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Title:
PERMANENTLY EXCITED SYNCHRONOUS MACHINE HAVING REDUCED PENDULUM TORQUE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/154573
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a permanently excited synchronous machine (10), comprising a stator and a rotor, on which permanent magnets (4) having a pole coverage (ap) in the circumferential direction and having a tilt in relation to a machine axis (3) of the permanently excited synchronous machine (10) are arranged. The pole coverage (ap) and the tilt are dimensioned in such a way that pendulum torques caused by the fifth and seventh harmonic wave of a stator field and a rotor field, respective, reciprocally reduce or compensate each other. The tilt with respect to the machine axis (3) has a tilt angle (αS ) in the circumferential direction in the range of 10° to 20°, preferably 14° to 16°, and the pole coverage (ap) is in the range of 75% to 90%, preferably 80% to 86%. The best results with respect to the pendulum torque are achieved with a tilt angle (αS ) of 15° and a pole coverage (ap) of 84%.

Inventors:
POTORADI, Detlef (Schlehenweg Nr. 7, Bad Neustadt/Saale, 97616, DE)
Application Number:
EP2019/050311
Publication Date:
August 15, 2019
Filing Date:
January 08, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H02K1/27; H02K15/03; H02K21/16; H02K29/03
Domestic Patent References:
WO2004109894A12004-12-16
Foreign References:
US20020101126A12002-08-01
US20020047431A12002-04-25
DE10348401A12004-05-19
EP2139100A12009-12-30
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Claims:
Patentansprüche

1. Permanenterregte Synchronmaschine (10), die für einen Dreiphasen-Betrieb ausgelegt ist, mit

- einem Stator und

- einem Rotor, auf dem Permanentmagnete (4) mit einer Polbe deckung (ap) in Umfangsrichtung und mit einer Schrägung bezo gen auf eine Maschinenachse (3) der permanenterregten Syn chronmaschine (10) angeordnet sind,

wobei die Polbedeckung (ap) und die Schrägung derart dimensi oniert sind, dass sich Pendeldrehmomente, die durch die fünf te und siebte Oberwelle jeweils eines Statorfelds und eines Rotorfelds hervorgerufen werden, gegenseitig reduzieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägung bezüglich der Ma schinenachse (3) einen Schrägungswinkel ( S) in Umfangsrich tung im Bereich von 14° bis 16° aufweist, wobei die Polbede ckung (ap) im Bereich von 80% bis 86% liegt.

2. Permanenterregte Synchronmaschine (10) nach Anspruch 1, wobei der Stator der permanenterregten Synchronmaschine (10) als Wicklungssystem eine Zahnspulenwicklung aufweist.

3. Permanenterregte Synchronmaschine (10) nach einem der An sprüche 1 bis 2, wobei die Permanentmagnete (4) zur Ausbil dung der Schrägung in Umfangsrichtung gestaffelt angeordnet sind .

4. Permanenterregte Synchronmaschine (10) nach einem der An sprüche 1 oder 2, wobei auf dem Rotor ein magnetisierbares Material (6), vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Ma schinenachse (3) , aufgebracht ist, wobei zur Ausbildung eines Permanentmagneten (41) das magnetisierbare Material (6) mit dem Schrägungswinkel (aS) schräg aufmagnetisiert ist.

5. Permanenterregte Synchronmaschine (10) nach einem der An sprüche 1 bis 4, wobei die Schrägung bezüglich der Maschinen achse (3) einen Schrägungswinkel (aS) in Umfangsrichtung von 15° aufweist.

6. Permanenterregte Synchronmaschine (10) nach einem der An sprüche 1 bis 5, wobei die Polbedeckung (ap) bei 84% liegt. 7. Permanenterregte Synchronmaschine (10) nach einem der An sprüche 1 bis 6, wobei die permanenterregte Synchronmaschine (10) eine Lochzahl q von 1/2, eine Statornutzahl Q von 12 und eine Polzahl 2p von 8 aufweist.

Description:
Beschreibung

Permanenterregte Synchronmaschine mit reduziertem

Pendeldrehmoment

Die Erfindung betrifft eine permanenterregte Synchronmaschi ne, die für einen Dreiphasen-Betrieb ausgelegt ist, mit einem Stator und einem Rotor, auf dem Permanentmagnete mit einer Polbedeckung in Umfangsrichtung und mit einer Schrägung bezo gen auf eine Maschinenachse der permanenterregten Synchronma schine angeordnet sind, wobei die Polbedeckung und die Schrä gung derart dimensioniert sind, dass sich Pendeldrehmomente, die durch die fünfte und siebte Oberwelle jeweils eines Statorfelds und eines Rotorfelds hervorgerufen werden, gegen seitig reduzieren.

Eine Drehmomentwelligkeit einer permanenterregten Synchronma schine ist bei Belastung der permanenterregten Synchronma schine ein wichtiges Merkmal. Die Drehmomentwelligkeit wird hauptsächlich durch Oberwellen der gleichen Ordnungszahl in Magnetfeldern des Rotors und des Stators hervorgerufen und führt dazu, dass ein von der permanenterregten Synchronma schine bereitgestelltes Drehmoment ein Pendeldrehmoment auf weist.

Besonders die fünfte und die siebte Oberwelle haben massiven Einfluss auf die Drehmomentwelligkeit.

Die Patentschrift EP 2139100 Al offenbart eine permanentmag neterregte Synchronmaschine, die für einen Dreiphasen-Betrieb ausgelegt ist, mit einem Stator, bei dem jeder Zahn von einer Wicklung umgeben ist, und der eine Lochzahl q = 1/2 besitzt, und einem Rotor, auf dem Permanentmagnete mit einer Pollücke in Umfangsrichtung und mit einer Schrägung bezogen auf die axiale Richtung angeordnet sind, wobei die Pollücke und die Schrägung derart dimensioniert sind, dass sich Pendeldrehmo mente, die durch die fünfte und siebte Oberwelle jeweils des Statorfelds und des Rotorfelds hervorgerufen werden, gegen- seitig reduzieren. Die Schrägung weist bei axialer Projektion einen Schrägungswinkel in Umfangsrichtung bezogen auf die Polteilung von 40 % bis 57,2 % auf. Die Pollücke liegt bezo gen auf die Polteilung im Bereich von 20 % bis 42,9 %.

Der in der genannten Patenschrift offenbarte Schrägungswinkel wirkt sich hinsichtlich seiner Größe jedoch nachteilig auf ein Nutzdrehmoment der permanenterregten Synchronmaschine aus .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Pendeldrehmomente einer permanenterregten Synchronmaschine zu reduzieren und gleichzeitig ein hohes Nutzdrehmoment bereitzustellen.

Die Lösung der Aufgabe gelingt durch die Merkmale des An spruchs 1, d. h. eine permanenterregte Synchronmaschine, die für einen Dreiphasen-Betrieb ausgelegt ist, mit einem Stator und einem Rotor, auf dem Permanentmagnete mit einer Polbede ckung in Umfangsrichtung und mit einer Schrägung bezogen auf eine Maschinenachse der permanenterregten Synchronmaschine angeordnet sind, wobei die Polbedeckung und die Schrägung derart dimensioniert sind, dass sich Pendeldrehmomente, die durch die fünfte und siebte Oberwelle jeweils eines Stator felds und eines Rotorfelds hervorgerufen werden, gegenseitig reduzieren, wobei die Schrägung bezüglich der Maschinenachse einen Schrägungswinkel in Umfangsrichtung im Bereich von 10° bis 20°, vorzugsweise von 14° bis 16°, aufweist, wobei die Polbedeckung im Bereich von 75% bis 90%, vorzugsweise von 80% bis 86%, liegt.

Permanenterregte Synchronmaschinen umfassen einen Stator und einen Rotor. Um eine Permanenterregung zu erreichen, umfasst der Rotor ein Rotorpaket, vorzugsweise in Form eines Blechpa kets, sowie Permanentmagnete. Die Permanentmagnete sind vor zugsweise auf dem Rotorpaket angeordnet und übertragen das Drehmoment auf eine an dem Rotor befestigte Welle. Permanent erregte Synchronmaschinen, insbesondere Servomotoren, werden in vielen Gebieten eingesetzt. Hierzu zählen Industrieanla- gen, Werkzeugmaschinen, Fahrzeugantriebe oder auch Industrie roboter. Sie weisen eine hohe Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad auf. Zudem sind permanenterregte Synchronmaschi nen wartungsarm.

Die Erfindung eignet sich besonders gut für Servomotoren, da Servomotoren vorzugsweise als permanenterregte Synchronmoto ren ausgeführt sind und vorzugsweise ausgeprägte Pole und Pollücken aufweisen. Anwendungen, in welchen Servomotoren eingesetzt werden, reagieren empfindlich auf Drehzahlschwan kungen bzw. Pendeldrehmomente.

Durch die Erfindung können Pendeldrehmomente einer permanent erregten Synchronmaschine reduziert und gleichzeitig ein ho hes Nutzdrehmoment bereitgestellt werden. Eine hohe Polbede ckung und ein geringer Schrägungswinkel ermöglichen ein hohes Nutzdrehmoment .

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Stator der permanenterregten Synchronmaschine als Wick lungssystem eine Zahnspulenwicklung auf.

Sogenannte Zahnspulenwicklungen umfassen Einzelspulen mit ei ner Spulenweite, die vorzugsweise einer Nutteilung ent spricht. Die Einzelspulen umfassen genau einen Zahn. Sie wer den daher als Zahnspulen bezeichnet.

Eine Zahnspulenwicklung weist eine sehr kurze Wickelkopflänge auf, was bezüglich einer kompakten Bauweise der Synchronma schine vorteilhaft ist. Sie ermöglicht zudem eine höhere Nut füllung als bei anderen Wicklungssystemen, was bezüglich ei ner Leistungsdichte der Synchronmaschine vorteilhaft ist. Ferner wird keine Phasentrennung im Nutbereich benötigt, was sich positiv auf Fertigungskosten der Synchronmaschine aus wirkt. Eine modulare und automatisierte Fertigung, die bei Zahnspulenwicklungen möglich ist, sowie eine einfache Wickel technik wirken zudem kostensenkend. Durch die Zahnspulenwicklung ist ein Widerstand eines Wick lungsstrangs außerdem deutlich verringert, wodurch Stromwär meverluste geringer sind. Die Synchronmaschine ist dadurch äußerst energieeffizient.

Die Zahnspulenwicklung wird bevorzugt bei Servomotoren oder auch Torquemotoren eingesetzt.

Es sind jedoch auch andere Wicklungsarten - z. B. eine ver teilte Wicklung - möglich.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Polbedeckung und die Schrägung derart dimensioniert, dass sich Pendeldrehmomente, die durch die fünfte und siebte Oberwelle jeweils des Statorfelds und des Rotorfelds hervor gerufen werden, im Wesentlichen kompensieren.

Die fünfte und die siebte Oberwelle werden hierbei nicht ein zeln für sich reduziert bzw. kompensiert. Vielmehr wird eine Phasenlage der fünften Oberwelle und siebten Oberwelle zuei nander betrachtet und mittels des erfindungsgemäßen Schrä gungswinkels und der Polbedeckung erreicht, dass eine resul tierende Drehmomentpendelung aus der fünften und siebten Oberwelle gleich null oder zumindest nahezu null ist.

Die resultierende Drehmomentwelligkeit kann dadurch auf ein Minimum reduziert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Permanentmagnete zur Ausbildung der Schrägung in Um fangsrichtung gestaffelt angeordnet.

Schräg ausgeführte Magnete sind teuer und müssen meist für jede Rotorlänge und den gewünschten Schrägungswinkel geson dert gefertigt werden. Die gestaffelte Anordnung der Perma nentmagnete ist kostengünstiger, unter anderem weil Magnete vorgefertigt werden können. Auch die Fertigung des Rotors ge lingt leichter. Vorzugsweise sind die Permanentmagnete rund um den Rotor an geordnet und als außenliegende Magnete ausgeführt. Diese Art der Magnetanordnung erlaubt eine leichte und kostengünstige Fertigung des Rotors.

Jedoch ist auch eine Einbettung der Permanentmagnete - auch als innenliegende Magnete bekannt - in den Rotor möglich, wenn sehr hohe Drehzahlen erforderlich sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Permanentmagnete als Plättchen-, Ring-, Brotlaib oder Schalenmagnete ausgeführt. Die Permanentmagnete können auch als randabgesenkte Schalenmagnete oder als Magnete kon stanter Höhe mit am Rand vergrößertem Luftspalt ausgeführt sein. Ferner sind auch andere Magnetformen möglich.

Als Permanentmagnete eignen sich besonders gut Hochener giemagnete, vorzugsweise Legierungen aus Neodym-Eisen-Bohr oder Samarium-Kobalt. Hochenergiemagnete werden bei elektri schen Synchronmaschinen bevorzugt, da dadurch eine kompakte Anordnung der elektrischen Maschine bewerkstelligt werden kann. Jedoch können auch Ferritmagnete eingesetzt werden. Bei gleicher Bauart weist eine permanenterregte Synchronmaschine mit Ferritmagneten aber ein geringeres Drehmoment auf als ei ne permanenterregte Synchronmaschine mit Hochenergiemagneten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist auf dem Rotor ein magnetisierbares Material, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Maschinenachse, aufgebracht, wo bei zur Ausbildung eines Permanentmagneten das magnetisierba re Material mit dem Schrägungswinkel schräg aufmagnetisiert ist .

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Schrägung bezüglich der Maschinenachse einen Schrä gungswinkel in Umfangsrichtung von 15° auf. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt die Polbedeckung bei 84%.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die permanenterregte Synchronmaschine eine Lochzahl q von 1/2, eine Statornutzahl Q von 12 und eine Polzahl 2p von 8 auf .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Es zeigen:

FIG 1 eine Ausgestaltung eines Rotors einer permanenterregten Synchronmaschine,

FIG 2 einen Ausschnitt aus FIG 1 mit Blick in Richtung der Maschinenachse,

FIG 3 eine Ausgestaltung des Rotors mit gestaffelt und ge schrägt angeordneten Permanentmagneten,

FIG 4 eine Ausgestaltung des Rotors, auf welchem magnetisier bares Material aufgebracht ist,

FIG 5 ein Diagramm, das die Drehmomentwelligkeit, die durch die fünfte und siebte Oberwelle erzeugt wird, in Abhän gigkeit des Schrägungswinkels und der Polbedeckung dar stellt,

FIG 6 ein Diagramm, das die Drehmomentwelligkeit , die durch die fünfte und siebte Oberwelle erzeugt wird, in Abhän gigkeit des Schrägungswinkels und der Polbedeckung dar stellt,

FIG 7 ein Diagramm, das ebenso die Drehmomentwelligkeit , die durch die fünfte und siebte Oberwelle erzeugt wird, darstellt, jedoch in Abhängigkeit des Verhältnisses von Schrägungswinkel zu Polteilung und des Verhältnisses von Pollücke zu Polteilung,

FIG 8 eine Ausgestaltung der permanenterregten Synchronma schine .

FIG 1 zeigt eine Ausgestaltung eines Rotors 1 einer perma nenterregten Synchronmaschine. Der Rotor weist eine Welle 2 entlang einer Maschinenachse 3 auf. Der Rotor 1 umfasst fer ner Permanentmagnete 4, die auf einem Rotorpaket, vorzugswei se auf einem Blechpaket 5, angeordnet sind. Die Permanentmag nete 4 sind bezüglich eines Pols gestaffelt und mit einer Schrägung mit einem Schrägungswinkel aS angeordnet. Eine Pol bedeckung und die Schrägung sind derart dimensioniert, dass sich Pendeldrehmomente, die durch eine fünfte und siebte Oberwelle jeweils eines Statorfelds und eines Rotorfelds her vorgerufen werden, gegenseitig reduzieren bzw. sogar kompen sieren .

FIG 2 zeigt einen Ausschnitt aus FIG 1 mit Blick in Richtung der Maschinenachse 3. Die Figur zeigt die Welle 2 sowie auf dem Blechpaket 5 angeordnete Permanentmagnete 4. Ein durch den Permanentmagnet 4 ausgebildeter Pol weist die Polbreite bm und die Polteilung ip auf.

Es gilt vorzugsweise: ap = mit Polbedeckung ap, Polbreite

bm und Polteilung ip.

Ferner zeigt die Figur eine Pollücke pl .

FIG 3 zeigt eine Ausgestaltung des Rotors 1 mit gestaffelt und geschrägt angeordneten Permanentmagneten 4. Die Welle 2 ist entlang der Maschinenachse 3 angeordnet. Die Figur zeigt die Pollücke pl, die Polbreite bm und die Polteilung ip.

Die Figur zeigt zudem den Schrägungswinkel aS . Beim Blick in Richtung der Maschinenachse 3 ist dieser bezüglich einer Vor deransicht V abgebildet. Der Schrägungswinkel S liegt im Bereich zwischen 10° und 20°, vorzugsweise zwischen 14° und 16°. Die Polbedeckung ap liegt im Bereich von 75% bis 90%, vorzugsweise von 80% bis 86%. Die besten Ergebnisse bezüglich einer Drehmomentwellig keit der permanenterregten Synchronmaschine werden mit einem Schrägungswinkel aS von 15° und einer Polbedeckung ap von 82,5% erreicht .

FIG 4 zeigt eine Ausgestaltung des Rotors 1, auf welchem mag netisierbares Material 6 aufgebracht ist. Das magnetisierbare Material 6 wurde schräg mit einem Schrägungswinkel aS aufmag netisiert, wodurch der Permanentmagnet 41 geschaffen wurde.

Beim Blick in Richtung der Maschinenachse 3 ist der Schrä gungswinkel aS bezüglich einer Vorderansicht V abgebildet.

Die Figur zeigt die Welle 2 entlang der Maschinenachse 3. Die Polbreite bm ist von einem vorderen axialen Ende des Rotors 1 bis zu einem hinteren axialen Ende des Rotors 1 gleich. Je doch kann die Polbreite bm an verschiedenen Stellen des Ro tors 1 auch verscheiden breit sein.

FIG 5 und FIG 6 zeigen Diagramme, die die Drehmomentwellig keit, die durch die fünfte und siebte Oberwelle erzeugt wird, in Abhängigkeit des Schrägungswinkels aS und der Polbedeckung ap darstellen.

Ein Bereich A zeigt den Stand der Technik der weiter oben ge nannten Patentschrift EP 2139100 Al mit einem Schrägungswin kel aS von 18° bis 25,74° und einer Polbedeckung ap von 57,1% bis 80%.

Ein Bereich B zeigt die Drehmomentwelligkeit bei einem Schrä gungswinkel aS von 14° bis 16° und einer Polbedeckung ap von 80% bis 86%. Besonders durch FIG 6 wird ersichtlich, dass im Bereich B eine deutlich geringere Drehmomentwelligkeit auf- tritt. FIG 6 zeigt hierfür die Drehmomentwelligkeit dm in Prozent bezogen auf ein Nutzdrehmoment.

FIG 7 zeigt ein Diagramm, das ebenso die Drehmomentwellig- keit, die durch die fünfte und siebte Oberwelle erzeugt wird, darstellt, jedoch in Abhängigkeit des Verhältnisses von

Schrägungswinkel S zu Polteilung ip und des Verhältnisses von Pollücke pl zu Polteilung ip. Auch hier werden der Stand der Technik (Bereich A) und die im Rahmen dieser Erfindung offenbarten Werte (Bereich B) gegen übergestellt .

FIG 8 zeigt eine Ausgestaltung der permanenterregten Syn chronmaschine 10. Diese umfasst einen Stator mit Zähnen 11 und Wicklungen 12 sowie einen Rotor ringsum die Welle 2. Der Rotor weist ein Blechpaket 5 sowie Permanentmagnete 4 auf.