WO2012059258A1 - Wirkungsgradoptimierte synchronmaschine - Google Patents

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WO2012059258A1
WO2012059258A1 PCT/EP2011/065182 EP2011065182W WO2012059258A1 WO 2012059258 A1 WO2012059258 A1 WO 2012059258A1 EP 2011065182 W EP2011065182 W EP 2011065182W WO 2012059258 A1 WO2012059258 A1 WO 2012059258A1
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WO
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magnet
width
rotor
pole
secant
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PCT/EP2011/065182
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Barlas Turgay
Axel Jacob
Patrick Heuser
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets
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    • H02K1/274Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
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    • H02K1/2766Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect
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    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • Electric synchronous machines have a movable, in particular rotating machine part, the rotor, and an immovable part, the stator on.
  • magnets can be arranged on the rotating machine part. During operation of the machine, the magnets are forced outward by centrifugal forces and must be protected against excessive centrifugal forces by design features of the machine.
  • the electric synchronous machine seldom reaches a maximum value of the possible torque. Often the load points are between 0 and 20% of the maximum torque. This applies to the entire speed range. For city cycles, for example, the load points are in the lower speed range, in the case of land cycles in the middle and high-speed motorway cycles. Disclosure of the invention
  • an electric synchronous machine with a rotor and a plurality of poles is presented.
  • the poles have a pole width corresponding to an angle of 360 ° divided by the plurality of poles.
  • Each pole has a first magnet and a second magnet with a common magnet width.
  • the magnet width corresponds to an angle formed between a first secant and a second secant.
  • the first secant passes through the center of the rotor and through a point of the first magnet closest to the rotor edge.
  • the second secant runs through the center of the rotor and through a rotor edge closest to the second magnet.
  • the magnet width is less than 75% of the pole width.
  • the idea of the invention is based on increasing the machine efficiency of the electric synchronous machine by reducing iron losses by means of the described rotor geometry with the specially selected arrangement of the magnets.
  • the inventive design of the rotor of the electric synchronous machine in addition to the advantageous increase in efficiency and the reduction of iron losses additionally causes a reduction in torque ripple and an increase in the mechanical speed stability.
  • the electric synchronous machine can be designed as a permanent-magnet synchronous machine or as an electric motor or generator.
  • the synchronous machine may include a rotor and a stator.
  • the rotor can be circular, for example, designed as a circular rotor core.
  • the stator may be annular and surround the circular rotor.
  • the rotor has a plurality of poles, which may be defined, for example, as exit regions of magnetic field lines from a magnetic circuit.
  • the plurality of poles corresponds to an even number of at least two poles.
  • the rotor may have two, four, six, eight, ten, etc. poles.
  • the rotor is divided by the poles into symmetrical circular segments. tert rushes.
  • a Polamba corresponds to 360 ° divided by the number of poles.
  • the pole width can also be given in radians or in electrical degrees.
  • the pole width is 45 ° for an 8-pole rotor.
  • Each pole has a first magnet and a second magnet, which are designed, for example, as permanent magnets.
  • each pole can have a plurality of first and a plurality of second magnets.
  • the first and the second magnet may be arranged in a V-shape.
  • the magnets can be arranged in pocket-shaped cutouts, here recesses, in the rotor lamination package.
  • the first and second magnets are symmetrically disposed within the pole. This means, for example, that the lines passing through the center of the pole and through the center of the rotor can be imaged onto one another by mirrors.
  • the first and second magnets each have a longitudinal axis lying in a plane perpendicular to the axis of rotation of the rotor.
  • the first and second magnets collectively span a magnet width corresponding to an angle formed between a first secant and a second secant. Both the first and the second secant pass through the center of the rotor and may also be referred to as the first and second central.
  • the first secant also passes through the first magnet at a point closest to the edge of the rotor. If the first magnet is arranged approximately parallel to the edge of the rotor, the first secant can pass through a point of the magnet which is closest to the adjacent pole.
  • Rotor edge can e.g. be the circumference of the rotor.
  • the second secant passes through the second magnet at a point closest to the edge of the rotor. For example, this point of the second magnet is closest to the other adjacent pole.
  • the magnet width may further correspond to the area of a pole covered by the first magnet and the second magnet. If the first and the second magnet do not touch, the area between the magnets may also belong to the magnet width.
  • the magnet width is less than 75% of the pole width. For example, the pole width at an 8- pole rotor, as shown above, 45 °, thus in this example, the magnetic width is less than 33.75 °.
  • the magnet width is more than 65 ° of the pole width.
  • the magnet width is therefore more than 29.25 °, so the magnet width is between 65% and 75% of the pole width.
  • the first magnet is arranged in a first recess and the second magnet is arranged in a second recess.
  • the first and second recesses are arranged symmetrically to each other as well as the magnets.
  • the recesses may, for example, represent pocket-shaped cutouts in the rotor laminated core.
  • the recesses span a common recess width, which, analogous to the magnet width, corresponds to an angle which is spanned by two secants. These secants, namely the third and fourth secants, are defined similarly to the first and second secants.
  • the magnet width is smaller than the recess width. That is, the magnets disappear in the recesses and the recesses cover a larger angular range than the magnets.
  • the recess width is less than 95% of the pole width. In the example of the 8-pole rotor, the recess width is thus less than 42.75 °.
  • Both the pole and the magnet and recess width correspond to a dimension or degree with respect to a plane perpendicular to the axis of rotation of the rotor.
  • the recess width is more than 85% of the pole width. In the above example, the recess width is thus greater than 38.25 °.
  • the magnet width is between 70 and 85% of the recess width.
  • the first and the second magnet are arranged in a V-shape.
  • the longitudinal axes of the magnets run apart in the radial direction.
  • the magnets can touch with their ends closest to the rotor center.
  • the V is open in the circumferential direction.
  • the recesses in which the magnets are arranged each have a first and a second part.
  • the first and second parts have different slopes from each secant through the center of the rotor, especially the first, second, third and fourth secants.
  • the first part of the recess and the second part of the recess may each be rectilinear and form an angle with each other. Compared to a secant through the rotor center and through the intersection of the longitudinal axes of the recesses, the amount of inclination in particular towards the pole edge or to the nearest pole increase or decrease.
  • the first and the second magnet ie in each case two adjacent magnets, at the intersection of their longitudinal axes at an angle of 150 ° or close this one.
  • the angle of 150 ° at the apex of the Vs is the angle of 150 ° at the apex of the Vs.
  • trapezoidal recesses are provided at the boundary between the poles.
  • the trapezoidal recesses may be made separately from the recesses for the magnets.
  • an electric vehicle with an electric synchronous machine described above is presented.
  • the vehicle can be designed as a hybrid vehicle and the synchronous machine can act as a motor.
  • Fig. 2 shows iron losses as a function of speed and torque of an electric synchronous machine
  • Fig. 3 shows a cross section of a pole of a synchronous electric machine with V-shaped magnets arranged
  • Fig. 4 shows a cross section of an eight-pole rotor perpendicular to the axis of rotation of a synchronous electric machine with V-shaped recesses
  • Fig. 5 shows a segment of a cross section of a synchronous electric machine with not mutually inclined magnets
  • Fig. 1 the speed per minute is plotted on the abscissa and the X-axis. On the ordinate or on the Y-axis, the torque is plotted in Newton meters (Nm).
  • the functions entered at the top of the graph represent the maximum torque. This is approx. 200 - 250 Nm.
  • the load points occurring in the driving cycle of an electric vehicle are often between 0 and 20% of the maximum torque distributed over the entire speed range. This is represented by the box between -50 and 50 Nm.
  • the embodiment of the electric synchronous machine according to the invention increases the efficiency in the Lucaskastelten cycle-relevant part-load range and at the same time meets the high demands on maximum torque, maximum power and maximum speed.
  • Fig. 3 is a cross section of a pole 7 of a synchronous machine 1 with V-shaped magnet 11, 13 is shown.
  • the magnets are on the rotor 3 of the
  • Synchronous machine 1 arranged in recesses 27 and 29.
  • the magnets and the recesses or respectively their longitudinal axes enclose an angle of 150 ° with each other.
  • the synchronous machine 1 can be designed as a permanently excited synchronous machine and has a rotor 3 rotatably mounted in a stator 5, e.g. from electric sheet on.
  • the magnets of the rotor can as
  • the stator 5 has teeth which are directed towards the center 19 of the rotor.
  • the teeth may be provided with phase windings which generate a magnetic stator field which, in interaction with a field of excitation, generates a torque driving the rotor 3.
  • a pole 7 is shown whose pole width 9 corresponds to 100%.
  • the magnets 11, 13 of the pole 7 cover 71.1% of the pole width 9.
  • the magnetic pocket width 15 in the illustrated example is 88% of the pole width 9.
  • Trapezoidal recesses 45 are provided between the poles which may help reduce torque ripple while increasing speed stability.
  • the trapezoidal recess 45 can act as a relief notch and reduce stresses that may arise in the land base, by adjusting the geometric dimensions. In the illustrated
  • Example, the number of holes q 2.
  • the number of holes is calculated as the number of divided by the number of poles and strands.
  • the number of holes q of the synchronous machine 1 according to the invention can for example be between 0.5 and 3.
  • the magnet width 15 is defined.
  • the magnetic width 15 corresponds to the angle between the first secant 16 and the second secant 17.
  • the first secant 16 passes through the center 19 of the rotor 3 and through a rotor edge 21 nearest point 23 of the first magnet 11.
  • the second secant 17th The magnet width 15 is less than 75% and more than 65% of the pole width 9.
  • the magnet width 15 is between 68 % and 72% of the pole width 9.
  • the magnet width is 71.1% of the pole width 9.
  • the third secant 33 and the fourth secant 35 extend through the center 19 of the rotor 3.
  • the third secant 33 extends through a rotor edge 21 closest to the point 37 of the first recess 27.
  • the fourth secant 35 further extends through a rotor rim 21st The next lying point 39 of the second recess 29.
  • the recess width 31 is between 85 and 95% of the pole width 9.
  • the first recess 27 and the second recess 29, also referred to as magnetic pockets have a common recess width 31. This is defined by an angle between a third secant 33 and a fourth edge 35.
  • the third secant 33 and the fourth secant 35 extend through the center 19 of the rotor 3.
  • the third secant 33 extends through a rotor edge 21 closest to the point
  • the magnetic pockets cover 88.8% of the pole 7 from.
  • the recesses 27, 29 have a first part 41 and a second part 43.
  • the first part 41 is in each case arranged closer to the Polmitte.
  • the recesses have a kink, that is, both the first part 41 and the second part 43 are straight, but with different pitch, for example, with respect to the first secant 16.
  • the second part 43 of the recesses 27, 29 remains free or empty, for example.
  • the combination of geometrical features minimizes iron losses without sacrificing noticeable losses in the magnetic flux.
  • FIG. 4 shows a cross section through an 8-pole rotor 3 perpendicular to the axis of rotation.
  • the first and second recesses 27, 29 are empty, that is, the magnets 11, 13 are not yet inserted in the magnetic pockets.
  • the course of the first part 41 and the second part 43 of the recesses 27, 29 is clearly visible.
  • the pole width 9 of the 8-pole rotor 3, which corresponds to 100%, is 45 °.
  • Recess width 31 is about 33 °.
  • FIG. 4 shows a segment of a cross section of a synchronous electric machine 1 with magnets 11, 13 not inclined relative to one another or recesses 27, 29 which are not inclined relative to one another.
  • the illustrated segment of the synchronous machine 1 corresponds to a pole width 9.
  • the magnets 11, 13 and the recesses 27, 29 extend along a line. Only the second part 43 of the recesses 27, 29 has an inclination angle with respect to the magnetic course.

Abstract

Es wird eine elektrische Synchronmaschine (1) vorgestellt, die einen Rotor (3) mit einer Vielzahl von Polen (7) aufweist. Die Polbreite entspricht dabei einem Winkel von 360° geteilt durch die Vielzahl der Pole (7). Jeder Pol (7) weist einen ersten Magneten (11) und einen zweiten Magneten (13) mit einer gemeinsamen Magnetbreite (15) auf. Die Magnetbreite (15) entspricht dabei einem Winkel, der zwischen einer ersten Sekante (16) und einer zweiten Sekante (17) gebildet wird. Dabei verläuft die erste Sekante (16) durch den Mittelpunkt (19) des Rotors (3) und durch einen dem Rotorrand (21) am nächsten liegenden Punkt (23) des ersten Magneten (11). Die zweite Sekante (17) verläuft dabei durch den Mittelpunkt (19) des Rotors (3) und durch einen dem Rotorrand (21) am nächsten liegenden Punkt (25) des zweiten Magneten (13). Die Magnetbreite (15) beträgt dabei weniger als 75% der Polbreite (9).

Description

Beschreibung
Wirkungsgradoptimierte Synchronmaschine
Stand der Technik
Elektrische Synchronmaschinen weisen einen beweglichen, insbesondere rotierenden Maschinenteil, den Rotor, und einen unbeweglichen Teil, den Stator, auf. Beispielsweise am rotierenden Maschinenteil können Magnete angeordnet sein. Bei Betrieb der Maschine werden die Magnete durch Fliehkräfte nach außen gedrückt und müssen durch Konstruktionsmerkmale der Maschine gegen zu hohe Fliehkräfte geschützt werden.
Die elektrische Synchronmaschine erreicht selten einen Maximalwert des mögli- chen Drehmoments. Häufig liegen die Lastpunkte zwischen 0 und 20% des maximalen Drehmoments. Dies gilt für den kompletten Drehzahlbereich. Bei Stadtzyklen liegen die Lastpunkte zum Beispiel im unteren, bei Landzyklen im mittleren und bei Autobahnzyklen im oberen Drehzahlbereich. Offenbarung der Erfindung
Es kann daher ein Bedarf an einer verbesserten elektrischen Synchronmaschine und einem elektrischen Fahrzeug mit einer entsprechenden Synchronmaschine bestehen, die insbesondere eine Erhöhung des Maschinenwirkungsgrades im zyklusrelevanten Teillastbereich bei gleichzeitiger Erfüllung der hohen Anforderungen an Maximaldrehmoment, Maximalleistung und Maximaldrehzahl ermöglichen.
Diese Aufgabe kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Synchronmaschine mit einem Rotor und einer Vielzahl von Polen vorgestellt. Die Pole weisen eine Polbreite auf, die einem Winkel von 360°, geteilt durch die Vielzahl der Pole, entspricht. Jeder Pol weist einen ersten Magneten und einen zweiten Magneten mit einer gemeinsamen Magnetbreite auf. Die Magnetbreite entspricht einem Winkel, der zwischen einer ersten Sekante und einer zweiten Sekante gebildet ist. Die erste Sekante verläuft durch den Mittelpunkt des Rotors und durch einen dem Rotorrand am nächsten liegenden Punkt des ersten Magneten. Die zweite Sekante verläuft durch den Mittelpunkt des Rotors und durch einen dem Rotorrand am nächstliegenden Punkt des zweiten Magneten. Dabei beträgt die Mag- netbreite weniger als 75% der Polbreite.
Anders ausgedrückt basiert die Idee der Erfindung darauf, den Maschinenwirkungsgrad der elektrischen Synchronmaschine dadurch zu erhöhen, dass mittels der beschriebenen Rotorgeometrie mit der speziell gewählten Anordnung der Magnete Eisenverluste reduziert werden.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Rotors der elektrischen Synchronmaschine bewirkt neben der vorteilhaften Erhöhung des Wirkungsgrades und der Reduzierung von Eisenverlusten zusätzlich eine Reduzierung der Drehmoment- welligkeit und eine Erhöhung der mechanischen Drehzahlfestigkeit.
Die elektrische Synchronmaschine kann als permanent erregte Synchronmaschine bzw. als Elektromotor oder Generator ausgeführt sein. Die Synchronmaschine kann einen Rotor und einen Stator aufweisen. Der Rotor kann dabei kreis- förmig, zum Beispiel als kreisförmiges Rotorblechpaket, ausgeführt sein. Der Stator kann ringförmig ausgeführt sein und den kreisförmigen Rotor umgeben. Der Rotor weist eine Vielzahl von Polen auf, die zum Beispiel als Austrittsbereiche von magnetischen Feldlinien aus einem magnetischen Kreis definiert sein können. Die Vielzahl von Polen entspricht einer geraden Anzahl von mindestens zwei Polen. Beispielsweise kann der Rotor zwei, vier, sechs, acht, zehn usw. Pole aufweisen. Der Rotor wird durch die Pole in symmetrische Kreissegmente un- terteilt. Eine Polbreite entspricht dabei 360° geteilt durch die Anzahl der Pole. Alternativ kann die Polbreite auch in Bogenmaß oder in elektrischen Grad angegeben werden. Beispielsweise beträgt die Polbreite bei einem 8-poligen Rotor 45°. Jeder Pol weist einen ersten Magneten und einen zweiten Magneten auf, die beispielsweise als Permanentmagneten ausgeführt sind. Ferner kann jeder Pol mehrere erste und mehrere zweite Magnete aufweisen. Der erste und der zweite Magnet können V-förmig angeordnet sein. Ferner können die Magnete in ta- schenförmigen Ausstanzungen, hier Ausnehmungen genannt, im Rotorblechpa- ket angeordnet sein.
Der erste und der zweite Magnet sind symmetrisch innerhalb des Pols angeordnet. Das heißt zum Beispiel, dass die durch Spiegeln an einer durch die Mitte des Pols und durch den Rotormittelpunkt verlaufenden Linien aufeinander abgebildet werden können. Der erste und zweite Magnet weisen jeweils eine Längsachse auf, die in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse des Rotors liegt.
Der erste und der zweite Magnet spannen gemeinsam eine Magnetbreite auf, die einem Winkel entspricht, der zwischen einer ersten Sekante und einer zweiten Sekante gebildet ist. Sowohl die erste als auch die zweite Sekante verlaufen durch den Mittelpunkt des Rotors und können auch als erste und zweite Zentrale bezeichnet werden. Die erste Sekante verläuft ferner durch den ersten Magneten in einem Punkt, der dem Rotorrand am nächsten liegt. Ist der erste Magnet in etwa parallel zum Rotorrand angeordnet, so kann die erste Sekante durch einen Punkt des Magneten verlaufen, der dem benachbarten Pol am nächsten ist. Der
Rotorrand kann dabei z.B. der Umfang des Rotors sein. Analog verläuft die zweite Sekante durch den zweiten Magneten in einem Punkt, der dem Rotorrand am nächsten liegt. Z.B. liegt dieser Punkt des zweiten Magneten dem anderen benachbarten Pol am nächsten.
Die Magnetbreite kann ferner dem Bereich eines Pols entsprechen, der von dem ersten Magneten und dem zweiten Magneten abgedeckt wird. Sofern sich der erste und der zweite Magnet nicht berühren, kann auch der Bereich zwischen den Magneten zur Magnetbreite gehören. Die Magnetbreite beträgt dabei weni- ger als 75% der Polbreite. Beispielsweise beträgt die Polbreite bei einem 8- poligen Rotor, wie oben dargestellt, 45°, somit beträgt in diesem Beispiel die Magnetbreite weniger als 33,75°.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Magnetbreite mehr als 65° der Polbreite. In dem Beispiel mit dem 8-poligen Rotor beträgt die Magnetbreite also mehr als 29,25°, somit liegt die Magnetbreite zwischen 65 % und 75% der Polbreite.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der erste Magnet in einer ersten Ausnehmung und der zweite Magnet in einer zweiten Ausnehmung angeordnet. Die erste und zweite Ausnehmung sind ebenso wie die Magneten symmetrisch zueinander angeordnet. Die Ausnehmungen können beispielsweise taschenförmige Ausstanzungen im Rotorblechpaket darstellen. Die Ausnehmungen spannen eine gemeinsame Ausnehmungsbreite auf, die analog zur Magnetbreite einem Winkel entspricht, der durch zwei Sekanten aufgespannt wird. Diese Sekanten, nämlich die dritte und vierte Sekante, sind ähnlich zu der ersten und zweiten Sekante definiert. Die Magnetbreite ist dabei kleiner als die Ausnehmungsbreite. Das heißt, die Magnete verschwinden in den Ausnehmungen und die Ausnehmungen decken einen größeren Winkelbereich als die Magnete ab. Die Ausnehmungsbreite beträgt dabei weniger als 95% der Polbreite. Im Beispiel des 8-poligen Rotors beträgt die Ausnehmungsbreite also weniger als 42,75°.
Sowohl die Pol-, als auch die Magnet- und Ausnehmungsbreite entsprechen einer Abmessung bzw. Gradangabe in Bezug auf eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse des Rotors.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Ausnehmungsbreite mehr als 85% der Polbreite. Im oben genannten Beispiel ist die Ausnehmungsbreite somit größer als 38,25°.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Magnetbreite zwischen 70 und 85% der Ausnehmungsbreite.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der erste und der zweite Magnet V-förmig angeordnet. Dabei laufen die Längsachsen der Magnete in radialer Richtung auseinander. Die Magnete können sich mit ihren dem Rotormittelpunkt nächstliegenden Enden berühren. Anders ausgedrückt ist das V in Umfangsrichtung offen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die Ausnehmungen, in denen die Magnete angeordnet sind, jeweils einen ersten und einen zweiten Teil auf. Der erste und der zweite Teil weisen unterschiedliche Neigungen gegenüber jeder Sekanten durch den Mittelpunkt des Rotors auf, insbesondere gegenüber der ersten, der zweiten, der dritten und der vierten Sekanten. Der erste Teil der Ausnehmung und der zweite Teil der Ausnehmung können jeweils geradlinig ausgebildet sein und einen Winkel miteinander bilden. Gegenüber einer Sekanten durch den Rotormittelpunkt und durch den Schnittpunkt der Längsachsen der Ausnehmungen kann der Betrag der Neigung insbesondere zum Polrand hin bzw. zum nächstliegenden Pol zunehmen oder abnehmen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der erste und der zweite Magnet, also jeweils zwei benachbarte Magneten, am Schnittpunkt ihrer Längsachsen einen Winkel von 150° auf bzw. schließen diesen ein. Bei einer V-förmigen Anordnung der Magneten liegt der Winkel von 150° am Scheitelpunkt des Vs.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind an der Grenze zwischen den Polen trapezförmige Aussparungen vorgesehen. Die trapezförmigen Aussparungen können separat von den Ausnehmungen für die Magnete ausgeführt sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Elektrofahrzeug mit einer oben beschriebenen elektrischen Synchronmaschine vorgestellt. Insbesondere kann das Fahrzeug als Hybridfahrzeug ausgeführt sein und die Synchronma- schine kann als Motor fungieren.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezug- nähme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich. zeigt das Drehmoment aufgetragen in Abhängigkeit von der Drehzahl und die zyklusrelevanten Lastpunkte einer elektrischen Synchronmaschine
Fig. 2 zeigt Eisenverluste in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment einer elektrischen Synchronmaschine
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt eines Pols einer elektrischen Synchronmaschine mit V-förmig angeordneten Magneten
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt eines acht-poligen Rotors senkrecht zur Rotationsachse einer elektrischen Synchronmaschine mit V-förmig angeordneten Ausnehmungen Fig. 5 zeigt ein Segment eines Querschnitts einer elektrischen Synchronmaschine mit nicht gegeneinander geneigten Magneten
Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
In Fig. 1 ist auf der Abszisse bzw. der X-Achse die Drehzahl pro Minute aufgetragen. Auf der Ordinate bzw. auf der Y-Achse ist das Drehmoment in Newtonmeter (Nm) aufgetragen. Die oben im Graphen eingetragenen Funktionen stellen das maximale Drehmoment dar. Dieses liegt bei ca. 200 - 250 Nm. Die im Fahrzyklus eines Elektrofahrzeugs auftretenden Lastpunkte liegen häufig zwischen 0 und 20% des Maximaldrehmomentes, verteilt auf den kompletten Drehzahlenbereich. Dies ist durch den Kasten zwischen -50 und 50 Nm dargestellt. Die Ausgestaltung der elektrischen Synchronmaschine gemäß der Erfindung erhöht den Wirkungsgrad im eingekastelten zyklusrelevanten Teillastbereich und erfüllt gleichzeitig die hohen Anforderungen an Maximaldrehmoment, Maximalleistung und Maximaldrehzahl. In Fig. 2 sind die Eisenverluste einer elektrischen Synchronmaschine in Abhängigkeit von der auf der Abszisse eingetragenen Drehzahl pro Minute und des auf der Ordinate aufgetragenen Drehmoments in Nm dargestellt. Im schraffierten unteren Bereich liegen die Eisenverluste bei über 75%. Bei höheren Drehmomen- ten und geringeren Drehzahlen nehmen die Eisenverluste bis auf 0 ab. Der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine wird im zyklusrelevanten Teillastbereich, der in Fig. 2 durch einen Kasten dargestellt ist, zu 60 - 80% von den auftretenden Eisenverlusten beeinflusst. Diese Eisenverluste hängen stark von der gewählten Rotorgeometrie ab. Die Geometrie des Rotors 3 gemäß der Erfindung reduziert die Eisenverluste in zyklusrelevanten Teillastpunkten bei gleichzeitiger
Reduzierung der Drehmomentwelligkeit und einer Erhöhung der mechanischen Drehzahlfestigkeit.
In Fig. 3 ist ein Querschnitt eines Pols 7 einer Synchronmaschine 1 mit V-förmig angeordneten Magneten 11, 13 dargestellt. Die Magnete sind am Rotor 3 der
Synchronmaschine 1 in Ausnehmungen 27 und 29 angeordnet. Die Magnete und die Ausnehmungen bzw. jeweils ihre Längsachsen schließen miteinander einen Winkel von 150° ein. Die Synchronmaschine 1 kann als permanent erregte Synchronmaschine ausgestaltet sein und weist einen drehbar in einem Stator 5 ge- lagerten Rotor 3 z.B. aus Elektroblech auf. Die Magneten des Rotors können als
Permanentmagneten ausgeführt sein und ein permanentes magnetisches Feld erzeugen. Der Stator 5 weist Zähne auf, die in Richtung des Mittelpunkts 19 des Rotors gerichtet sind. An den Zähnen können Phasenwicklungen vorgesehen sein, die ein magnetisches Statorfeld erzeugen, welches in Wechselwirkung mit einem Erregerfeld ein den Rotor 3 antreibendes Drehmoment erzeugt. Der Rotor
3 ist um die durch den Mittelpunkt 19 verlaufende Drehachse drehbar gelagert.
Im dargestellten Beispiel ist ein Pol 7 dargestellt, dessen Polbreite 9 100% entspricht. Die Magnete 11, 13 des Pols 7 decken 71,1% der Polbreite 9 ab. Die Magnettaschenbreite 15 beträgt im dargestellten Beispiel 88% der Polbreite 9.
Zwischen den Polen sind trapezförmige Aussparungen 45 vorgesehen, die dazu beitragen können, die Drehmomentwelligkeit zu reduzieren und gleichzeitig die Drehzahlfestigkeit zu erhöhen. Die trapezförmige Aussparung 45 kann dabei als Entlastungskerbe wirken und Spannungen, die im Steggrund entstehen können, durch Einstellen der geometrischen Abmessungen abbauen. Im dargestellten
Beispiel beträgt die Lochzahl q = 2. Dabei ist die Lochzahl als die Anzahl der Nu- ten geteilt durch die Anzahl der Pole und der Stränge definiert. Die Lochzahl q der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 kann beispielsweise zwischen 0,5 und 3 liegen. Durch den ersten und zweiten Magneten und insbesondere ihre geometrische
Anordnung ist die Magnetbreite 15 definiert. Dabei entspricht die Magnetbreite 15 dem Winkel zwischen der ersten Sekante 16 und der zweiten Sekante 17. Die erste Sekante 16 verläuft durch den Mittelpunkt 19 des Rotors 3 und durch einen dem Rotorrand 21 am nächsten liegenden Punkt 23 des ersten Magneten 11. Die zweite Sekante 17 verläuft ebenfalls durch den Mittelpunkt 19 des Rotors 3 und durch einen dem Rotorrand 21 am nächsten liegenden Punkt 25 des zweiten Magneten 13. Die Magnetbreite 15 beträgt dabei weniger als 75% und mehr als 65% der Polbreite 9. Vorzugsweise beträgt die Magnetbreite 15 zwischen 68% und 72% der Polbreite 9. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Mag- netbreite 71,1% der Polbreite 9.
Die erste Ausnehmung 27 und die zweite Ausnehmung 29, auch als Magnettaschen bezeichnet, weisen eine gemeinsame Ausnehmungsbreite 31 auf. Diese wird durch einen Winkel zwischen einer dritten Sekante 33 und einer vierten Se- kante 35 definiert. Die dritte Sekante 33 und die vierte Sekante 35 verlaufen durch den Mittelpunkt 19 des Rotors 3. Die dritte Sekante 33 verläuft dabei durch einen dem Rotorrand 21 am nächsten liegenden Punkt 37 der ersten Ausnehmung 27. Die vierte Sekante 35 verläuft ferner durch einen dem Rotorrand 21 am nächsten liegenden Punkt 39 der zweiten Ausnehmung 29. Die Ausnehmungs- breite 31 beträgt zwischen 85 und 95% der Polbreite 9. Vorzugsweise beträgt die
Ausnehmungsbreite 31 zwischen 87% und 90% der Polbreite 9. Im dargestellten Ausführungsbeispiel decken die Magnettaschen 88,8% des Pols 7 ab.
Die Ausnehmungen 27, 29 weisen einen ersten Teil 41 und einen zweiten Teil 43 auf. Der erste Teil 41 ist dabei jeweils näher zur Polmitte angeordnet. Die Ausnehmungen weisen einen Knick auf, das heißt, sowohl der erste Teil 41 als auch der zweite Teil 43 verlaufen gerade, jedoch mit unterschiedlicher Steigung, beispielsweise gegenüber der ersten Sekante 16. Beispielsweise sind die Magneten 11, 13 im ersten Teil 41 der Ausnehmungen 27, 29 angeordnet. Der zweite Teil 43 der Ausnehmungen 27, 29 bleibt beispielsweise frei bzw. leer. Die Kombination der geometrischen Merkmale minimiert die Eisenverluste, ohne merkliche Einbußen im magnetischen Fluss in Kauf nehmen zu müssen.
In Fig. 4 ist ein Querschnitt durch einen 8-poligen Rotor 3 senkrecht zur Rotati- onsachse dargestellt. Die ersten und zweiten Ausnehmungen 27, 29 sind leer, das heißt, die Magneten 11, 13 sind noch nicht in die Magnettaschen eingeführt. Dabei ist deutlich der Verlauf des ersten Teils 41 und des zweiten Teils 43 der Ausnehmungen 27, 29 sichtbar. Die Polbreite 9 des 8-poligen Rotors 3, die 100% entspricht, beträgt 45°. Die
Ausnehmungsbreite 31 beträgt dabei ca. 33°.
In Fig. 4 ist ein Segment eines Querschnitts einer elektrischen Synchronmaschine 1 mit nicht gegeneinander geneigten Magneten 11, 13 bzw. nicht gegenein- ander geneigten Ausnehmungen 27, 29 dargestellt. Das dargestellte Segment der Synchronmaschine 1 entspricht einer Polbreite 9. Die Magnete 11, 13 und die Ausnehmungen 27, 29 verlaufen entlang einer Linie. Lediglich der zweite Teil 43 der Ausnehmungen 27, 29 weist einen Neigungswinkel gegenüber dem Magnetverlauf auf.
Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie„aufweisend" oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Aus- führungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden.
Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.

Claims

Elektrische Synchronmaschine (1), die elektrische Synchronmaschine aufweisend
einen Rotor (3) mit einer Vielzahl von Polen (7);
wobei die Pole (7) eine Polbreite (9) aufweisen;
wobei eine Polbreite (9), einem Winkel von 360° geteilt durch die Vielzahl der Pole (7) entspricht;
gekennzeichnet dadurch, dass
jeder Pol (7) einen ersten Magneten (11) und einen zweiten Magneten (13) mit einer gemeinsamen Magnetbreite (15) aufweist;
wobei die Magnetbreite (15) einem Winkel entspricht, der zwischen einer ersten Sekante (16) und einer zweiten Sekante (17) gebildet ist;
wobei die erste Sekante (16) durch den Mittelpunkt (19) des Rotors (3) und durch einen dem Rotorrand (21) am nächsten liegenden Punkt (23) des ersten Magneten (11) verläuft;
wobei die zweite Sekante (17) durch den Mittelpunkt(19) des Rotors (3) und durch einen dem Rotorrand (21) am nächsten liegenden Punkt (25) des zweiten Magneten (13) verläuft;
wobei die Magnetbreite (15) weniger als 75% der Polbreite (9) beträgt.
Elektrische Synchronmaschine (1) gemäß Anspruch 1 ,
wobei die Magnetbreite(15) mehr als 65% der Polbreite (9) beträgt.
Elektrische Synchronmaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, wobei der erste Magnet (11) in einer ersten Ausnehmung (27) und der zweite Magnet (13) in einer zweiten Ausnehmung (29) angeordnet ist;
wobei die Ausnehmungen (27, 29) eine gemeinsame Ausnehmungsbreite (31) aufweisen;
wobei die Ausnehmungsbreite (31) einem Wnkel entspricht, der zwischen einer dritten Sekante (33) und einer vierten Sekante (35) gebildet ist; wobei die dritte Sekante (33) durch den Mittelpunkt (19) des Rotors (3) und durch einen dem Rotorrand (21) am nächsten liegenden Punkt (37) der ersten Ausnehmung (27) verläuft;
wobei die vierte Sekante (35) durch den Mittelpunkt (19) des Rotors (3) und durch einen dem Rotorrand (21) am nächsten liegenden Punkt (39) der zweiten Ausnehmung (29) verläuft;
wobei die Ausnehmungsbreite (31) weniger als 95% der Polbreite (9) beträgt.
Elektrische Synchronmaschine (1) gemäß Anspruch 3,
wobei die Ausnehmungsbreite (31) mehr als 85% der Polbreite (9) beträgt.
Elektrische Synchronmaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 3 und 4, wobei die Magnetbreite (15) zwischen 70% und 85% der Ausnehmungsbreite (31) beträgt.
Elektrische Synchronmaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Magnet (11) und der zweite Magnet (13) V-förmig angeordnet sind.
Elektrische Synchronmaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Ausnehmungen (27, 29) jeweils einen ersten Teil (41) und einen zweiten Teil (43) aufweisen;
wobei der erste Teil (41) und der zweite Teil (43) unterschiedliche Neigungen gegenüber der ersten Sekanten (16) aufweisen.
Elektrische Synchronmaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste Magnet (11) und der zweite Magnet (13) am Schnittpunkt ihrer Längsachsen einen Winkel von 150° einschließen.
Elektrische Synchronmaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei an dem Rotor (3) jeweils zwischen dem ersten Magneten (11) eines Pols (7) und dem zweiten Magneten (13) eines benachbarten Pols (7) Tra- pez-förmige Aussparungen (45) vorgesehen sind. Elektrofahrzeug, das Elektrofahrzeug aufweisend eine elektrische Synchronmaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
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