Bürstenloser Synchronmotor

Die Erfindung bezieht sich auf einen permanenterregten bürstenloser Synchronmotor mit einem Stator, der eine Anzahl von mit einer dreiphasigen Statorwicklung versehenen Statorzähnen umfasst, und mit einem Läufer mit einer Anzahl (n) eingebetteter Permanentmagneten.

Ein derartige Synchron motor, insbesondere ein elektronisch kommutierter Vielpol- Drehstrommotor, weist einen Stator und einen häufig auch als Anker oder Rotor bezeichneten Läufer auf. Der Stator enthält in der Regel ein Statorblechpaket, das aus einer Vielzahl von einzelnen Blechen zusammengesetzt ist und Statorzähne mit zwischen diesen Statorzähnen vorgesehenen Statornuten aufweist. In die Statornuten ist die Statorwicklung (Drahtwindungen eines Wickeldrahtes) eingebracht.

Die radial verlaufenden Statorzähne sind im umfangsseitigen Joch zusammengeführt und weisen am nuteintrittsseitigen Zahnende, das dem Luftspalt zwischen dem Stator und dem Läufer zugewandt ist, beidseitig in Umfangsrichtung weisende Laschen (Pollaschen) auf. Dadurch bilden die speichenartig nach Innen in Richtung auf den Läufer weisenden Statorzähne an den dem Joch gegenüberliegenden Freienden üblicherweise sehr eng beieinanderliegende kreissegmentför- mige Polschuhe aus, die das magnetische Erregerfeld entsprechend kreisseg- mentförmig auf den Läufer verteilen.

Die üblicherweise aus Kupfer bestehenden Phasenwicklungen eines in der Regel dreiphasigen Wicklungssystems des Stators (Statorwicklung) sind gemäß einem vorgegebenen Wickelschema mit einer bestimmten Anzahl von Windungen um die Statorzähne herum geführt. Im Betrieb des Motors werden diese Phasen- oder Statorwicklungen von einem elektrischen Strom durchflössen. Ein dadurch erzeugtes magnetisches Ständerdrehfeld erzeugt in Wechselwirkung mit dem Erregerfeld des Läufers ein diesen antreibendes Drehmoment. Aus der EP 1 746 707 A1 ist eine permanenterregte bürstenlose Synchronmaschine bekannt, deren Läuferaußenkontur derart geformt ist, dass die in die Einzelzahn-Statorwicklung induzierte elektromagnetische Kraft (EMK), die auch als back-EMF bezeichnet wird, trapezförmig verläuft.

Insbesondre bei einer blockförmigen Klemmenspannung infolge eines ebenfalls blockförmigen Ausgangsstroms eines Wechselrichters, über den der Motor mit einer Gleichspannung versorgt wird, kann in Verbindung mit einer trapezförmigen EMK die Motorleistung um mehr als 12% gegenüber einem Motor mit sinusförmiger EMK erhöht werden, wie diese bei einer aus der DE 10 2007 038 904 A1 bekannt symmetrischen Wölbungsstruktur der Läuferaußenkontur erzeugt wird. Allerdings gelingt diese Leistungssteigerung bislang lediglich bei 8-poligen Motoren mit entsprechend acht im Läufer eingebetteten Permanentmagneten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Leistungssteigerung auch bei einem höherpoligen bürstenlosen Synchronmotor zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Dazu weist die dem Läufer zugewandte Innenkontur des Stators eine Wölbungsstruktur mit an den Zahnenden der Statorzähne vorgesehenen Wölbungstälern auf. Der Winkel zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten beträgt bei einer Anzahl n > 8 Permanentmagneten 360 n, während der Winkel zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 360°/n + 2 beträgt.

Zwar ist aus der EP 0 872 943 B1 (DE 698 34 685 T2) eine elektrische Maschine mit einem bewickelten Stator mit zwölf Statorzähnen sowie mit einem mit zehn Permanentmagneten versehenen Läufer bekannt. Allerdings weist dieser ebenso wie der Stator eine herkömmlich kreisförmige, wölbungsfreie Kontur auf. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Servomotors ist sowohl die dem Luftspalt zugewandte Innenkontur des Stators mit einer vorzugsweise unsymmetrischen Wölbungsstruktur als auch der Läufer an dessen dem Luftspalt zugewandte Außenkontur mit einer Wölbungsstruktur versehen, die jedoch geeigneterweise symmetrisch ist. Die Asymmetrie der Statorwölbungsstruktur bezieht sich hierbei auf die radialen Symmetrieachsen der Statorzähne, während die Symmetrie des Läufers auf die radialen Symmetrieachsen der Permanentmagneten bezogen ist.

Die statorseitige Wölbungsstruktur ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass der Luftspalt zwischen dem Läufer und den diesem zugewandten Statorzähnen periodisch zwischen einem Maximum und einen Minimum variiert, wenn der Läufer die Statorzähne passiert. Hierzu ist die statorseitige Wölbungsstruktur geeigneterweise gebildet durch jeweils ein Wölbungstal am Zahnende jedes Statorzahns. Das Wölbungstal ist hierbei - bezogen auf die radiale Symmetrieachse des Statorzahns - lediglich auf dessen einer Seite vorgesehen.

Erkanntermaßen können besonders leistungsstarke Drehmomente erzielt werden, wenn die Wölbungstäler zwei benachbarter Statorzähne einander zugewandt sind. Dem jeweiligen Statorzahn ist dann auf der anderen Seite ein Statorzahn mit derjenigen Seite zugewandt, die ebenfalls kein Wölbungstal aufweist. Hierdurch ist die bevorzugt asymmetrische Wölbungsstruktur der dem Luftspalt zugewandten Innenkontur des Stators gebildet.

Die geeigneterweise symmetrische Wölbungsstruktur des Läufers an dessen dem Luftspalt zugewandten Außenkontur erreicht in zweckmäßiger Ausgestaltung im mittleren Bereich eines jeden Permanentmagneten, d.h. im Bereich dessen radialer Symmetrieachse, ein Maximum. Zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten erreicht die läuferseitige Wölbungsstruktur jeweils ein Minimum. Bei einer solchen Struktur erreicht geeigneterweise der Luftspalt zwischen dem Läufer und dem diesem zugewandten Statorzahn ein Minimum, wenn ein Maximum der läu- ferseitigen Wölbungsstruktur der statorseitigen Wölbungsstruktur außerhalb der Wölbungstäler der Statorzähne gegenübersteht. Steht ein Minimum der läufersei- tigen Wölbungsstruktur einem Wölbungstal der statorseitigen Wölbungsstruktur gegenüber, so ist der Luftspalt an dieser Stelle maximal.

In geeigneter Ausgestaltung des permanent erregten bürstenlosen Synchronmotors ist die Anzahl der eingebetteten Permanentmagnete zehn(n = 10), während die Anzahl der Statorzähne mithin zwölf (m = n + 2 = 12) beträgt. Geeigneterweise ist damit der Winkel zwischen den benachbarten Permanentmagneten jeweils 36°, während der Winkel zwischen benachbarten Statorzähnen lediglich 30° beträgt.

In weiterer Ausgestaltung des bürstenlosen Motors weist die Statorwicklung drei Wicklungsstränge mit jeweils mindestens vier Spulen auf, von denen jeweils zwei Spulen als Spulenpaar von zwei benachbarten Statorzähnen getragen sind. Die zwei Spulenpaare desselben Wicklungsstrangs sind zweckmäßigerweise einander diametral gegenüberliegend am Statorumfang angeordnet, d.h. auf die dort vorgesehenen jeweils benachbarten Statorzähne gewickelt. Zwischen benachbarten Spulen desselben Spulenpaares und/oder zwischen nebeneinander angeordneten Spulen benachbarter Spulenpaare können Spulenisolierungen in die entsprechenden Statornuten eingelegt sein.

Die anderen beiden Spulen sitzen dann wiederum auf zwei benachbarten und diametral gegenüber liegen Statorzähnen. Indem die drei Wicklungsstränge gleichermaßen durch jeweils zwei Spulenpaare gebildet sind, die auf jeweils benachbarten Statorzähnen sitzen, ergibt sich in Umfangsrichtung des Stators ein Spulen- oder Wicklungsmuster mit aufeinanderfolgenden Spulenpaaren jedes Wicklungsstranges auf dem halben Umfang, während sich dann im verbleibenden Halbumfang das gleiche Spulenpaar-Muster anschließt.

Hierzu können die beiden Spulen des jeweiligen Wicklungsstrangs durchgehend, d. h. ohne zusätzliche Verbindungen oder Verbindungselemente zu einem Spulenpaar gewickelt sein. Sind die Spulenpaare hierbei mit nur zwei Wicklungsenden (Spulenpaarenden) versehen, weisen jeweils die zwei auf benachbarten Statorzähnen angeordnete Spulen jedes Wicklungsstranges der dreiphasigen Statorwicklung zusammen lediglich zwei zu verbindende Wicklungsenden aufweisen. Hierdurch sind die Anzahl der erforderlichen Verbindungselemente reduzier und die Bewicklung des Stators vereinfacht. Die dreiphasige Statorwicklung mit insgesamt sechs Spulenpaaren weist daher gegenüber einer dreiphasigen Statorwicklung mit zwölf Einzelspulen lediglich sechs Wicklungsenden auf. Diese Wicklungsenden können dann mit vergleichsweise geringem Aufwand sternförmig oder dreieckförmig miteinander verschaltet werden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 schematisch in einer Draufsicht einen erfindungsgemäßen Elektromotor mit einem am Außenumfang strukturierten Läufer und mit einem am Innenumfang ebenfalls strukturierten Stator,

Fig. 2 einen Ausschnitt II aus Fig. 1 in größerem Maßstab mit zwei unter

Bildung eines minimalen Luftspaltes gegenüber dem Läufer stehenden Statorzähnen, und

Fig. 3 in einer Ansicht gemäß Fig. 1 den Motor mit dreiphasiger Statorwicklung mit genüberliegenden Spulenpaaren der einzelnen Phasenwicklungen.

Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt schematisch einen bürstenlosen Elektro- oder Synchronmotor 1 , wie dieser in Kraftfahrzeugen beispielsweise als Servomotor zur Unterstützung halb automatischer Getriebe oder dergleichen eingesetzt ist.

Der Synchronmotor 1 umfasst einen Stator 2, der einen auf einer Motorwelle oder Läuferachse 3 sitzenden Läufer 4 koaxial umgibt. Der Läufer 4 ist aus einem Blechpaket aufgebaut und weist außenumfangsseitig eine Anzahl von zehn (n = 10) Permanentmagneten 5 auf. Innerhalb des Rotors 4 bilden übereinander gestapelte Einzelbleche des Blechpaketes eine Anzahl von Taschen 6 zur Aufnahme der Permanentmagnete 5 auf. Der Stator 2, der ebenfalls aus einem Blechpaket mit übereinander gestapelten Einzelblechen ausgeführt sein kann, weist ein umfangsseitiges Joch 7 und eine gerade Anzahl von Statorzähnen 8 mit dazwischen liegenden Statornuten 9 auf. Jeder zweite Statorzahn 8 trägt eine Statorwicklung 10 (Fig. 3).

Der läuferseitig mit zehn Permanentmagneten 5 belegte Motor 1 stellt somit einen bevorzugt zehnpoligen Elektromotor 1 mit zwölf (m = n + 2 = 12) Statorzähnen 8 und zwölf Statornuten 9 dar. Der Motor 1 könnte beispielsweise auch mit zwölf (n = 12) Permanentmagneten - also 12-polig - und mit vierzehn (m = 14) Statorzähnen 8 ausgeführt sein.

Der bevorzugte permanenterregte bürstenlose Synchronmotor 1 mit n = 10 läufer- seitigen Permanentmagneten 5 und statorseitig m = 12 Statorzähnen 8 weist läuferseitig zwischen benachbarten Permanentmagneten 5 einen Winkel α = 360 η = 36° und statorseitig zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 8 einem Winkel ß = 360 n + 2 = 30° auf. Hierbei ist der jeweilige Winkel α, ß gemessen zwischen den radialen Symmetrieachsen S (a) der Permanentmagnete 5 bzw. zwischen den dargestellten radialen Symmetrieachsen S (ß) der Statorzähne 8.

Wie aus Fig. 2 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, ist der Läufer 4 an dessen dem Luftspalt 1 1 zwischen dem Stator 2 und dem Läufer 4 zugewandten Außenkontur 12 mit einer Wölbungsstruktur mit umfangsseitig periodisch alternierenden Maxima L _max und Minima L _min ausgebildet. Die Maxima L _max sind von Auswölbungen gebildet, die zum Luftspalt 1 1 und zu den Statorzähnen 8 des Stators 2 hin gerichtet sind. Die läuferseitigen Maxima L _max der Wölbungsstruktur erstrecken sich symmetrisch über einen Bereich A, der etwa die Hälfte der tangentialen Ausdehnung der Dauer- oder Permanentmagnete 5 beträgt.

Jeder Statorzahn 8 weist an dessen wiederum dem Luftspalt 11 zugewandten Innenstruktur 13 ein Wölbungstal 14 auf. Ein sich am Zahnende, d.h. im Bereich des Polschuhs des jeweiligen Statorzahns 8 an das Wölbungstal 14 anschließender Strukturbereich der Wölbungsstruktur ist gleichmäßig kreisförmig ausgebildet und überdeckt mit dessen tangentialer, sich in Umfangsrichtung erstreckender Ausdehnung den Bereich A der Wölbungsstrukur. Stehen sich diese Bereiche A der läuferseitigen und der statorseitigen Wölbungsstruktur gegenüber, so ist der radiale Luftspalt 11 minimal.

In dieser Stellung des Läufers 4 gegenüber dem Stator 2 ist der Luftspalt 11 , d. h. dessen radiale Ausdehnung oder Breite im Bereich der beiden einander zugewandten Wölbungstäler 14 der benachbarten Statorzähne 8 maximal, wenn ein Minimum L _min der Wölbungsstruktur des Läufers 4 diesen beiden Wellentälern 14 benachbarter Statorzähne 8 gegenübersteht. Die radiale Ausdehnung des Luft- spaltes 11 variiert somit bei einer Relativbewegung zwischen Läufer 4 und Stator 2 periodisch zwischen einem Maximalwert, wenn sich die beiden Bereiche A des Statorzahns 8 und des Maximums L _max der Läuferaußenkontur 12 gegenüberstehen, und einem Minimalwert, wenn sich Wellentäler 14 der statorseitigen Wölbungsstruktur und Minima L _min der läuferseitigen Wölbungsstruktur gegenüberstehen.

Die statorseitige Wölbungsstruktur, insbesondere in Verbindung mit der läuferseitigen Wölbungsstruktur, ermöglicht bei einem solchen zehnpoligen Synchronmotor 1 die Bereitstellung wiederum einer trapezförmigen EMK und damit wiederum einer Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen 10-poligen Synchronmotoren mit zwölf Statorzähnen bzw. zwölf Statornuten. Im Vergleich zu einer sinusförmigen EMK sind Drehmoment- und somit Leistungssteigerungen von mehr als 6% möglich.

Die statorseitig unsymmetrische Wölbungsstruktur, insbesondere in Verbindung mit der läuferseitig symmetrischen Wölbungsstruktur, ist besonders geeignet bei einer in Fig. 3 dargestellten dreiphasigen Statorwicklung 10 mit je Phase u, v, w jeweils zwei Spulenpaaren 10a, 10b bzw. 10c, die in dem dargestellten Muster auf die Statorzähne 8 des Stators 2 gewickelt sind. Jedes Spulenpaar 10a, 10b, 10c jeder Phase u, v bzw. w ist hierbei auf benachbarte Statorzähne 8 gewickelt. Dabei sind die beiden Spulenpaare 10a, 10b, 10c derselben Phase u, v bzw. w auf diametral gegenüberliegenden Statorzähnen 8 angeordnet. Bezugszeichenliste

1 Synchron-/Elektromotor

2 Stator

3 Läuferachse/Motorwelle

4 Läufer

5 Permanentmagnet

6 Tasche

7 Joch

8 Statorzahn

9 Statornut

10 Statorwicklung

10a Spulenpaar der Phase u

10b Spulenpaar der Phase v

10c Spulenpaar der Phase w

11 Luftspalt

12 Außenkontur

13 Innenkontur

14 Wölbungstal α,β Winkel

Lmax Wölbungsmaximum

Lmin Wölbungsminimum

S (a) Symmetrieachse

S(ß) Symmetrieachse