WO2016000696A1 - Dynamoelektrische maschine mit mechanischer feldschwächung - Google Patents

Dynamoelektrische maschine mit mechanischer feldschwächung Download PDF

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WO2016000696A1
WO2016000696A1 PCT/DE2015/200261 DE2015200261W WO2016000696A1 WO 2016000696 A1 WO2016000696 A1 WO 2016000696A1 DE 2015200261 W DE2015200261 W DE 2015200261W WO 2016000696 A1 WO2016000696 A1 WO 2016000696A1
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permanent magnets
rotor
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Thomas Schencke
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/02—Details
    • H02K21/021—Means for mechanical adjustment of the excitation flux
    • H02K21/028—Means for mechanical adjustment of the excitation flux by modifying the magnetic circuit within the field or the armature, e.g. by using shunts, by adjusting the magnets position, by vectorial combination of field or armature sections
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • H02K1/2766—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect
    • H02K1/2773—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect consisting of tangentially magnetized radial magnets

Definitions

  • the invention relates to a permanent magnet dynamoelectric machine with the ability to operate in the field weakening.
  • PSM permanent-magnet synchronous machine
  • PSMs are used in a variety of applications to perform electrical drive tasks. In industrial applications, for example, they are used as servomotors. Due to its high power density compared to other electrical machines, it is also considered the preferred drive unit in the field of electromobility. But even as a generator, for example in the field of renewable energy, especially wind power, the PSM is often used.
  • a disadvantage of permanently excited electrical machines compared to electrically excited dynamoelectric machines is that the height of the exciter field can not be changed without further ado.
  • a reduction of the magnetic excitation flux is desirable to operate a dynamoelectric machine in the so-called field weakening range.
  • the field weakening area indicates in the characteristic field of a dy-
  • the constant-power range of the namo-electric machine where as the speed increases, the torque output by the machine decreases.
  • US20060091752A1 shows a dynamo-electric permanent-magnet machine having the features according to the preamble of patent claim 1.
  • an external rotor motor is disclosed in which the field weakening is effected by increasing the effective air gap between the rotor and the stator of the machine.
  • the invention has for its object to provide a permanent-magnet dynamoelectric machine with the ability to field weakening, which has a high electrical efficiency. This object is achieved by a dynamo-electric permanent-magnet machine having the features according to patent claim 1. Advantageous embodiments of the invention can be found in the dependent claims.
  • the dynamo-electric permanent-magnet machine comprises a stator and a rotor, the rotor having a plurality of permanent magnets displaceable in the radial direction for generating a field of excitation.
  • a radial displacement of the permanent magnets refers to a displacement in which the permanent magnets are moved toward or away from an air gap separating a stator and rotor.
  • the magnetization direction of the permanent magnets is not oriented radially as in the previously cited US20060091752A1, that is, in the direction of the air gap, but tangential to the circumferential direction of the rotor.
  • the magnetization direction of the magnets is in other words orthogonal to the radial and axial axis of symmetry of the rotor.
  • the permanent magnets are guided radially displaceable in magnetic pockets.
  • the radially directed extension of the magnet pockets is greater than the length of the permanent magnets in the radial direction. This ensures that the permanent magnets can assume radially different positions within the magnetic pockets.
  • the excitation flux generated by the permanent magnets in the air gap of the machine is dependent on the radial position of the permanent magnets within the magnetic pockets.
  • the magnetic pockets are partially embedded in a Flußleit Scheme of ferromagnetic material adjacent to an air gap between the stator and the rotor of the machine. Further, in this embodiment, the magnetic pockets are partially embedded in a flow barrier region to which the flux guide region is contiguous radially inwardly and which has a lower permeability than the flux guide region.
  • the permanent magnets are one larger part in the immediate vicinity of a good magnetic conductive material when they are in a radially outer position near the air gap of the machine. In such a position, a large part of the flux generated by permanent magnets is led to the air gap of the machine, where it can contribute to the formation of torque.
  • the permanent magnets are more and more immersed in the flux barrier region, which has a markedly poorer magnetic conductivity compared to the flux-conducting region.
  • Flußleit Trial is formed in the form of several Flußleit Swissen part-annular cross-section, which are spaced apart in the circumferential direction by the magnetic pockets.
  • the flux conducting pieces are in this case connected in a form-fitting manner to the flux barrier region.
  • dovetail-shaped formations are suitable as form-fitting connections.
  • an embodiment of the invention is conceivable in which the flux guides are connected via radially extending ferromagnetic lattice straps fixed to a shaft of the rotor, wherein the scattering ridges penetrate the flow barrier area radially.
  • a rotor lamination stack can be realized, whose lamination cuts are formed in one piece.
  • both the mechanical and the magnetic properties of the rotor are characterized in an advantageous embodiment of the invention by improves that in this case the flow barrier region is at least partially formed of injected plastic.
  • the flow barrier region is at least partially formed of injected plastic.
  • the flux-conducting region is separated from a radially inward stray flux region, which likewise consists of a ferromagnetic material with a higher permeability than the flow barrier region, through the flow barrier region, viewed in the radial direction.
  • a large part of the radially inner material surrounding the magnetic pockets is also magnetically highly conductive.
  • this area is magnetically decoupled from the flux-conducting area by the flow barrier in the radial direction. Therefore, the magnetic flux emanating from the permanent magnet material in this lower region of the magnetic pockets can not reach the air gap of the machine. Rather, this magnetic flux, viewed radially, closes below the flow barrier area as leakage flux.
  • Such an embodiment increases the effectiveness of the field weakening caused by the radial displacement of the permanent magnets.
  • the permanent magnets are advantageously located in a radially outer position exclusively in the flux guide region against the magnetic pockets.
  • the permanent magnets lie in a radially inward position at any point in the flux guide on the magnetic pockets and thus generate in any way an air gap flux.
  • the Flußleit Scheme can be advantageously formed as a rotor lamination packet or alternatively as a solid soft iron package.
  • a dynamoelectric machine can be designed, for example, as a permanent magnet synchronous machine. This is characterized by high efficiency and a higher power density compared to other types of dynamoelectric machines.
  • the possibility of mechanical field weakening makes it advantageous to use a dynamoelectric machine according to one of the embodiments described above, in particular in the environment of the electric vehicle, for example within a battery-powered electric vehicle or a hybrid vehicle.
  • Figure 1 a first embodiment of the dynamoelectric machine according to the invention in cross section
  • Figure 2 a field distribution within a second embodiment of the
  • FIG. 3 shows a field distribution within the second embodiment of FIG.
  • Figure 4 a third embodiment of the dynamoelectric machine according to the invention in cross section
  • Figure 5 a fourth embodiment of the dynamo electric machine according to the invention in cross section
  • Figure 1 shows a first embodiment of the dynamoelectric machine according to the invention in cross section. Shown is a section of a stator 1 of the machine with a tooth coil winding, which is spaced by an air gap 5 from a rotor 2 of the dynamoelectric machine. The stator 1 surrounds the rotor 2 concentrically.
  • the machine is designed as a permanent synchronous machine. Accordingly, the exciting field of the machine is generated by permanent magnets 3, which are buried in a laminated core of the rotor 2.
  • the permanent magnets 3 are located in magnetic pockets 4, which pass through the rotor 2 essentially in the radial and axial direction. In the circumferential direction of the rotor 2, the magnetic pockets 4 have a significantly smaller extent than in the radial and axial directions. As indicated by the double arrows in Figure 1, the permanent magnets 3 are displaceable within the magnetic pockets 4 in the radial direction.
  • the magnetic pockets 4 in this case lead the permanent magnets 3 on the entire possible displacement. In order to make this possible, the extent of the magnetic pockets 4 in the radial direction is greater than the extent of the permanent magnets 3 in the radial direction.
  • For displacement of the permanent magnets 3 known from the prior art actuators can be used.
  • the side walls of the magnetic pockets 4 are coated with a plastic which has a low coefficient of friction against the permanent magnet material.
  • the illustrated exemplary rotor package comprises, in addition to the permanent magnets 3, two essential further elements: a flux barrier region 7, which is connected in a rotationally fixed manner to a shaft 10 of the rotor 2, and a flux guide rich 6 comprising the flux barrier region 7 concentrically surrounded Flußleitstucke 8, which are arranged in the circumferential direction of the rotor 2 into a ring.
  • the flux barrier region 7 is formed as a solid element of a magnetically non-conductive or poorly conductive material. Its relative permeability is significantly lower than that of the flux-conducting region 6.
  • the high-permeability flux guide pieces 8 are connected to the flow barrier region 7 via a form-fit connection 1 1.
  • the flux conducting pieces 8 consist essentially of part-ring-shaped electrical sheets which are stamped in the axial direction.
  • a magnetic pocket 4 is formed in each case between two flux guide pieces 8.
  • the magnet pocket 4 formed in this way continues in the radial direction in the flow barrier 7. Accordingly, the permanent magnets 3 can be displaced in such a way that they dip at least partially into the flux barrier region 7. Due to the poor magnetic conductance in the flow barrier region 7, the flux generated in the air gap 5 is reduced the farther the permanent magnets 3 dip into the magnetic pockets 4.
  • the permanent magnets 4 are magnetized in the tangential direction.
  • a tangential direction is to be understood as meaning a direction which is oriented orthogonally to the axis of symmetry of the rotor 2 and to the radial direction.
  • FIG. 2 shows a field distribution within a second embodiment of the machine with a high air gap flux.
  • the illustrated dynamoelectric machine is again a permanent magnet synchronous motor.
  • permanent magnets 3 which are magnetized in the tangential direction, in magnetic pockets 4 of the Rotor 2 arranged radially displaceable.
  • the rotor 2 is here, in contrast to the embodiment of Figure 1, of three major areas adjacent to each other in the radial direction.
  • the rotor 2 comprises a radially outer Flußleit Scheme 6, which is adjacent to an air gap 5 of the machine, and a radially inner leakage flux region 9, which is rotatably connected to a shaft 10 of the rotor 2.
  • Both the flux-conducting region 6 and the leakage flux conducting region 9 have a high magnetic permeability. In the radial direction, these two regions 6, 9 are decoupled from one another by a poorly magnetically conductive flow barrier region 7.
  • the flux barrier region 7 is connected both to the radially outer flux-conducting region 6 and to the radially inner leakage flux-conducting region 9 via a positive connection 11.
  • the flux-conducting region 6 is, as in the case of the first embodiment according to FIG. 1, designed in the form of a plurality of flux-conducting elements 8 lined up in the circumferential direction.
  • the flux guide elements 8 are spaced from one another in the circumferential direction by a magnet pocket 4.
  • the magnet pocket 4 penetrates radially both the flux-conducting region 6 and the flux barrier region 7 and the leakage flux conducting region 9.
  • FIG. 2 The mode of action and the field distribution of this second embodiment of the dynamoelectric machine according to the invention is shown in FIG. 2 for normal operation with a high air gap flux and in FIG. 3 for the field weakening operation with reduced air gap flux.
  • the permanent magnets 3 In the operation with high air gap flux shown in FIG. 2, the permanent magnets 3 are in their radially outermost position. They are almost completely embedded in the flux guide 6. As a result, the flux lines that emerge tangentially from the permanent magnets 3 are deflected in the affected flux conducting pieces 8 in a radial direction and almost completely pass through the air gap 5. Here they are available for torque generation of the dynamoelectric machine. If the machine is now to be operated in the field weakening region (see FIG.
  • the permanent magnets 3 are pulled inwards in the radial direction by a suitable actuator.
  • the permanent magnets 3 are located at the bottom of the groove formed by the magnetic pouches 4.
  • a large part of the permanent magnets 3 is thus embedded in the stray flux region 9, which is separated from the flux conducting region 6 via the flow barrier 7.
  • FIG. 4 shows a third embodiment of the dynamoelectric machine according to the invention in cross section.
  • the flux guide 6 is again formed in the form of individual Flußleit Swissen 8, which are spaced in the circumferential direction in each case by magnetic pockets 4 and contained therein permanent magnets 3.
  • the permanent magnets 3 are guided radially displaceable within the magnetic pockets 4 as in the embodiments described above.
  • all flux guides 8 are integrally connected to one another via scattering 12 within a lamination.
  • Figure 5 shows a fourth embodiment of the dynamo electric machine according to the invention in cross section, which substantially corresponds to the embodiment shown in Figure 4.
  • the laminated core is now sprayed with plastic 13 in the region radially below the flux-conducting region 6, so that the magnetic pockets 4 continue in the regions between the scattering ridges 12.

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  • Power Engineering (AREA)
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  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

Dynamoelektrische permanenterregte Maschine mit einem Stator (1) und einem Rotor (2), wobei der Rotor (2) mehrere in radialer Richtung verschiebbare Permanentmagnete (3) aufweist und die Permanentmagnete (3) im Wesentlichen tangential zur Umfangsrichtung des Rotors (1) magnetisiert sind.

Description

Dynamoelektrische Maschine mit mechanischer Feldschwächung
Die Erfindung betrifft eine permanenterregte dynamoelektrische Maschine mit der Fähigkeit, im Feldschwächbereich betrieben werden zu können.
Als Beispiel für eine derartige dynamoelektrische permanenterregte Maschine sei an dieser Stelle die permanenterregte Synchronmaschine (PSM) genannt. PSM kommen in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz, um elektrische Antriebsaufgaben zu verrichten. In industriellen Anwendungen werden sie beispielsweise als Servomotoren eingesetzt. Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen elektrischen Maschinen hohen Leistungsdichte gilt sie auch als die bevor- zugte Antriebsmaschine im Bereich der Elektromobil ität. Aber auch als Generator, beispielsweise im Umfeld regenerativer Energien, insbesondere Windkraft, wird die PSM häufig eingesetzt.
Ein Grund für die weite Verbreitung permanenterregter Synchronmaschinen ist ihr hoher Wirkungsgrad. Dieser ist darauf zurückzuführen, dass auf eine elektrische Erregung verzichtet werden kann. Das Erregerfeld wird durch die in der Regel im Rotor angeordneten Permanentmagnete verursacht. Neben dem erhöhten Wirkungsgrad hat die permanente Erregung gegenüber einer elektrischen Erregung auch noch den Vorteil, dass auf verschleißbehaftete Schleif- ringkontakte zur Versorgung einer rotierenden Erregerspule verzichtet werden kann.
Ein Nachteil permanenterregter elektrischer Maschinen gegenüber elektrisch erregter dynamoelektrischer Maschinen besteht jedoch darin, dass das Erre- gerfeld in seiner Höhe nicht ohne Weiteres verändert werden kann. So ist beispielsweise eine Reduktion des magnetischen Erregerflusses wünschenswert, um eine dynamoelektrische Maschine im sogenannten Feldschwächbereich zu betreiben. Der Feldschwächbereich kennzeichnet im Kennlinienfeld einer dy- namoelektrischen Maschine den Bereich der konstanten Leistung, bei dem mit zunehmender Drehzahl das von der Maschine abgegebene Drehmoment abnimmt. Durch Ansteuerung der Maschine im Feldschwächbereich ist es möglich, die dynamoelektrische Maschine über ihre Nenndrehzahl hinaus zu be- treiben. Hingegen sinkt in diesem Betriebsbereich das von der Maschine erzeugbare Drehmoment mit zunehmender Drehzahl.
Bei einer elektrisch erregten dynamoelektrischen Maschine kann dieser Kennlinienbereich relativ einfach durch Reduktion des Erregerstroms angesteuert werden. Zwar sind auch bei permanenterregten Maschinen Möglichkeiten bekannt, über eine geeignete Bestromung des Ständers der Maschine eine Luftspaltfeldkomponente zu erzeugen, die dem von den Permanentmagneten erzeugten Erregerfeld entgegenwirken und dieses somit schwächt. Jedoch ist eine solche Ansteuerung der Maschine mit deutlich erhöhten Verlusten und einer damit einhergehenden Reduktion des Wirkungsgrades verbunden.
Um permanenterregte dynamoelektrische Maschinen im Feldschwächbereich betreiben zu können, ohne hierbei den Wirkungsgrad nennenswert zu verschlechtern, sind aus dem Stand der Technik Verfahren zur mechanischen Feldschwächung bekannt. So zeigt die US20060091752A1 eine dynamoelektrische permanenterregte Maschine mit den Merkmalen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 . In diese Schrift ist ein Außenläufermotor offenbart, bei dem die Feldschwächung durch eine Vergrößerung des effektiven Luftspaltes zwischen dem Rotor und dem Stator der Maschine bewirkt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine permanenterregte dynamoelektrische Maschine mit der Möglichkeit zum Feldschwächbetrieb anzugeben, die einen hohen elektrischen Wirkungsgrad aufweist. Diese Aufgabe wird durch eine dynamoelektrische permanenterregte Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße dynamoelektrische permanenterregte Maschine umfasst einen Stator und einen Rotor, wobei der Rotor mehrere, in radialer Richtung verschiebbare Permanentmagnete zur Erzeugung eines Erregerfeldes aufweist. Unter einer radialen Verschiebung der Permanentmagnete ist in diesem Zusammenhang eine Verschiebung zu verstehen, bei der die Permanentmagnete auf einen Stator und Rotor trennenden Luftspalt zu- oder von diesem wegbewegt werden.
Die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete ist jedoch nicht wie in der zuvor zitierten US20060091752A1 radial, das heißt in Richtung des Luftspaltes orientiert, sondern tangential zur Umfangsrichtung des Rotors. Die Magnetisie- rungsrichtung der Magnete ist mit anderen Worten orthogonal zur radialen und axialen Symmetrieachse des Rotors ausgebildet.
Vorzugsweise sind hierbei die Permanentmagnete radial verschiebbar in Magnettaschen geführt. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist die radial ge- richtete Erstreckung der Magnettaschen größer als die Länge der Permanentmagnete in radialer Richtung. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Permanentmagnete innerhalb der Magnettaschen radial verschiedene Positionen einnehmen können. Vorzugsweise ist der von den Permanentmagneten im Luftspalt der Maschine erzeugte Erregerfluss abhängig von der radialen Positi- on der Permanentmagnete innerhalb der Magnettaschen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Magnettaschen teilweise in einem Flussleitbereich aus ferromagnetischem Material eingebettet, der an einen Luftspalt zwischen Stator und Rotor der Maschine angrenzt. Ferner sind bei dieser Ausführungsform die Magnettaschen teilweise in einen Flussbarrierebereich eingebettet, an den der Flussleitbereich radial nach innen betrachtet angrenzt und der eine geringere Permeabilität als der Flussleitbereich aufweist. Bei einer derartigen Ausführungsform sind die Permanentmagnete zu einem größeren Teil in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem gut magnetisch leitfähigen Material, wenn sie sich in einer radial außen liegenden Position nahe dem Luftspalt der Maschine befinden. In einer solchen Position wird ein Großteil des von Permanentmagneten erzeugten Flusses zum Luftspalt der Maschine ge- führt, wo dieser zur Drehmomentbildung beitragen kann. Verändert man hingegen die Position der Permanentmagnete, indem man sie mit einer Aktuatorik nach, radial betrachtet, innen zieht, tauchen die Permanentmagnete mehr und mehr in den Flussbarrierebereich ein, der im Vergleich zum Flussleitbereich einen deutliche schlechteren magnetischen Leitwert aufweist. Je tiefer die Magnete nach radial innen in die Magnettaschen eintauchen, desto weniger Magnetmaterial trägt zur Flussbildung im Luftspalt der Maschine bei. Der Erre- gerfluss nimmt ab und ein Feldschwächbetrieb wird ermöglicht.
Eine konstruktiv sehr einfache Ausführungsform ergibt sich hierbei dadurch, dass der Flussleitbereich in Form von mehreren Flussleitstücken teilringförmigen Querschnitt ausgebildet ist, die in Umfangsrichtung durch die Magnettaschen voneinander beabstandet sind. Beispielsweise sind die Flussleitstücke hierbei formschlüssig mit dem Flussbarrierebereich verbunden. Als Formschlüsse kommen beispielsweise schwalbenschwanzförmige Ausbildungen infrage.
Alternativ ist auch eine Ausführungsform der Erfindung denkbar, bei der die Flussleitstücke über sich radial erstreckende ferromagnetische Streustege fest mit einer Welle des Rotors verbunden sind, wobei die Streustege den Fluss- barrierebereich radial durchdringen. Bei einer solchen Ausführungsform ist vorteilhafterweise ein Rotorblechpaket realisierbar, dessen Blechschnitte einstückig ausgebildet sind. Der radial unterhalb des Flussleitbereichs liegende Flussbarrierebereich kann hierbei als Luftraum ausgebildet sein, der mit μκ = 1 eine im Vergleich zum Flussleitbereich deutlich geringere Permeabilität auf- weist.
Sowohl die mechanischen als auch die magnetischen Eigenschaften des Rotors werden jedoch in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch ver- bessert, dass hierbei der Flussbarrierebereich zumindest teilweise aus eingespritztem Kunststoff ausgebildet ist. Durch einen derartigen eingespritzten Kunststoff kann der im Flussbarrierebereich liegende Teil der Magnettaschen ausgebildet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Flussleitbereich von einem radial innenliegenden Streuflussbereich, der ebenfalls aus einem ferromagnetischen Material mit höherer Permeabilität als der Flussbarrierebereich besteht, durch den Flussbarrierebereich, in radialer Richtung betrachtet, getrennt. Bei einer derartigen Ausführungsform ist auch ein großer Teil des radial innenliegenden, die Magnettaschen umgebenden Materials magnetisch gut leitfähig. Jedoch wird dieser Bereich durch die Flussbarriere in radialer Richtung von dem Flussleitbereich magnetisch entkoppelt. Daher kann der magnetische Fluss, der von dem Permanentmagnetmaterial in diesem un- teren Bereich der Magnettaschen ausgeht, den Luftspalt der Maschine nicht erreichen. Vielmehr schließt sich dieser magnetische Fluss, radial betrachtet, unterhalb des Flussbarrierebereiches als Streufluss. Eine solche Ausführungsform erhöht die Effektivität der Feldschwächung, die durch die radiale Verschiebung der Permanentmagnete verursacht wird.
Um im Normalbetrieb die Remanenzfeldstärke der Permanentmagnete vollständig zu nutzen, sind die Permanentmagnete vorteilhafterweise in einer radial außen liegenden Position ausschließlich im Flussleitbereich an den Magnettaschen anliegend.
Insbesondere bei einem Fehlerfall der dynamoelektrischen Maschine oder eines von dieser angetriebenen Systems kann es zweckdienlich sein, die dynamoelektrische Maschine schlagartig komplett erregungslos zu schalten. Dies kann in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht werden, dass die Permanentmagnete in einer radial innenliegenden Position an keiner Stelle im Flussleitbereich an den Magnettaschen anliegen und somit in keiner Weise einen Luftspaltfluss erzeugen. Insbesondere der Flussleitbereich kann vorteilhafterweise als Rotorblech paket ausgebildet werden oder alternativ auch als massives Weicheisenpaket. Um zu verhindern, dass die Permanentmagnete bei der radialen Verschiebung in den in diesem Material ausgebildeten Magnettaschen Schäden erleiden, ist es wei- terhin vorteilhaft, die Magnettaschen an Seitenwänden, an denen die Permanentmagnete radial geführt sind, mit Kunststoff zu beschichten.
Eine dynamoelektrische Maschine, gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, kann beispielsweise als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet werden. Diese zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad und einer im Vergleich zu anderen Typen dynamoelektrischer Maschinen größeren Leistungsdichte aus. Durch die Möglichkeit der mechanischen Feldschwächung ist ein Einsatz einer dynamoelektrischen Maschine, gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, insbesondere im Umfeld der Elektromobil i- tät, beispielsweise innerhalb eines batteriebetriebenen Elektrofahrzeuges oder eines Hybridfahrzeuges, vorteilhaft.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen näher beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 : eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine im Querschnitt
Figur 2: eine Feldverteilung innerhalb einer zweiten Ausführungsform der
Maschine mit hohem Luftspaltfluss,
Figur 3: eine Feldverteilung innerhalb der zweiten Ausführungsform der
Maschine mit geringem Luftspaltfluss,
Figur 4: eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine im Querschnitt und Figur 5: eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen dynamo- elektrischen Maschine im Querschnitt. Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine im Querschnitt. Dargestellt ist ein Ausschnitt eines Stators 1 der Maschine mit Zahnspulenwicklung, der über einen Luftspalt 5 von einem Rotor 2 der dynamoelektrischen Maschine beabstandet ist. Der Stator 1 umschließt den Rotor 2 konzentrisch.
Die Maschine ist als permanente Synchronmaschine ausgebildet. Entsprechend wird das Erregerfeld der Maschine von Permanentmagneten 3 erzeugt, die in einem Blechpaket des Rotors 2 vergraben sind. Die Permanentmagnete 3 befinden sich in Magnettaschen 4, die den Rotor 2 im Wesentlichen in radia- ler und axialer Richtung durchsetzen. In Umfangsrichtung des Rotors 2 haben die Magnettaschen 4 eine deutlich geringere Ausdehnung als in radialer und axialer Richtung. Wie durch die Doppelpfeile in Figur 1 angedeutet, sind die Permanentmagnete 3 innerhalb der Magnettaschen 4 in radialer Richtung verschiebbar. Die Magnettaschen 4 führen hierbei die Permanentmagnete 3 auf dem gesamten möglichen Verschiebeweg. Um dies zu ermöglichen, ist die Ers- treckung der Magnettaschen 4 in radialer Richtung größer als die Ausdehnung der Permanentmagnete 3 in radialer Richtung. Zur Verschiebung der Permanentmagnete 3 können aus dem Stand der Technik bekannte Aktuatoren Verwendung finden.
Damit die Permanentmagnete 3 während der radialen Verschiebung innerhalb des Rotorblechpaketes nicht beschädigt werden, sind die Seitenwände der Magnettaschen 4 mit einem Kunststoff beschichtet, der dem Permanentmagnetmaterial gegenüber einen geringen Reibwert aufweist.
Das dargestellte beispielhafte Rotorpaket umfasst, neben den Permanentmagneten 3, zwei wesentliche weitere Elemente: einen Flussbarrierebereich 7, der drehfest mit einer Welle 10 des Rotors 2 verbunden ist, und einen Flussleitbe- reich 6 umfassend den Flussbarrierebereich 7 konzentrisch umgebene Flussleitstucke 8, die in Umfangsrichtung des Rotors 2 zu einem Ring angeordnet sind. Der Flussbarrierebereich 7 ist als massives Element aus einem magnetisch nicht oder schlecht leitendem Material ausgebildet. Seine relative Per- meabilität ist deutlich geringer als die des Flussleitbereiches 6.
Die hochpermeablen Flussleitstücke 8 sind über einen Formschluss 1 1 mit dem Flussbarrierebereich 7 verbunden. Die Flussleitstücke 8 bestehen aus im Wesentlichen teilringförmigen Elektroblechen, die in axialer Richtung stanzpake- tiert sind.
In Umfangsrichtung betrachtet, ist jeweils eine Magnettasche 4 zwischen zwei Flussleitstücken 8 ausgebildet. Die so ausgebildete Magnettasche 4 setzt sich in radialer Richtung in der Flussbarriere 7 fort. Demnach können die Perma- nentmagnete 3 derart verschoben werden, dass sie zumindest teilweise in den Flussbarrierebereich 7 eintauchen. Aufgrund des schlechten magnetischen Leitwertes im Flussbarrierebereich 7 wird der im Luftspalt 5 erzeugte Fluss reduziert, je weiter die Permanentmagnete 3 in die Magnettaschen 4 eintauchen.
Die Permanentmagnete 4 sind in tangentialer Richtung magnetisiert. Unter einer tangentialen Richtung ist in diesem Zusammenhang eine Richtung zu verstehen, die orthogonal zur Symmetrieachse des Rotors 2 und zur radialen Richtung ausgerichtet ist.
Figur 2 zeigt eine Feldverteilung innerhalb einer zweiten Ausführungsform der Maschine mit hohem Luftspaltfluss. Für prinzipiell gleichwirkende Elemente werden in Figur 2 wie auch in den darauffolgenden Figuren die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet.
Bei der dargestellten dynamoelektrischen Maschine handelt es sich wiederum um einen permanenterregten Synchronmotor. Auch hier sind Permanentmagnete 3, die in Tangentialrichtung magnetisiert sind, in Magnettaschen 4 des Rotors 2 radial verschiebbar angeordnet. Der Rotor 2 besteht hier, im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Figur 1 , aus drei wesentlichen Bereichen, die in Radialrichtung aneinandergrenzen. So umfasst der Rotor 2 einen radial außen liegenden Flussleitbereich 6, der an einen Luftspalt 5 der Maschine angrenzt, und einen radial innenliegenden Streuflussbereich 9, der drehfest mit einer Welle 10 des Rotors 2 verbunden ist. Sowohl der Flussleitbereich 6 als auch der Streuflussleitbereich 9 besitzen eine hohe magnetische Permeabilität. In Radialrichtung sind diese beiden Bereiche 6, 9 durch einen schlecht magnetisch leitenden Flussbarrierebereich 7 voneinander entkoppelt.
Der Flussbarrierebereich 7 ist sowohl mit dem radial außen liegenden Flussleitbereich 6 als auch mit dem radial innenliegenden Streuflussleitbereich 9 jeweils über einen Formschluss 1 1 verbunden. Der Flussleitbereich 6 ist, wie auch schon bei der ersten Ausführungsform gemäß Figur 1 , in Form von mehreren in Umfangsrichtung aneinandergereihten Flussleitelementen 8 ausgebildet. Auch hier sind die Flussleitelemente 8 in Umfangsrichtung jeweils durch eine Magnettasche 4 voneinander beabstandet. Die Magnettasche 4 durchsetzt radial sowohl den Flussleitbereich 6 als auch den Flussbarrierebereich 7 und den Streuflussleitbereich 9.
Die Wirkungsweise und die Feldverteilung dieser zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine ist in Figur 2 für den Normalbetrieb mit hohem Luftspaltfluss dargestellt und in Figur 3 für den Feld- schwächbetrieb mit reduziertem Luftspaltfluss. Bei dem in Figur 2 dargestellten Betrieb mit hohem Luftspaltfluss befinden sich die Permanentmagnete 3 in ihrer, radial betrachtet, äußersten Position. Sie sind nahezu vollständig in den Flussleitbereich 6 eingebettet. Dies hat zur Folge, dass die tangential aus den Permanentmagneten 3 austretenden Flusslinien in den betroffenen Flussleit- stücken 8 in eine radiale Richtung umgelenkt werden und nahezu vollständig den Luftspalt 5 durchtreten. Hier stehen sie zur Drehmomentbildung der dynamoelektrischen Maschine zur Verfügung. Soll nun die Maschine im Feldschwächbereich betrieben werden (siehe Figur 3), werden die Permanentmagnete 3 durch einen geeigneten Aktuator in radialer Richtung nach innen gezogen. Bei der in Figur 3 dargestellten Situation befinden sich die Permanentmagnete 3 am Grund der Nut, die von den Mag- nettaschen 4 gebildet wird. Ein Großteil der Permanentmagnete 3 ist somit in den Streuflussbereich 9 eingebettet, der über die Flussbarriere 7 vom Fluss- leitbereich 6 getrennt ist. Innerhalb des ebenfalls hochpermeablen Streuflussbereiches 9 schließt sich ein Großteil der magnetischen Feldlinien, die von den Permanentmagneten 3 erzeugt werden, ohne den Luftspalt 5 zu durchtreten. Nur der kleine Bereich der Permanentmagnete 3, der noch in radialer Richtung betrachtet außerhalb des Flussbarrierebereiches 7 dem Luftspalt 5 zugewandten ist, erzeugt eine drehmomentbildende Magnetfeldkomponente im Luftspalt 5 der Maschine. Figur 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine im Querschnitt. In Figur 4 ist lediglich der Rotor 2 der Maschine dargestellt. Auch hier ist der Flussleitbereich 6 wieder in Form von einzelnen Flussleitstücken 8 ausgebildet, die in Umfangsrichtung jeweils durch Magnettaschen 4 und darin enthaltene Permanentmagnete 3 beabstandet sind. Die Permanentmagnete 3 sind wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen radial verschiebbar innerhalb der Magnettaschen 4 geführt. Hier sind jedoch sämtliche Flussleitstücke 8 einstückig über Streustege 12 innerhalb eines Blechschnittes miteinander verbunden. Zwischen den sich radial erstreckenden Streustegen befinden sich in Umfangsrichtung betrachtet jeweils ein- zelne Bereiche eines Flussbarrierebereiches. In diesem Fall ist der Flussbarrierebereich lediglich mit Luft mit einem μΓ = 1 gefüllt.
Werden nun die Permanentmagnete 3 von der in Figur 4 dargestellten Position radial nach innen verschoben, so tritt ein Teil der Permanentmagnete 3 in den Flussbarrierebereich 7 ein, was eine Reduktion des im Luftspalt 5 zur Verfügung gestellten Erregerflusses zur Folge hat. Die Streustege werden mit etwa 10 bis 15 % des Flusses der Permanentmagnete 3 in Sättigung gebracht. Die- ser Fluss steht dann über dem Luftspalt 5 der Maschine nicht mehr zur Verfügung.
Figur 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen dynamo- elektrischen Maschine im Querschnitt, die im Wesentlichen der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform entspricht. Im Unterschied zu der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform ist das Blechpaket nunmehr im Bereich radial unterhalb des Flussleitbereiches 6 mit Kunststoff 13 ausgespritzt, sodass sich in den Bereichen zwischen den Streustegen 12 die Magnettaschen 4 fortsetzen.
Bezugszahlenliste
1 Stator
2 Rotor
3 Pernnanentnnagnete
4 Magnettasche
5 Luftspalt
6 Flussleitbereich
7 Flussbarrierebereich
8 Flussleitstück
9 Streuflussleitbereich
10 Welle des Rotors
1 1 Formschluss
12 Streusteg
13 Kunststoff

Claims

Patentansprüche
1 . Dynamoelektrische permanenterregte Maschine mit einem Stator (1 ) und einem Rotor (2), wobei der Rotor (2) mehrere in radialer Richtung verschiebbare Permanentmagnete (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Permanentmagnete (3) im Wesentlichen tangential zur Umfangsrichtung des Rotors (1 ) magnetisiert sind.
2. Dynamoelektrische permanenterregte Maschine nach Anspruch 1 , wobei die Permanentmagnete (3) radial verschiebbar in Magnettaschen (4) geführt sind.
3. Dynamoelektrische permanenterregte Maschine nach Anspruch 2, wobei die Magnettaschen (4) teilweise in einen Flussleitbereich (6) aus ferromagneti- schem Material eingebettet sind, der an einen Luftspalt (5) zwischen Stator (1 ) und Rotor (2) der Maschine angrenzt, und wobei die Magnettaschen (4) teilweise in einen Flussbarrierebereich (7) eingebettet sind, an den der Flussleitbereich (6) radial nach innen betrachtet angrenzt und der eine geringere Per- meabilität als der Flussleitbereich (6) aufweist.
4. Dynamoelektrische permanenterregte Maschine nach Anspruch 3, wobei der Flussleitbereich (6) in Form von mehreren Flussleitstücken (8) mit teilringförmigem Querschnitt ausgebildet ist, die in Umfangsrichtung durch die Magnetta- sehen (4) voneinander beabstandet sind.
5. Dynamoelektrische permanenterregte Maschine nach Anspruch 4, wobei die Flussleitstücke (8) formschlüssig mit dem Flussbarrierebereich (7) verbunden sind.
6. Dynamoelektrische permanenterregte Maschine nach Anspruch 4, wobei die Flussleitstücke (8) über sich radial erstreckende ferromagnetische Streustege (12) drehfest mit einer Welle (10) des Rotors (2) verbunden sind, wobei die Streustege (12) den Flussbarrierebereich (7) radial durchdringen.
7. Dynamoelektrische permanenterregte Maschine nach Anspruch 6, wobei der Flussbarrierebereich (7) zumindest teilweise aus eingespritztem Kunststoff ausgebildet ist.
8. Dynamoelektrische permanenterregte Maschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Flussleitbereich (6) von einem radial innen liegenden Streu- flussleitbereich (9), der ebenfalls aus einem ferromagnetischen Material mit höherer Permeabilität als der Flussbarrierebereich (7) besteht, durch den Flussbarrierebereich (7) in radialer Richtung betrachtet getrennt ist .
9. Dynamoelektrische permanenterregte Maschine nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die Permanentmagnete (3) in einer radial außen liegenden Position ausschließlich im Flussleitbereich (6) an den Magnettaschen (4) anliegen.
10. Dynamoelektrische permanenterregte Maschine nach einem der Ansprüche 3 bis 9,wobei die Permanentmagnete (3) in einer radial innen liegenden Positi- on an keiner Stelle im Flussleitbereich (6) an den Magnettaschen (4) anliegen.
1 1 . Dynamoelektrische permanenterregte Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die Magnettaschen (4) an Seitenwänden, an denen die Permanentmagnete (3) radial geführt sind, mit Kunststoff (13) beschichtet sind.
12. Zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer dynamoelektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019102540A1 (de) * 2019-02-01 2020-08-06 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Eingebettete Magnetanordnung für permanenterregte elektrische Maschinen
CN112421924B (zh) * 2020-11-09 2021-09-10 广东威灵电机制造有限公司 电机和家用电器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07288940A (ja) * 1994-04-13 1995-10-31 Meidensha Corp 永久磁石回転電機
US20060091752A1 (en) 2004-11-04 2006-05-04 Taku Adaniya Electric motor and electric compressor
EP2200161A1 (de) * 2007-07-26 2010-06-23 Kura Laboratory Corporation Fluss-shunt-steuerungs-drehelektromaschinensystem
US20140102674A1 (en) * 2012-10-15 2014-04-17 Regal Beloit America, Inc. Radially embedded permanent magnet rotor and methods thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07288940A (ja) * 1994-04-13 1995-10-31 Meidensha Corp 永久磁石回転電機
US20060091752A1 (en) 2004-11-04 2006-05-04 Taku Adaniya Electric motor and electric compressor
EP2200161A1 (de) * 2007-07-26 2010-06-23 Kura Laboratory Corporation Fluss-shunt-steuerungs-drehelektromaschinensystem
US20140102674A1 (en) * 2012-10-15 2014-04-17 Regal Beloit America, Inc. Radially embedded permanent magnet rotor and methods thereof

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