same direction and the pole edges (k) of adjacent magnetic poles (N, S) to each other run obliquely in opposite directions.
10. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Magnetpole (N, S) die Form eines Sechsecks aufweisen.10. Permanent magnet synchronous machine (1) according to one of claims 1 to 8, wherein the magnetic poles (N, S) have the shape of a hexagon.
11. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der An- sprüche 1 bis 9, wobei die axiale Polbreite (b) der Magnetpole (N, S) in Umfangsrichtung (U) sinusförmig variiert.11. Permanent magnet synchronous machine (1) according to any one of claims 1 to 9, wherein the axial pole width (b) of the magnetic poles (N, S) in the circumferential direction (U) varies sinusoidally.
12. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Magnetpole (N, S) in Umfangsrichtung (U) äußere Polecken (e) aufweisen, die zwischen den beiden Polrändern (7,8) angeordnet sind. 12. Permanent magnet synchronous machine (1) according to claim 10 or 11, wherein the magnetic poles (N, S) in the circumferential direction (U) outer Polecken (s), which are arranged between the two pole edges (7,8).
13. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Magnetpole (N, S) aus Magnetplätt- chen zusammengesetzt sind.13. Permanent magnet synchronous machine (1) according to any one of claims 1 to 12, wherein the magnetic poles (N, S) are composed of magnetic plates chen.
14. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Polabdeckungsgrad (α) der Anordnung der Magnetpole (N, S) an der Läuferoberfläche (4b) kleiner oder gleich 100%, vorzugsweise 60% bis 95%, ist.14. Permanent magnet synchronous machine (1) according to one of claims 1 to 13, wherein the Polabdeckungsgrad (α) of the arrangement of the magnetic poles (N, S) on the rotor surface (4b) is less than or equal to 100%, preferably 60% to 95% ,
15. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der der Ständer (2) eine Einzelzahnwicklung aufweist.15. Permanent magnet synchronous machine (1) according to one of claims 1 to 14, wherein the stator (2) has a single tooth winding.
16. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach einem der An- sprüche 1 bis 15, bei der die axiale Polbreite (b) der Magnetpole (N, S) in Umfangsrichtung (U) derart variiert, dass sich die Magnetfelder der Nordpole (N) und der Südpole (S) in axialer Richtung (z) nicht gegenseitig aufheben.16. Permanent magnet synchronous machine (1) according to any one of claims 1 to 15, wherein the axial pole width (b) of the magnetic poles (N, S) in the circumferential direction (U) varies such that the magnetic fields of the north pole (N) and the south pole (S) in the axial direction (z) do not cancel each other.
17. Hybrid-Fahrzeug mit einer permanenterregten Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16. 17. Hybrid vehicle with a permanent-magnet synchronous machine (1) according to one of claims 1 to 16.
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