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Title:
FOUR-POLE SYNCHRONOUS RELUCTANCE MOTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/233884
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a synchronous reluctance motor, in particular a four-pole synchronous reluctance motor (1) having; a stator (2) with 48 stator grooves (3) for receiving a winding system (8); a reluctance rotor (5), which is spaced apart from the stator (2) by an air gap (10), the reluctance rotor (5) having axes with a high magnetic conductivity (d-axis) and axes with low magnetic conductivity (q-axis); an arrangement of magnetically conductive flux-conducting portions (7) and magnetic flux barriers (6), which, by an appropriate arrangement, form d- and q-axes of the reluctance rotor (5); and a geometric groove separation angle of the reluctance rotor (5) of αr 6° or 10°, which angle is between two adjacent magnetic flux barriers (6) at the air gap (10).

Inventors:
SCHMIDT JOHANNES (DE)
BACH REGINA (DE)
Application Number:
EP2020/059519
Publication Date:
November 26, 2020
Filing Date:
April 03, 2020
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
H02K1/24; H02K19/10; H02K29/03
Domestic Patent References:
WO2016188764A12016-12-01
Foreign References:
EP2744076A12014-06-18
US5818140A1998-10-06
Other References:
PALMIERI MARCO ET AL: "Effect of the numbers of slots and barriers on the optimal design of synchronous reluctance machines", 2014 INTERNATIONAL CONFERENCE ON OPTIMIZATION OF ELECTRICAL AND ELECTRONIC EQUIPMENT (OPTIM), IEEE, 22 May 2014 (2014-05-22), pages 260 - 267, XP032615779, DOI: 10.1109/OPTIM.2014.6850947
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Claims:
Patentansprüche

1. Synchron-Reluktanzmotor, insbesondere vierpoliger Syn- chron-Reluktanzmotor (1) mit

einem Stator (2) mit 48 Statornuten (3) zur Aufnahme eines Wicklungssystems (8),

einem Reluktanzrotor (5), der durch einen Luftspalt (10) vom Stator (2) beabstandet ist, wobei der Reluktanzrotor (5) Achsen mit einer hohen magnetischen Leitfähigkeit (d- Achse) und Achsen mit geringer magnetischer Leitfähigkeit (q-Achse) aufweist,

einer Anordnung von magnetisch leitfähigen Flussleitab schnitten (7) und magnetischen Flusssperren (6), die durch eine dementsprechende Anordnung d- und q-Achsen des Re luktanzrotors (5) bilden,

einem geometrischen Nutteilungswinkel des Reluktanzrotors (5) von ar = 6°, der zwischen zwei benachbarten magneti schen Flusssperren (6) am Luftspalt (10) ist,

wobei die Flusssperren (6) im Bereich der q-Achse entweder radial verlaufende Stabilisierungsstege (15) oder ohne Stabilisierungsstäbe (15) ausgeführt sind,

wobei der Reluktanzrotor (5) keine Permanentmagnete auf weist.

2. Synchron-Reluktanzmotor, insbesondere vierpoliger Syn chron-Reluktanzmotor (1) mit

einem Stator (2) mit 48 Statornuten (3) zur Aufnahme eines Wicklungssystems (8),

einem Reluktanzrotor (5), der durch einen Luftspalt (10) vom Stator (2) beabstandet ist, wobei der Reluktanzrotor (5) Achsen mit einer hohen magnetischen Leitfähigkeit (d- Achse) und Achsen mit geringer magnetischer Leitfähigkeit (q-Achse) aufweist,

einer Anordnung von magnetisch leitfähigen Flussleitab schnitten (7) und magnetischen Flusssperren (6), die durch eine dementsprechende Anordnung d- und q-Achsen des Re luktanzrotors (5) bilden, einem geometrischen Nutteilungswinkel des Reluktanzrotors (5) von ar = 10°, der zwischen zwei benachbarten magneti schen Flusssperren (6) am Luftspalt (10) ist,

wobei die Flusssperren (6) im Bereich der q-Achse entweder radial verlaufende Stabilisierungsstege (15) oder ohne

Stabilisierungsstäbe (15) ausgeführt sind,

wobei der Reluktanzrotor (5) keine Permanentmagnete auf weist. 3. Synchron-Reluktanzmotor, insbesondere vierpoliger Syn- chron-Reluktanzmotor (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sowohl Stator (2) als auch der Reluktanzrotor (5) ungeschrägt ausgeführt sind. 4. Synchron-Reluktanzmotor, insbesondere vierpoliger Syn chron-Reluktanzmotor (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die radiale Stegdicke im Bereich der d-Achse größer ist als im Bereich der q-Achse.

Description:
Beschreibung

Vierpoliger Synchron-Reluktanzmotor

Die Erfindung betrifft einen vierpoligen Synchron-Reluktanz motor .

Bei Synchron-Reluktanzmotoren werden Reluktanzrotorbleche mit entsprechenden Aussparungen eingesetzt. Durch die Ausstanzun gen ergeben sich streifenförmige Blechabschnitte, die als Flussleitabschnitte dienen und den magnetischen Fluss in der für die Bereitstellung der nötigen Reluktanz des Rotors nöti gen Weise führen. Radial zwischen den einzelnen Flussleitab schnitten befinden sich amagnetische Bereiche, die durch Aus stanzungen geschaffen werden und mit Luft oder magnetisch schlecht leitfähigem Material versehen sind, d.h. als magne tische Flusssperren wirken. Durch die streifenförmigen Fluss- leitabschnitte ergibt sich eine hohe Drehmomentausbeute. Die magnetische Permeabilität des Blechpakets ist in Richtung der q-Achse, d.h. der magnetischen Sperrrichtung aufgrund der un magnetischen Bereiche verhältnismäßig klein. Die streifenför migen Flussleitabschnitte verlaufen quer zu der q-Achse und verbinden in Umfangsrichtung benachbarte Pole des Rotors, die jeweils auf d-Achsen (magnetische Vorzugsrichtungen) angeord net sind.

So ist die d-Achse mit einem Flussleitabschnitt vom Innen- zum Außendurchmesser durchgehend aus Blech gebildet, während die q-Achse durch Flusssperren unterbrochen ist.

Ein derartiger Synchron-Reluktanz-Motor ist aus der Schrift US 5 818 140 Al bekannt, wobei dort bereits Möglichkeiten zur Reduktion der Drehmomentenwelligkeit vorgestellt sind. Die dort vorgestellten Maßnahmen reduzieren zu einem gewissen Prozentsatz die Drehmomentenwelligkeit, als auch das Geräusch und Schwingungsverhalten im Vergleich zu einem Synchron- Reluktanzmotor mit einer identischen oder nahezu identischen Anzahl von Nutteilungen von Stator und Rotor, also Ns = Nr. Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei nen vierpoligen Synchron-Reluktanzmotor dahin zu verbessern, dass die Drehmomentenwelligkeit weiter reduziert wird, ohne das Nutzdrehmoment zu verringern.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch einen Syn chron-Reluktanzmotor, insbesondere vierpoliger Synchron- Reluktanzmotor mit

einem Stator mit 48 Statornuten zur Aufnahme eines Wick lungssystems ,

einem Reluktanzrotor, der durch einen Luftspalt vom Stator beabstandet ist, wobei der Reluktanzrotor Achsen mit einer hohen magnetischen Leitfähigkeit (d-Achse) und Achsen mit geringer magnetischer Leitfähigkeit (q-Achse) aufweist, einer Anordnung von magnetisch leitfähigen Flussleitab schnitten und magnetischen Flusssperren, die durch eine dementsprechende Anordnung d- und q-Achsen des Reluktanz rotors bilden,

einem geometrischen Nutteilungswinkel des Reluktanzrotors von ar = 6°, der zwischen zwei benachbarten magnetischen Flusssperren am Luftspalt ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt ebenso durch einen Synchron-Reluktanzmotor, insbesondere vierpoliger Synchron- Reluktanzmotor mit

einem Stator mit 48 Statornuten zur Aufnahme eines Wick lungssystems ,

einem Reluktanzrotor, der durch einen Luftspalt vom Stator beabstandet ist, wobei der Reluktanzrotor Achsen mit einer hohen magnetischen Leitfähigkeit (d-Achse) und Achsen mit geringer magnetischer Leitfähigkeit (q-Achse) aufweist, einer Anordnung von magnetisch leitfähigen Flussleitab schnitten und magnetischen Flusssperren, die durch eine dementsprechende Anordnung d- und q-Achsen des Reluktanz rotors bilden,

einem geometrischen Nutteilungswinkel des Reluktanzrotors von ar = 10°, der zwischen zwei benachbarten magnetischen Flusssperren am Luftspalt ist. Erfindungsgemäß wird nunmehr in Abhängigkeit von der gewähl ten Anzahl von Rotornuten bzw. vom Nutteilungswinkel ar vor teilhafterweise die Anzahl der Flussbarrieren maximiert.

Dadurch wird die Drehmoment-Dichte und auch das mittlere Drehmoment der Maschine erhöht. Die Anzahl der Flussbarrieren wird durch den gewählten Nutteilungswinkel bzw. die Anzahl der Rotornuten, als auch durch die filigranen Strukturen und damit letztlich auch durch die Achshöhe nach oben begrenzt.

Eine Flussbarriere ist demnach ein Steg, der sich am Ende ei ner Flusssperre im Bereich des Luftspaltes der dynamoelektri schen Maschine ergibt.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Reluktanzrotors im Hinblick auf den Stator werden nunmehr Pendelmomente mit Ordnungszahlen der Statornutung, sowie deren Vielfache maß geblich reduziert. Des Weiteren wird dabei die Drehmomenten- welligkeit minimiert. Damit wird das mittlere Drehmoment er höht und die Leistung des Reluktanzmotors gesteigert. Insbe sondere ist es nunmehr nicht mehr erforderlich, den Re luktanzmotor, stator- und/oder rotorseitig um einen vorgege benen Schrägungswinkel zu schrägen, was aber dennoch optional zusätzlich ausgeführt sein kann, um die Drehmomentenwellig- keit weiter zu reduzieren.

Um auch bei vergleichsweise hohen Drehzahlen eine ausreichen de Festigkeit des Reluktanzrotors, hinsichtlich Zentrifugal kräften zu erhalten, bilden Stege am radial äußeren Rand des Rotors der Flusssperren einen umfänglich zusammenhängenden Verbindungsring .

Dieser Verbindungsring kann aus einem anderen Material oder auch lediglich Teil des Blechs sein - also einstückig, und somit lediglich durch den Ausstanzungsvorgang am Blech gebil det sein.

Die einzelnen Flussbarrieren können somit je nach umfängli cher Lage eine radial größere oder kleinere Dicke aufweisen. Beispielsweise können die Flussbarrieren im Bereich der d- Achse radial dünner ausgeführt sein als im Bereich der q- Achse .

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand beispielhaft dargestellter Ausfüh rungsbeispiele näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1 einen Reluktanzmotor mit einer Nutteilung,

FIG 2, FIG 3 Reluktanzmotoren mit jeweils einer anderen

Nutteilung,

FIG 4 eine Detaildarstellung eines Reluktanzrotors.

Ein Reluktanzmotor 1 weist einen Stator 2 mit Statornuten 3 auf, in denen ein Wicklungssystem 8 positioniert ist. Das Wicklungssystem 8 kann sowohl als Einschicht- als auch als Zweischichtwicklung ausgeführt sein. Vor allem bei Zwei schichtwicklungen werden die Wicklungen gesehnt ausgeführt, das vorzugsweise aus gesehnten Spulen aufgebaut ist. Vorteil hafterweise ist in den Statornuten 3 ein dreisträngiges Wick lungssystem untergebracht. Durch einen Luftspalt 10 von der Innenbohrung des Stators 2 beabstandet ist ein Reluktanzrotor 5 angeordnet, der vierpolig ausgeführt ist.

Beispielsweise durch Ausstanzungen von vorgegebenen Blechen ergeben sich streifenförmige Blechabschnitte, die als Fluss- leitabschnitte 7 dienen und den magnetischen Fluss in der für die Bereitstellung der nötigen Reluktanz des Reluktanzrotors 5 führen. Radial zwischen den einzelnen Flussleitabschnitten 7 befinden sich amagnetische Bereiche, die durch Ausstanzun gen geschaffen werden und mit Luft oder magnetisch schlecht leitfähigem Material versehen sind, d.h. als magnetische Flusssperren 6 wirken. Durch die streifenförmigen und bogen förmigen Flussleitabschnitte 7 ergibt sich eine hohe Drehmo mentausbeute. Die magnetische Permeabilität des aus den axial gestapelten Blechen gebildeten Blechpakets ist in Richtung der q-Achse, d.h. der magnetischen Sperrrichtung aufgrund der unmagnetischen Bereiche verhältnismäßig klein. Die streifenförmigen Flussleitabschnitte 7 verlaufen quer, insbesondere senkrecht zu der q-Achse und verbinden in Um fangsrichtung benachbarte Pole des Reluktanzrotors 5, wobei die Pole jeweils auf d-Achsen (magnetische Vorzugsrichtungen) angeordnet sind.

Die Aussparungen, welche als Flusssperre 6 dienen, verlaufen im Wesentlichen bogenförmig von einem Pol zum benachbarten Pol. Darüber hinaus sind sie im Wesentlichen streifenförmig.

Aus Stabilitätsgründen können die Flusssperren 6 von radial verlaufenden bzw. ausgerichteten Stabilisierungsstegen 15 un terbrochen sein. Deren physische Position innerhalb einer Flusssperre 6 ist aus magnetischer Sicht unwichtig. Die dar gestellte Breite der Stabilisierungsstege 15 ist aus zeichne rischen Gründen größer als die tatsächliche Größe.

Radial betrachtet ergeben sich zwischen den bogenförmigen, streifenförmigen Aussparungen, also den Flusssperren 6 somit weiterhin ebenfalls streifenförmige, bogenförmige Flussleit abschnitte 7.

Die bogenförmigen, nicht magnetischen Aussparungen zwischen benachbarten Polen verlaufen quer, insbesondere senkrecht zu den q-Achsen, die winkelhalbierend zwischen den d-Achsen lie gen. Auf den q-Achsen erfolgt also Flusssperrung.

FIG 1 bis 3 dargestellten Querschnitte eines Reluktanzmotors 1 mit möglichen Reluktanzrotorblechen sind für einen vierpo- ligen Reluktanzrotor 5. Dementsprechend weist das Reluktanz rotorblech zwei senkrecht zueinander stehende d-Achsen auf, die magnetische Vorzugsrichtungen darstellen und die durch das Zentrum des Reluktanzrotorblechs getrennt jeweils

d-Achsenhälften besitzen.

Die d- und die q-Achsen des Reluktanzrotors 5 werden somit durch Flusssperren 6 und magnetisch leitfähige Flussleitab schnitte 7 gebildet. Im Bereich des Luftspalts 10 der dynamo- elektrischen Maschine bzw. des Reluktanzmotors 1 sind die Flusssperren 6 durch Stege bzw. Flussbarrieren 11, 12 vom

Luftspalt 10 beabstandet und bilden einen umfänglich zusam menhängenden Verbindungsring. Dies ist aus mechanischen Fes- tigkeitsgründen, insbesondere bei hohen Drehzahlen des Re luktanzmotor 1 notwendig. Zwischen diesen Flussbarrieren 11, 12 also den realen Flussbarrieren 11 und den virtuellen

Flussbarrieren 12 (gemäß FIG 2) sind vorgegebene Nutteilungs winkel ar des Reluktanzrotors 5.

FIG 1 zeigt einen Nutteilungswinkel ar von ca. 10° geomet risch, mit umfänglich 32 angeordneten Flussbarrieren 11.

Die Nutzahl des Stators 2 ist 48 und die Nutzahl des Re luktanzrotors 5 ist 36.

Wobei u.a. herstellungsbedingt oder konstruktionsbedingt der Nutteilungswinkel ar mit einer Toleranz von bis zu ± 0,3° versehen sein kann.

FIG 2 und 3 zeigen Nutteilungswinkel ar von jeweils ca. 6° geometrisch, mit umfänglich 56 angeordneten Flussbarrieren 11. In FIG 2 sind dabei 48 reale und acht virtuelle ausgebil dete Flussbarrieren vorhanden. In Fig 3 sind 56 real ausge bildet Flussbarrieren 11 vorhanden. Die Nutzahl des Stators 2 ist 48 und die Nutzahl des Reluktanzrotors 5 ist bei diesen Ausführungen 60.

Wobei u.a. fertigungs- oder konstruktionsbedingt der Nuttei lungswinkel ar dort mit einer Toleranz von bis zu ± 0,5° ver sehen sein kann.

Eine Welle und damit der mit ihr drehfest verbundene Reluk tanzrotor 5 ist dann um eine Rotationsachse drehbar gelagert, so dass der Reluktanzrotor 5 in einem Stator 2 des Reluktanz motors 1 eine Rotation um die Rotationsachse vollführen kann. Der Reluktanzrotor 5 weist als magnetisch aktives Teil das Blechpaket auf, das aus mehreren Schichten bzw. Blechen ge bildet ist, die jeweils weichmagnetisches, insbesondere fer romagnetisches, Material aufweisen. Diese Schichten weisen ferner elektrisch isolierende Teilschichten auf, um Wirbel ströme in dem Blechpaket im Betrieb des Reluktanzmotors 1 zu unterbinden .

Die Rotorbleche sind axial fluchtend in dem Blechpaket hin tereinander angeordnet, so dass die Aussparungen und entspre chend auch die Flussleitabschnitte 7 axial fluchten. Vorzugs weise ist somit keine Schrägung von Stator 2 und/oder Re luktanzrotor 5 notwendig, um ein maximales Drehmoment bereit zustellen, das eine vergleichsweise geringe Drehmomentenwel- ligkeit aufweist.

Um die Drehmomentenwelligkeit des Reluktanzmotors jedoch wei ter zu reduzieren, können die Rotorbleche axial betrachtet weiterhin geschrägt oder gestaffelt angeordnet werden.

Die Rotorbleche der Schichten können alle die gleiche Quer schnittsform aufweisen, was beispielsweise einen Stanzprozess bei der Herstellung des Rotorblechpaketes des Reluktanzrotors 5 vereinfacht.

Damit der Reluktanzrotor 5 am Außenumfang geschlossen ist, besitzt jedes Rotorblech an seinem Außenrand einen geschlos senen Verbindungsring. Er fixiert damit auch die Flussleitab schnitte 7 und die Flusssperren 6. Der Verbindungring weist in Umfangsrichtung betrachtet eine Abfolge von Stegen bzw. Flussbarrieren auf.

Diese Stege sind einstückig mit dem jeweiligen Rotorblech im Rahmen eines Stanzprozesses formbar. Der Verbindungsring kann aber alternativ oder ergänzend auch als eigenes Bauteil vor gesehen werden, das ggf. nachträglich am Rotorblechpaket an gebracht wird. FIG 4 zeigt in einer prinzipiellen, nicht maßstäblichen Dar stellung die realen und virtuellen Flussbarrieren 11, 12, die durch einen Nutteilungswinkel ar von jeweils ca. 6° in Um fangsrichtung voneinander beabstandet sind. Diese virtuellen Flussbarrieren 12 sind nicht physisch oder real vorhanden, werden aber bei der Bewertung der Nutteilung berücksichtigt. Im vorliegenden Fall sind die Flussbarrieren 12 virtuell, da die radial äußerste Flusssperre theoretisch in zwei radial sehr dünne Flusssperren unterteilt sein sollte. Die Fertigung derartiger filigraner Strukturen mittels Stanzwerkzeugen ist abhängig von der Achshöhe des Reluktanzrotors 5 nicht oder nur sehr schwierig machbar.

Die realen Flussbarrieren 11 bilden einen Abschluss einer Flusssperre 6 zum Luftspalt 10. Diese Gestaltung der Fluss barriere 11 kann mit nahezu geradlinig parallelen Kanten oder mit bogenförmigen Kanten gebildet sein. Dies hängt u.a. von den Fertigungsmöglichkeiten und/oder den Festigkeitsanforde rungen an das Rotorblech ab.

Die erfindungsgemäße Gestaltung des Reluktanzrotors 5 kann auf synchrone Reluktanzmotoren 1 ohne Permanentmagnete, als auch auf synchrone Reluktanzmotoren 1, deren Rotoren Perma nentmagnete aufweisen, angewendet werden. Dabei werden Perma nentmagnete in vorgegebener Anzahl und/oder Position in die Flusssperren 6 eingesetzt.

Derartige Reluktanzmotoren 1 werden vor allem bei Werkzeugma schinen als Haupt- oder Servoantriebe verwendet. Ebenso sind Anwendungen bei Kompressoren, Pumpen oder Lüfter vorstellbar. Weitere industrielle Einsatzgebiete sind beispielsweise

Extruder oder Folienblasmaschinen. Diese Reluktanzmotoren 1 sind auch in der Nahrungsmittelindustrie einsetzbar.

Auch bei Antrieben in der Fahrzeugtechnik, z.B. bei Mining- trucks, Elektrobussen, Baumaschinen und auch bei Fahrzeugen unter Tage sind derartige Reluktanzmotoren 1 im Einsatz.