DE69609807T2

DE69609807T2 - Permanent Magnet-Synchronmaschine geeignet zur Abgabe konstanter Leistung in einen grossen Geschwindigkeitsbereich

Info

Publication number: DE69609807T2
Application number: DE69609807T
Authority: DE
Inventors: Philippe Manfe
Original assignee: Moteurs Leroy Somer SAS
Current assignee: Moteurs Leroy Somer SAS
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1996-12-18
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2016-12-19
Also published as: JP2912277B2; EP0780954B1; JPH09298864A; EP0780954A1; DE69609807D1; FR2742936B1; FR2742936A1

Description

Die Erfindung betrifft eine synchrone Elektromaschine mit Dauermagneten, geeignet um mit konstanter Leistung innerhalb eines grossen Drehzahlbereiches zu laufen, der von der Basisdrehzahl bis zu einer maximalen Drehzahl reicht, die mindestens etwa drei Mal dieser Basisdrehzahl entspricht, sowie den Rotor einer derartigen Maschine.
Die Erfindung gilt insbesondere für einen Motor von Elektrofahrzeugen und vor allem für jeden Motortyp, der einen Betrieb mit konstanter Leistung innerhalb eines grossen Drehzahlbereiches erfordert.
Es ist bekannt, dass synchrone Elektromaschinen mit Dauermagneten besonders geeignet sind, um sehr hohe Massenmomente zu entwickeln, und dass sie bei Anwendungen für einen Betrieb mit konstantem Moment befriedigend sind, wobei sich die entwickelte Leistung proportional zur Drehzahl erhöht.
Demzufolge sind diese Maschinen im allgemeinen nicht für einen Betrieb mit konstanter Leistung geeignet.
Eine Lösung für die Traktion von elektrischen Automobilfahrzeugen besteht darin, einen mit konstantem Moment laufenden Motor mit einem Schaltgetriebe zu vereinen.
Ein Schaltgetriebe ist jedoch für einen Automobilhersteller ein schweres, sperriges und teures Organ.
Die Lastenhefte der Automobilhersteller verlangen das Entfernen eines derartigen Schaltgetriebes und das Design einer Elektromaschine, die geeignet ist, mit konstanter Leistung innerhalb eines grossen Drehzahlbereiches zu laufen, der von der Basisdrehzahl bis zu einer maximalen Drehzahl reicht, die mindestens drei Mal dieser Basisdrehzahl entspricht.
Weiters verlangen die Lastenhefte eine hohe Massenleistung, um das Gewicht dieser Maschine zu begrenzen.
Da die synchronen Elektromaschinen mit Dauermagneten für ihre Robustheit und Zuverlässigkeit bekannt sind, hat sich die Antragstellerin zum Ziel gesetzt, eine Maschine eines derartigen Typs zu entwerfen, die die vorstehend genannten neuen Anforderungen der Lastenhefte erfüllt.
Man kennt beispielsweise eine synchrone Elektromaschine mit Dauermagneten, die einen Rotor umfasst, dessen Umfangsfläche etwa völlig mit Magneten bedeckt ist. Diese Magneten sind vorzugsweise Magneten mit hoher Energiedichte und radial magnetisiert.
Diese synchrone Elektromaschine umfasst ebenfalls einen Stator, der eine mehrphasige Armatur bildet und an seiner internen Umfangsfläche Zähne aufweist, die Kerben abgrenzen, in denen Spiralen aufgewickelt sind, und einen Wandler bildende Mittel, um die die Spiralen durchlaufende Spannung und Stromstärke zu regeln, sowie auch den Winkelversatz des Magnetflusses der Magneten in Bezug auf den Fluss der mehrphasigen Armatur.
In konventioneller Weise funktioniert diese synchrone Maschine mit etwa konstantem Moment bis zu ihrer Basisdrehzahl, die erreicht ist, wenn die Spannung des die Maschine anspeisenden Stromes ihren Höchstwert erreicht. Dieser Wert ist bei einem elektrisch angetriebenen Automobilfahrzeug die Nennspannung der das Fahrzeug ausrüstenden Batterie.
Damit diese Maschinen mit einer merklich höheren Drehzahl laufen kann als ihre Basisdrehzahl, ist der diese Maschine ausrüstende Wandler geeignet, nicht nur die die Spiralen des Stators durchlaufende Spannung und Stromstärke zu regeln, sondern ebenfalls den Winkelversatz des Magnetflusses der Magneten des Rotors in Bezug auf den Magnetfluss der mehrphasigen Armatur des Stators.
Wenn die Stromstärke ansteigt, steigt der von der mehrphasigen Armatur erzeugte Fluss ebenfalls an und setzt sich dem von den Magneten erzeugten Fluss entgegen, wodurch das von der Maschine entwickelte Moment verringert wird. Gleichzeitig bewirkt eine Vergrösserung des o. g. Winkelversatzes eine Erhöhung der Drehzahl der Maschine. Damit erhält man einen Betrieb mit konstanter Leistung.
Eine derartige Struktur, die hauptsächlich für Servomotoren verwendet wird, ermöglicht eine maximale Drehzahl, die praktisch auf etwa eineinhalb Mal die Basisdrehzahl begrenzt ist.
Um eine maximale Drehzahl über dieser praktischen Grenze zu erhalten, wäre es erforderlich, den die Maschine durchlaufenden Strom sehr stark zu erhöhen, und demnach die eine derartige Maschine anspeisenden Leistungstransistoren stark überzubemessen. Dies würde zu unerschwinglichen Kosten führen.
Dieser Drehzahlbereich ist hinsichtlich des von der Erfindung angestrebten Ziels sehr unzureichend.
Man kennt ebenfalls einen Rotor mit an den Magneten ohne Flusskonzentration montierten Polteilen. Der von den Magneten erzeugte Fluss kann gross sein, wenn man Magneten mit hoher Energiedichte verwendet. Diese Struktur ermöglicht demnach sehr hohe Massenmomente unter der Basisdrehzahl. Ihre Fähigkeit, mit konstanter Leistung zu funktionieren, bleibt unzureichend, obwohl sie in Bezug auf die vorherige Struktur verbessert ist, um für einen Betrieb über einen grossen Drehzahlbereich verwendet zu werden.
Weiters kennt man nach der Unterlage EP-A-0378162 einen Synchronmotor mit Magneten des Typs mit Flusskonzentration. Dieser Motor enthält einen Rotor mit Magneten, die radial mit einer azimutalen (oder tangentiellen) Magnetisierungsrichtung positioniert sind, und mit Polteilen, die zwischen zwei benachbarten Magneten angeordnet sind und als Flusskonzentratoren dienen. Der Reluktanzwert für den Fluss der Magneten auf der Motorwellenseite beträgt zwischen zehn Mal und zwanzig Mal den Reluktanzwert für den Fluss der Magneten auf der Luftspaltseite des Motors.
Das angekündigte Ziel dieser Struktur besteht in der Herstellung eines Synchronmotors, der innerhalb eines grossen Drehzahlbereiches laufen kann, der von einer gegebenen Basisdrehzahl bis zu einer maximalen Drehzahl reicht, die vier Mal dieser Basisdrehzahl entspricht.
Diese Struktur ist jedoch keine befriedigende Lösung des vorstehend erwähnten Problems.
Sie führt zu sperrigen und demnach schweren und teuren Motoren, da sie nicht ermöglicht, das in den Lastenheften verlangte Massenleistungsniveau zu erhalten. Sie besteht eigentlich darin, die Maschine überzubemessen, um sich dem von den Magneten erzeugten Fluss gegenüberzusetzen.
Weiters kennt man beispielsweise aus der Unterlage EP-A-0163 747 einen Rotor für einen synchronen Elektromotor mit einer Armatur mit radial nach aussen ragenden Polteilen, und die zwischen zwei angrenzenden Polteilen einen oder mehrere radial magnetisierte Magneten trägt. Die Seitenflächen der Magneten sind von den jeweiligen Seitenflächen der entsprechenden angrenzenden Polteile entfernt. Die Polteile haben einen kreisförmigen externen Umfangsrand mit einem sehr viel kleineren Radius als der Radius des Rotors, was zu einem Luftspalt mit variabler Abmessung führt, dessen Wirkung auf die Komponente des Flusses in der Achse der Magneten ungünstig ist.
Demgegenüber haben der bedeutende Abstand zwischen jedem Magneten und dem angrenzenden Polteil sowie die besondere abgerundete konvexe Kontur des Aussenrandes des besagten Polteiles zur Aufgabe, eine etwa sinusförmige Verteilung des Magnetflusses zu bewirken, um Schwankungen des Moments des Rotors zu beseitigen und eine regelmässige Drehung des Rotors zu erhalten.
Demnach soll diese Struktur ein sehr regelmässiges, sehr glattes Moment bei niedriger Drehzahl erzeugen, was bei einer Werkzeugmaschine besonders interessant sein kann, um eine ausgezeichnete Bearbeitungsqualität zu erhalten, die eine konventionelle spätere Nachbearbeitungsetappe überflüssig macht.
Dieser Rotortyp ist keinesfalls geeignet, um eine Maschine auszurüsten, die bei konstanter Leistung über einen grossen Drehzahlbereich laufen kann und eine hohe Massenleistung und einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Eine Elektromaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist aus der Unterlage WO 92 22 121 bekannt.
Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile der bekannten synchronen Elektromaschinen mit Dauermagneten zu beseitigen, und eine Maschine des vorstehend genannten Typs vorzuschlagen, die platzsparend, zuverlässig, sehr wirtschaftlich und speziell dazu geeignet ist, mit konstanter Leistung über den zuvor definierten grossen Drehzahlbereich zu laufen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen geeigneten Rotor vorzuschlagen, der eine derartige synchrone Elektromaschine ausrüsten kann.
Nach einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ist die synchrone Elektromaschine mit Dauermagneten des vorstehend genannten Typs dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor eine vorgegebene Anzahl von Polteilen umfasst, und zwischen zwei benachbarten Polteilen mindestens einen radial oder axial magnetisierten Dauermagneten einer vorgegebenen Dicke, wobei jede etwa radiale Wand eines Magneten, die sich einer etwa radialen Wand eines Polteils anschliesst, von dieser etwa radialen Wand in einem vorgegebenen Abstand entfernt ist, um jegliches Entmagnetisierungsrisiko des Magneten in Gegenwart eines maximalen Stromes zu vermeiden, der die Maschine durchlaufen könnte, insbesondere bei einem Kurzschluss dieser Maschine.
Der die vorstehend genannte Struktur von Servomotoren kennende und sie verbessern wollende Fachmann kommt nicht auf die Idee, zum Erreichen des Ziels der Erfindung Polteile oder am Rotor herausragende Pole zu schaffen. Denn eine erste Wirkung dieser Änderung wäre die Verringerung des von den Magneten erzeugten Magnetflusses, während er weiss, dass bei Maschinen ohne auskragende Pole das Massenmoment und die Massenleistung unter der Basisdrehzahl proportional zu diesem Fluss sind, der gross sein kann, wenn man Magneten mit hoher Energiedichte verwendet.
Andererseits wird er keine Polteile verwenden, die den Fluss des Rotors kanalisieren würden, indem unter den extremen Einsatzbedingungen von Traktionsmotoren in diesen Teilen und in ihrer Nachbarschaft Flüsse erzeugt werden, die diesen Flussen ausgesetzten Magneten entmagnetisieren können.
Der vorgegebene Abstand zwischen der radialen Wand des Magnets und der etwa radialen angrenzenden Wand des entsprechenden Polteils ermöglicht somit, jegliches Entmagnetisierungsrisiko des Magneten bei einer bedeutenden Stromerhöhung in der Maschine durch das Saumfeld zu vermeiden, das ausserhalb des Polteiles an seiner etwa radialen Wand verläuft.
Diese vorgegebenen Abstände haben zur Wirkung, den von den Magneten im Leerlauf erzeugten Fluss weiter zu reduzieren, was gegen das Bestreben des Fachmanns geht, stets das maximale Moment zu suchen.
Wenn er dann immer noch Polteile verwenden möchte, würde er entdecken, dass das maximale Moment unter der Basisdrehzahl erreicht ist, wenn man den Fluss der Magneten in Bezug auf den Fluss des Stators versetzt, unter der Voraussetzung, die Stromstärke in Bezug auf diejenige zu erhöhen, die in den Servomotoren ohne auskragende Pole erforderlich ist.
Dies scheint in Richtung einer Verkleinerung des für die Versetzung des Flusses der Magneten zur Verfügung stehenden Bereiches zu gehen, und einer Verringerung des Wirkungsgrades und der maximalen Drehzahl der Maschine, aufgrund dieser höheren Stromstärke.
Überraschenderweise ist bei der erfindungsgemässen Synchronmaschine das resultierende Moment die Summe des Interaktionsmomentes in Bezug auf den Fluss der Magneten und des Reluktanzmomentes nach der Permeanzschwankung zwischen den Achsen d und q (siehe nachstehend), was die o. g. Nachteile bei weitem ausgleicht.
Nach einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung ist der Rotor mit Dauermagenten dadurch gekennzeichnet, dass er geeignet ist, eine synchrone Elektromaschine nach dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung auszurüsten.
Wenn die Magneten vor ihrer Anbringung am Rotor magnetisiert werden, ist es sinnvoll, ihre Positionierung vereinfachen zu können. Zu diesem Zweck wird der vorgegebene Abstand von einem Schulterstück festgelegt, das sich in etwa tangentialler Richtung am Fuss der radialen Wand des Polteiles erstreckt und einen Anschlag in tangentialler Richtung für den angrenzenden Magneten bildet.
Nach einer Ausführungsweise ist der Raum zwischen einer etwa radialen Wand eines Polteils und der entsprechenden angrenzenden etwa radialen Wand eines Magneten zumindest teilweise mit einem Element aus unmagnetischem Material gefüllt.
Bei diesem unmagnetischen Material kann es sich insbesondere um einen Klebstoff oder einen Lack handeln, um damit eine Befestigung des entsprechenden Magneten zu ermöglichen.
Nach einer anderen Ausführungsweise weist das Element aus unmagnetischem Material eine Rohrform auf, die sich axial entlang dem Polteil erstreckt und geeignet ist, von einer Kühlflüssigkeit durchlaufen zu werden.
Das Element aus unmagnetischem Material kann weiters ein Führungsteil umfassen, das die Führung des Magneten bei seiner Positionierung ermöglicht.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsweise der Erfindung weisen die Dauermagneten eine hohe Energiedichte auf, insbesondere aus einem Werkstoff mit starker remanenter Induktion und einem mässigen Koerzivfeld bei Betriebstemperatur, inbesondere bei etwa 130ºC.
Der Einsatz von Magneten mit hoher Energiedichte ist bekannt bei Rotoren von Synchronmotoren mit hohem Massenmoment. Demgegenüber wird der Fachmann für einen Synchronmotor, der geeignet ist, bei konstanter Leistung über einen grossen Drehzahlbereich zu laufen, also mit hohen Strömen und einem bedeutenden Entmagnetisierungsrisiko der Magneten, keine Magneten aus einem Werkstoff mit mässigem Koerzivfeld bei Betriebstemperatur verwenden, wie beispielsweise eine Legierung Nd Fe B: denn ist das Koerzivfeld, das die Fähigkeit des Magneten definiert, der Entmagnetisierung durch einen antagonistischen, von der mehrphasigen Armatur des Stators erzeugten Flusses zu widerstehen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsweise der Erfindung weisen die Dauermagneten eine relativ geringe Dicke auf, die beispielsweise zwischen 4 und 8 mm beträgt, vorzugsweise zwischen 4,5 und 5,5 mm, für Magneten aus NdFeB-Legierung.
Eine relativ geringe Dicke der Magneten führt in ihrer radialen Achse zu einem relativ geringen Luftspalt, also zu einer relativ hohen Dichte für den von der mehrphasigen Armatur des Stators erzeugten und von den Polteilen kanalisierten Magnetfluss.
Der Fachmann, der das Entmagnetisierungsrisiko der Magneten in Synchronmaschinen kennt, die bei konstanter Leistung über einen grossen Drehzahlbereich laufen können, wird am Rotor derartiger Maschinen keine Dauermagneten von geringer Dicke verwenden.
Diese Magneten, die nur an einem Teil des Umfangs des Rotors angeordnet werden, haben ein sehr viel geringeres Gesamtvolumen als diejenigen, die in den vorstehend beschriebenen Servomotoren zum Einsatz gelangen.
Aber gerade aufgrund der Möglichkeit, ein geringes Volumen von Magneten aus einem Material mit hoher Energiedichte, aber mit einem mässigen Koerzivfeld zu relativ niedrigen Kosten zu verwenden, haben die Maschine und der Rotor nach der Erfindung ein weitaus geringeres Gewicht und Kosten als diejenigen nach dem Stand der Technik.
Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen hervor, die nur als unbegrenzende Beispiele dienen. Es zeigen:
- die Fig. 1 eine schematische Elevationsansicht eines gestanzten Magnetbleches, das geeignet ist, einen Rotor nach einer Ausführungsweise der Erfindung zu bilden;
- die Fig. 2 eine vergrösserte Ansicht eines Details der Fig. 1, auf der Dauermagneten dargestellt wurden;
- die Fig. 2a eine der Fig. 2 ähnliche Ansicht, die Ausführungsvarianten des erfindungsgemässen Rotors darstellt;
- die Fig. 3 eine schematische Teilansicht von oben eines Rotors, der der Ausführungsweise von Fig. 1 und 2 entspricht, mit den beiden möglichen Magnetisierungsrichtungen der Magneten;
- die Fig. 4a, 4b, 4c Schemata, die jeweils in Elevation einen in axialer Richtung magnetisierten quaderförmigen Magneten, einen in axialer Richtung magnetisierten ziegelförmigen Magneten und einen in radialer Richtung magnetisierten ziegelförmigen Magneten zeigen;
- die Fig. 5 ein Schema, das die jeweiligen Flüsse der Dauermagneten des Rotors und der mehrphasigen Armatur des Stators sowie den Winkelversatz zwischen diesen beiden Flüssen nach der konventionellen Darstellung in den Achsen d und q zeigt;
- die Fig. 6 ein Diagramm, das die Komponenten des elektromagnetischen Moments in Funktion des elektrischen Winkelversatzes des Flusses der Magneten in Bezug auf denjenigen der mehrphasigen Armatur darstellt;
- die Fig. 7 eine schematische Teilansicht, die einen Abschnitt des Rotors und des Stators darstellt;
- die Fig. 8 eine der Fig. 7 ähnliche Ansicht, die die Flusslinien darstellt, wenn der Fluss der mehrphasigen Armatur nach der Achse q ausgerichtet ist;
- die Fig. 9 eine der Fig. 7 ähnliche Ansicht, die die Flusslinien darstellt, wenn der Fluss der mehrphasigen Armatur nach der Achse d ausgerichtet ist.
Bei der auf Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsweise umfasst der Rotor 1, der an seinem Umfang mit Dauermagneten 2 bestückt ist, weiters eine vorgegebene Anzahl von regelmässig um die Achse 4 des Rotors 1 herum verteilten Polteilen 3.
Bei der Ausführung der Fig. 1 umfasst das Magnetblech 5 sechs regelmässig um die Achse 4 herum verteilte Polteile 3, wobei zwei angrenzende Polteile 3 in einem Winkel von 60º voneinander beabstandet sind.
Jedes Blech 5 umfasst eine mittlere Öffnung 5a zur Durchführung einer nicht dargestellten Welle.
Die Polteile 3 ragen in Bezug auf den umlaufenden Rand 6 des Bleches 5 radial nach aussen.
Zwischen zwei angrenzenden Polteilen 3 besteht der umlaufende Rand 6 aus drei Segmenten 7, die am gleichen Umfang tangierend und geeignet sind, um einem jeweiligen Magneten 2 als Stützfläche zu dienen, wie auf Fig. 2 und 2a schematisch anhand von quaderförmigen Magneten dargestellt.
Hierbei handelt es sich nur um eine Ausführungsweise unter anderen, die sich gut für die Verwendung von quaderförmigen und kleinen, auf dem Markt erhältlichen Magneten eignet. Wichtig ist, dass sich zwischen angrenzenden Polteilen 3 mindestens ein Dauermagnet 2 befindet, der diverse Formen aufweisen kann, beispielsweise eine Ziegelform, deren Innenradius dann etwa dem Radius des dann kreisförmigen Randes 6 entspricht.
Wie man später im Detail sehen wird, weisen die Dauermagneten 2 eine bestimmte Dicke auf. Sie sind vorzugsweise radial magnetisiert, können jedoch ebenfalls axial magnetisiert sein, d. h. in der Richtung ihrer Achse, wenn die Polanzahl hoch ist.
Auf Fig. 3 sind axial oder radial magnetisierte Magneten 2 dargestellt. Die zwischen den beiden angrenzenden Polteilen 3 auf der rechten Seite der Figur eingefügten Magneten 2 haben alle ihren Pol N an ihrer ausgesetzten Aussenseite und ihren Pol S an ihrer mit ihrer Stützfläche 7 in Kontakt stehenden Seite. Die zwischen den Polteilen der linken Seite der Figur eingefügten Magneten, auf der anderen Seite des mittleren Polteiles, sind demgegenüber in entgegengesetzter Richtung magnetisiert.
Jede etwa radiale Wand 8 eines Magneten 2, die an die entsprechende etwa radiale Wand 9 eines Polteiles 3 angrenzt, ist erfindungsgemäss in einem vorgegebenen Abstand 10, der später definiert wird, zu dieser etwa radialen Wand 9 angeordnet.
Bei der auf Fig. 1, 2 und 2a dargestellten Ausführungsweise ist der vorgegebene Abstand 10 durch ein Schulterstück 11 festgelegt, das sich in etwa tangentieller Richtung am Fuss der etwa radialen Wand 9 des Polteiles 3 erstreckt und einen Anschlag für den angrenzenden Dauermagneten 2 bildet.
Der Raum zwischen einer etwa radialen Wand 9 eines Polteiles 3 und der entsprechenden angrenzenden etwa radialen Wand 8 eines Dauermagneten 2 ist bei der auf Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführung mit Luft gefüllt. Als Variante kann dieser Raum zumindest teilweise mit einem Element aus unmagnetischem Material gefüllt sein. Bei diesem unmagnetischen Material kann es sich um Klebstoff oder Lack handeln, wie bei 12 auf der rechten Seite der Fig. 2 schematisch dargestellt, um die Befestigung der Magneten 2 am Rotor 1 zu verbessern.
Das auf der linken Seite der Fig. 2a dargestellte Element 13 aus unmagnetischem Material ist rohrförmig, erstreckt sich axial entlang dem Polteil 3 und ist geeignet, von einer Kühlflüssigkeit durchlaufen zu werden.
Das auf der rechten Seite der Fig. 2a dargestellte Element 14 aus unmagnetischem Material bildet ein Führungsteil, das die Führung des angrenzenden Magneten 2 bei seiner Positionierung auf dem Rotor 1 ermöglicht. Es ist demnach an der Seitenwand 9 des Polteiles 3 angelehnt und weist eine der Wand 9 gegenüberliegende Fläche 15 auf, die geneigt ist, um den Magneten 2 bis zum Rand des Schulterstücks 11 zu seiner Stützfläche 7 zu führen. Das vorstehend beschriebene Element 13 könnte ebenfalls eine etwa geneigte Wand, wie die Wand 15, aufweisen, um beim Positionieren der Magneten zu helfen.
Die Dauermagneten 2 sind Magneten mit hoher Energiedichte. Sie bestehen vorzugsweise aus einem Werkstoff mit starker remanenter Induktion Br und einem mässigen Koerzivfeld Hc bei der vorgesehenen Betriebstemperatur, insbesondere bei etwa 130ºC, beispielsweise aus NdFeB-Legierung.
Die Dauermagneten 2 weisen eine relativ geringe Dicke zwischen beispielsweise 4 und 8 mm auf, vorzugsweise zwischen 4,5 und 5,5 mm für Magneten aus NdFeB-Legierung.
Der vorgegebene Abstand 10 entspricht etwa der Dicke der Magneten 2 und kann zwischen etwa 4 und 8 mm betragen. Dadurch werden die Magneten 2 wirksam gegen das Entmagnetisierungsrisiko durch das Saumfeld geschützt, das aussen an den Seitenwänden 9 der Polteile 3 vorhanden ist.
Dies geht jedoch in Richtung einer Verringerung des von den Magneten im Leerlauf erzeugten Flusses (siehe folgenden Text).
Der vorstehend beschriebene Rotor wurde entwickelt, um eine bei 20 auf Fig. 7 schematisch dargestellte synchrone Elektromaschine auszurüsten, die geeignet ist, mit konstanter Leistung innerhalb eines grossen Drehzahlbereiches zu laufen, der von der Basisdrehzahl bis zu einer maximalen Drehzahl reicht, die mindestens etwa drei Mal dieser Basisdrehzahl entspricht. Diese Synchronmaschine umfasst an ihrem Umfang einen Rotor 1, an dessen Umfang Dauermagneten 2 angeordnet sind, einen Stator 19, der eine mehrphasige Armatur bildet und an seiner inneren Umfangsfläche 18 Zähne 21 aufweist, die Kerben 22 abgrenzen, in denen bei 23 der Fig. 4 schematisch dargestellte Spiralen aufgerollt sind, und einen Wandler bildende, auf Fig. 8 bei 24 schematisch dargestellte Mittel, die geeignet sind, um die die Spiralen 23 durchlaufende Spannung und Stromstärke zu regeln, sowie auch den Winkelversatz des Magnetflusses der Dauermagneten 2 in Bezug auf den Fluss der mehrphasigen Armatur des Stators 19. Diese einen Wandler bildenden Mittel 24 sind an sich bekannt und brauchen hier nicht im Detail beschrieben zu werden. Sie umfassen selbstverständlich einen (nicht dargestellten) Positionsgeber des Rotors, der ein für die Einstellung der Spannung und der Stromstärke sowie des vorgenannten Winkelversatzes unerlässliches Signal liefert.
Wie bereits vorstehend beschrieben, sind die Synchronmaschinen mit Dauermagneten dafür bekannt, sehr hohe Massenmomente zu liefern.
Im allgemeinen funktionieren diese Maschinen mit konstantem Moment mit einer Drehzahl, die bis zur Basisdrehzahl ansteigt, wenn man die Spannung bis zu ihrem Höchstwert erhöht.
Bei einem Traktionsmotor eines Automobilfahrzeuges ist diese maximale Spannung die maximale Spannung, die die Batterie dieses Fahrzeuges abgeben kann.
Zum Antrieb eines derartigen Fahrzeuges muss die erfindungsgemässe synchrone Elektromaschine mit konstanter Leistung über einen grossen Drehzahlbereich laufen können, der von der Basisdrehzahl bis zu einer maximalen Drehzahl reicht, die mindestens etwa drei Mal dieser Basisdrehzahl entspricht.
Über die der maximalen Spannung entsprechende Basisdrehzahl hinausgehend weiss man eine Synchronmaschine mit Dauermagneten mit konstanter Spannung zu betreiben, indem man den Strom erhöht, der durch die Spiralen des Stators läuft, und indem man den Fluss der Magneten in Bezug auf denjenigen der mehrphasigen Armatur winkelversetzt.
Da die maximale Spannung des Stromes festgelegt ist, weiss man, dass die Merkmale der Synchronmaschine hauptsächlich von drei Parametern abhängen:
- dem von den Magneten erzeugten Fluss im Leerlauf φ&sub0;;
- dem von der mehrphasigen Armatur des Stators erzeugten Fluss φi;
- dem Winkelversatz γ + (π)/2 des Flusses φ&sub0; der Magneten in Bezug auf den Fluss φi der mehrphasigen Armatur.
Fig. 5 zeigt die herkömmliche Darstellung der Betriebsbedingungen einer derartigen Maschine mit der Achse d eines Magneten und der Achse q zwischen zwei angrenzenden Magneten. Der elektrische Winkelversatz der Achse q in Bezug auf die Achse d beträgt 90º in Pfeilrichtung 25, nach der sich der Rotor 1 in Bezug auf die mehrphasige Armatur des Stators 19 dreht.
Das dargestellte Schema entspricht dem Fall einer Dreiphasen-Armatur, bestehend aus eine Spirale je Pol und je Phase, wobei die Phase A als Referenz dient. Man weiss, dass sich der Fluss φi stets in der Achse der von der Phase A durchlaufenen Spirale befindet. Der Fluss φ&sub0; der Magneten ist um einen Winkel γ + π/2 in Bezug auf den Fluss φi der mehrphasigen Armatur winkelversetzt.
In der Annahme von sinusartig variierender Grössen weiss man, dass das elektromagnetische Moment Cel folgendermassen ausgedrückt wird:
Bei dieser Formel sind:
- φ&sub0; = Fluss je Pol und je Phase, erzeugt von den Magneten im Leerlauf;
- Lq(iq) = Induktanz in der Achse q je Pol und je Phase;
- Ld(id) = Induktanz in der Achse d je Pol und je Phase;
- φd = Ld(id).id = Ld(id).i.sin γ
- φq = Lq(iq).iq = Lq(iq).i.cos γ
- Wobei p die Anzahl Polpaare am Rotor ist.
Man sieht, dass sich das elektromagnetische Moment Cel in Funktion von zwei Gliedern ausdrückt:
- das erste Glied entspricht dem von nur den Magneten erzeugten Moment, wenn die mehrphasige Armatur angespeist ist. Diese Komponente des Moments ist proportional zum Fluss der Magneten und zum Strom. Sie ist maximal für γ = 0, d. h. wenn sich die die Flüsse φ&sub0; und φi darstellenden Vektoren in Quadratur befinden, und nimmt ab, wenn γ zwischen 0 bis 90º schwankt.
- das zweite Glied entspricht einem Reluktanzmoment, verbunden mit der von der mehrphasigen Armatur < < gesehenen> > Permeanzschwankung. Diese Komponente ist proportional zur Induktanzschwankung zwischen den Positionen q und d, und schwankt wie das Intensitätsviereck. Das Reluktanzmoment fügt sich demjenigen hinzu, das von den Magneten erzeugt wird, wenn Lq > Ld. Es ist maximal für γ = π/4.
Bei einem Betrieb, der einer kleineren Drehzahl als die Basisdrehzahl entspricht, d. h. bei einer kleineren Versorgungsspannung der Phasen als die maximale verfügbare Spannung, kann die Maschine ihr maximales Moment liefern. Diese Drehzahl entspricht einem relativ geringen Einstellwinkel γ (der Wert von γ ist abhängig vom gewählten Betriebspunkt und den Parametern φ&sub0;, Lq, Ld), der im allgemeinen zwischen 0 und 45º liegt.
Unter der Basisdrehzahl erhöht die Präsenz des zwischen den Magneten angeordneten Polteiles den Fluss in der Achse d beträchtlich und ermöglicht einen sehr grossen Betriebsbereich bei konstanter Leistung.
Unter diesen Voraussetzungen zeigt die vorstehend genannte, den Wert von Cel angebende Gleichung, dass die Fähigkeit einer Synchronmaschine mit Magneten, ein hohes Moment bei einer unter der Basisdrehzahl liegenden Drehzahl zu liefern, um so grösser ist als der von den Magneten erzeugte Fluss φ&sub0; grösser ist und als die Induktanzschwankung zwischen den Positionen q und d, Lq-Ld, höher ist. Das ist gut bekannt.
Bei einer gegebenen Stromstärke ist die Fähigkeit einer Synchronmaschine mit Magneten, mit konstanter Leistung über einen grossen Drehzahlbereich zu laufen, um so grösser, als die Menge Ld/φ&sub0; (ausgedrückt in [A]-1) höher ist. Wenn man ebenfalls ein hohes Massenmoment sucht, wird der von den Magneten erzeugte Fluss φ&sub0; so hoch wie möglich angesetzt. Der vorstehende Vorschlag entspricht demnach einer Suche von Strukturen, die die höchste Induktanz in der Achse d aufweisen.
Bei der vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 3 beschriebenen Rotorstruktur ist der von den Dauermagneten erzeugte Fluss φ&sub0; kleiner als derjenige, den man mit anderen bekannten Rotorstrukturen mit Dauermagneten erhalten kann.
Was das elektromagnetische Moment anbetrifft, wird diese Tatsache zum grossen Teil von einem sehr starken Vorsprungeffekt ausgeglichen, der ein zusätzliches Reluktanzmoment erzeugt, das diesem Maschinentyp eine gute Fähigkeit verleiht, unter der Basisdrehzahl ein hohes Massenelement zu liefern. Das Hauptmerkmal dieser Struktur besteht in der Möglichkeit, in der Achse d relativ hohe Induktanzwerte zu erhalten, die den Betrieb bei konstanter Leistung über einen grossen Drehzahlbereich fördern.
Wie auf Fig. 6 dargestellt ist das resultierende Moment die Summe des Interaktionsmomentes bezüglich des Flusses der Magneten und des Reluktanzmomentes nach der Permeanzschwankung zwischen den Achsen d und q. So wird das maximale Moment unter der Basisdrehzahl bei einem Winkel γ erhalten, der im allgemeinen zwischen 15 und 45 elektrischen Graden liegt. Wenn der Strom ausserdem festgelegt ist, schwank das Moment in diesem Schwankungsbereich von γ nur wenig, d. h. 30 elektrische Grade. Diese Feststellung hat bedeutende Auswirkungen auf die Wahl des für die Steuerung der Maschine erforderlichen Positionsgebers (insbesondere im Bereich der niedrigen Drehzahlen), denn dieser Geber könnte eine relativ geringe Auflösung aufweisen, die mit sehr erschwinglichen Codierungstechnologien kompatibel ist.
Da das Reluktanzmoment 20% bis 30% des resultierenden Moments darstellt (bei einer Drehzahl unter der Basisdrehzahl und nach der gewählten Bemessung), entspricht das Verhältnis Messenmoment/Ampere demjenigen der besten Servomotoren mit an der Oberfläche montieren Magneten, jedoch mit einem um 20 bis 30% reduzierten Magnetenvolumen.
Die Antragstellerin hat zahlreiche Berechnungen und Simulationen durchgeführt, um die geometrischen Hauptparameter der Synchronmaschine mit zwischen Polteilen 3 des erfindungsgemässen Rotors 1 eingefügten Dauermagneten 2 zu ermitteln.
Ausser diesen geometrischen Parametern, die die Abmessungen der Maschine definieren, hat sie ebenfalls angestrebt, die Geometrie des Rotors und das eingesetzte Magnetenvolumen zu optimieren.
Ein erster Parameter ist die relative Polöffnung α, dargestellt auf Fig. 1, der zwischen zwei angrenzenden Polteilen 3 angeordneten Magneten 2, und ausgedrückt in Form des Quotienten, kleiner als 1, der Polöffnung α.π/p der Magneten durch die Polöffnung π/p des Rotors.
Die Polöffnung der Magneten darf nicht mehr als 0,65 betragen. Denn wenn α diesen Wert überschreitet, erhöht sich das Moment nicht mehr.
Um den Verlustfluss der Magneten am entsprechenden angrenzenden ferromagnetischen Polteil 3 zu begrenzen und Entmagnetisierungsrisiken zu vermeiden, sind die Magneten nicht am Polteil angelehnt. Denn der Fluss der mehrphasigen Armatur wird hauptsächlich von diesem Teil kanalisiert, das den Magneten damit einen wirksamen Schutz bietet. Ein kleiner Teil dieses Flusses dringt jedoch über seine Seitenflächen 9 in das Polteil ein. Das zwingt dazu, einen Raum freizuhalten, der dem vorgegebenen Abstand zwischen einem Magneten 2 und dem angrenzenden Polteil 3 entspricht.
Obwohl dies, wie bereits vorstehend erwähnt wurde, den Magnetfluss φ&sub0; der Magneten stark verringert, was gegen die Praxis und die üblichen Kriterien der Elektromotoren- Spezialisten geht, scheint es, dass α vorteilhafterweise zwischen 0,45 und 0,55 liegt und vorzugsweise etwa 0,5 beträgt, um einen optimalen Kompromiss zwischen den Leistungen und den Kosten des Synchronmotors zu erzielen.
In gleicher Weise entspricht die Polöffnung β.π/p jedes Polteils 3 (siehe Fig. 1) einer relativen Polöffnung β, die vorteilhafterweise zwischen 0,20 und 0,35 liegt, um die vorgenannte Optimierung zu erreichen, wobei der Rest der Polöffnung von den vorgegebenen Abständen zwischen den aneiandergrenzenden Magneten und Polteilen eingenommen wird.
Bei Magneten aus NdFeB-Legierung beträgt die Dicke der Magneten, die den Erhalt des maximalen Moments ermöglicht, etwa 7,5 mm. Wenn man jedoch die Dicke der Magneten auf 5,0 mm begrenzt, erhält man fast 95% des Moments, und die Beständigkeit gegen Entmagnetisierung ist gewährleistet. Der Wert des Feldes in den Magneten bei äusserst strengen Betriebsbedingungen unter Last bleibt weit unter der Entmagnetisierungsgrenze des Materials, d. h. etwa 700 k A/m bei 140º bei einer NdFeB-Legierung. Daher kann man diese Dicke in einem interessanten Bereich wählen, der von etwa von 4 bis 8 mm reicht, oder in einem vorteilhaften Bereich zwischen etwa 4,5 und 5,5 mm.
Auf Fig. 8 sind die erhaltenen Feldlinien dargestellt, wenn der Fluss der mehrphasigen Armatur von zwei Spiralen 23 erzeugt wird und durch die an den beiden Enden des dargestellten Abschnitts des Stators angeordneten Kerben fliesst. Dieser Fluss ist nach der Richtung des Pfeils 27 ausgerichtet und befindet sich in der Achse q zwischen zwei angrenzenden Magneten, in der Achse des Polteiles.
Auf Fig. 9 sind die erhaltenen Feldlinien dargestellt, wenn der Fluss von zwei lotrecht zum Polteil angeordneten Spiralen 23 erzeugt wird. Dieser Fluss ist nach der Richtung des Pfeils 28 ausgerichtet und befindet sich in der Achse d eines Magneten.
Der Fluss in der Achse d auf Fig. 9 ist kleiner als der Fluss in der Achse q auf Fig. 8. Auf Fig. 9 sind die Feldlinien dargestellt, die einer sehr viel kleineren Felddifferenz entsprechen als diejenige, die die Feldlinien der Fig. 8 trennt. Dadurch wird ermöglicht, die Konzentration des Flusses in der Nähe der beiden etwa radialen Seitenwände des entsprechenden Polteiles zu zeigen.
Wie alle Synchronmaschinen mit Magneten sind die Leistungen hinsichtlich des Massenmoments und der Qualität des erzeugten Moments (ausgedrückt in Wellungsprozenten in Bezug auf den Mittelwert des Moments) abhängig von der Wellenform des Versorgungsstromes.
Bei einem gleichen Spitzenwert der Stromstärke ist es die Versorgung in Impulsen von 150º, die das höchste Massenmoment ermöglicht (um 15 bis 20º höher als das Moment bei einer sinusförmigen Versorgung). Dieser Versorgungstyp erzeugt jedoch ein relativ hohes Pulsmoment bei niedriger Drehzahl (25% Wellungsrate, wenn die Neigung der Statorarmatur in Bezug auf den Rotor gleich null ist, und 6 % bei einer Neigung von 0,5 Zahnsteigung des Stators) und erfordert die unabhängige Versorgung jeder Phase über eine H-förmige Brücke. Der von der Batterie abgegebene Strom wird in diesem Fall bedeutenden Schwankungen unterworfen, mit einer acht Mal höheren Frequenz als die Versorgungsfrequenz.
Die Versorgung mit Stromimpulsen von 120º ermöglicht etwas geringere Leistungen, denn die Verstärkung am Massenmoment beträgt nur noch 5 bis 10% in Bezug auf eine sinusförmige Versorgung. Mit diesem Versorgungstyp ist es jedoch möglich, eine ausgezeichnete Momentqualität zu erzielen (weniger als 3% Wellung mit einer geeigneten Neigung). Die herkömmliche Brückenmontage mit 6 Transistoren und sternförmig geschalteten Spulen ist für diesen Versorgungstyp geeignet.
Die Versorgung mittels Stromimpulsen von 120º ist jedoch auf den Bereich der unter der Basisdrehzahl liegenden Drehzahlen beschränkt. Darüber hinausgehend ermöglicht eine Versorgung mit sinusförmigen Strömen eine bessere Kontrolle der Maschine.
Demzufolge hat die Antragstellerin die Merkmale eines Synchronmotors mit zwischen Polteilen am Rotor eingefügten Dauermagneten und einer maximalen Leistung von 27 KW wie folgt definiert.
Die gewählten Magneten sind des Typs Nd Fe B. Sie sind beispielsweise unter dem Namen UGISTAB 26 X U (Schutzmarke) bekannt und werden von der Firma UGIMAG hergestellt, wobei dieser Typ aufgrund seiner Fähigkeit gewählt wurde, hohe Temperaturen zu Lasten bestimmter magnetischer Merkmale zu ertragen.
Maximale Leistung 27 kW
Batteriespannung 160 V
Basisdrehzahl 2250 min-1
Maximale Drehzahl 9000 min-1
Effektivstrom bei maximaler Leistung
- bei niedriger Drehzahl 145 A
- bei max. Drehzahl 120 A
Motorwirkungsgrad bei maximaler Leistung
- bei niedriger Drehzahl 0,92
bei max. Drehzahl 0,88
ROTOR: Magneten UGISTAB 26xU
Aussendurchmesser Blech 220 mm
Axiale Länge Eisen 110 mm
Anzahl Pole 6
Masse diff. Getriebemotor 68 kg
Die Kosten der spezifischen Energie des NdFeB, wesentlich niedriger als für Sm Co5, und die Möglichkeit, das Volumen der eingesetzen Magneten in der gewählten Struktur zu verringern, beseitigen zum grossen Teil den unerschwinglichen Charakter im Zusammenhang mit der Verwendung von Magneten mit höher Energiedichte in grossen Maschinen.
Selbstverständlich ist diese Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsweisen beschränkt, die man in vielfacher Weise abändern kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Man kann insbesondere den Typ, die Anzahl und die Form der Magneten ändern, die Anzahl der Pole erhöhen.
Man wird verstehen, dass jeder beliebige Motorenhersteller in der Lage sein wird, ab den vorstehend definierten Merkmalen einen erfindungsgemässen Synchronmotor zu berechnen und zu bauen.

Claims

1. Synchrone Elektromaschine (20) mit Dauermagneten (2), geeignet um mit konstanter Leistung innerhalb eines grossen Drehzahlbereiches zu laufen, der von der Basisdrehzahl bis zu einer maximalen Drehzahl reicht, die mindestens etwa drei Mal dieser Basisdrehzahl entspricht, wobei diese Maschine einen Rotor (1) umfasst, an dessen Umfang (17) Dauermagneten (2) angeordnet sind, sowie einen Stator (19), der eine mehrphasige Armatur bildet und an seiner inneren Umfangsfläche (18) Zähne (21) aufweist, die Kerben (22) abgrenzen, in denen Spiralen (23) aufgewickelt sind, und einen Wandler (24) bildende Mittel, um die die Spiralen (23) durchlaufende Spannung und Stromstärke zu regeln, sowie auch den Winkelversatz des Magnetflusses der Magneten (2) in Bezug auf den Fluss der mehrphasigen Armatur des Stators (19), wobei der Rotor (2) eine vorgegebene Anzahl von Polteilen (3) umfasst, und zwischen zwei benachbarten Polteilen (3) mindestens einen radial oder axial magnetisierten Dauermagneten (2) einer vorgegebenen Dicke, wobei jede etwa radiale Wand (8) eines Magneten (2), die sich einer etwa radialen Wand (9) eines Polteils (3) anschliesst, von dieser etwa radialen Wand (9) in einem Abstand (10) entfernt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Abstand (10) so vorgegeben ist, dass jegliches Entmagnetisierungsrisiko des Magneten (2) in Gegenwart eines maximalen Stromes vermieden wird, der die Maschine durchlaufen könnte, insbesondere bei einem Kurzschluss dieser Maschine.

2. Synchrone Elektromaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Zugmotor für ein elektrisches Automobilfahrzeug darstellt, das von einer Akkumulatorbatterie angetrieben wird.

3. Rotor (1) mit Dauermagneten (2), dadurch gekennzeichnet, dass er geeignet ist, eine synchrone Elektromaschine nach Anspruch 1 oder 2 auszurüsten.

4. Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Abstand (10) von einem Schulterstück (11) festgelegt ist, das sich in etwa tangentieller Richtung am Fuss der etwa radialen Wand (9) des Polteiles (3) erstreckt und einen Anschlag für den angrenzenden Magneten (2) bildet.

5. Rotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen einer etwa radialen Wand (9) eines Polteils (3) und der entsprechenden angrenzenden etwa radialen Wand (8) eines Magneten (2) zumindest teilweise mit einem Element aus unmagnetischem Material gefüllt ist.

6. Rotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das unmagnetische Material ein Klebstoff oder ein Lack (12) ist.

7. Rotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (13) aus unmagnetischem Material rohrförmig ist, sich axial entlang dem Polteil (3) erstreckt und geeignet ist, um von einer Kühlflüssigkeit durchlaufen zu werden.

8. Rotor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (14) aus unmagnetischem Material ein Führungsteil bildet, das die Führung des angrenzenden Magneten (2) beim Positionieren des besagten Magneten (2) auf dem Rotor (1) ermöglicht.

9. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagneten (2) eine hohe Energiedichte aufweisen, insbesondere aus einem Werkstoff mit starker remanenter Induktion Br und einem mässigen Koerzitivfeld Hc bei Betriebstemperatur, insbesondere bei etwa 130ºC, beispielsweise aus NdFeB- Legierung.

10. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagneten (2) für Magneten aus NdFeB-Legierung eine relativ geringe Dicke zwischen 4 und 8 mm, vorzugsweise zwischen 4,5 und 5,5 mm, aufweisen.

11. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Abstand (10) etwa der Dicke der Magneten (2) entspricht.

12. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Polöffnung der Magneten etwa zwischen 0,45 und 0,55 liegt und insbesondere etwa 0,5 beträgt.

13. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Polöffnung der Polteile zwischen etwa 0,20 und 0,35 liegt.

14. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen zwei benachbarten Polteilen (3) angeordneten Magneten (2) alle die gleiche radiale oder axiale Magnetisierungsrichtung haben, und dass die Magnetisierungsrichtungen der auf beiden Seiten eines gleichen Polteils (3) angeordneten Magneten (2) entgegengesetzt sind.