WO2004109894A1 - Permanentmagneterregter synchronmotor - Google Patents

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems

Definitions

  • the invention relates to a permanent magnet-excited synchronous motor with toothed coils in the stator and with a rotor.
  • Pendulum moments occur with generic permanent magnet synchronous motors.
  • An inclination of the rotor or stator by a slot division, as described in conventional motors, in EP 0 545 060 B1 cannot be used in electric motors with concentric winding, that is, toothed coils and a small number of uses, since this would reduce the torque too much ,
  • Windings are made using the pull-in technique and if the number of usages is relatively high, the slots are usually chamfered.
  • the object of the invention is to create an electrical synchronous motor, the rotor of which simply dampens or suppresses relevant harmonics in a simple manner in order to reduce pendulum torques or the torque ripple.
  • tooth coils form at least part of a winding system of the permanent magnet-excited synchronous motor, the tooth coils each comprising only one mechanical pole, ie one tooth.
  • a bevel by half a groove pitch 0.5 x Tn or by a bevel by 3/5 x Tn completely eliminates the fifth harmonic of the rotor field.
  • Tn denotes a groove pitch.
  • a design implementation of the bevel need not be limited to the rotor or stator; the effect of the bevel, for example half a groove pitch, can be divided proportionally between the stator and rotor. For example, the stator half the groove pitch and the rotor the rest of the slope to achieve the desired slope.
  • FIG. 2 shows a pole wheel field of an electrical machine
  • FIG. 3 shows a perspective view of a rotor according to the invention.
  • the number of pole pairs corresponds to a third of the number of slots 3 of the stator 2.
  • the number of teeth 8 is a multiple of three, i.e. the number of strands of the stator 2 and is expediently greater than or equal to nine.
  • the stator 2 is constructed from laminated sheets which have grooves 3 into which the windings are inserted.
  • the windings are in particular tooth coils 6, i.e. a toothed coil 6 comprises only one tooth 8 each.
  • the rotor 4 is constructed from permanent magnets 5, which can also be designed as plates, rings or bowl-shaped magnets. These permanent magnets 5 are magnetized or arranged over the axial course of the rotor 4 in such a way that the desired inclination is obtained.
  • Such a rotor 4 generates a magnet wheel field according to FIG. 2 in the air gap, which has the following course.
  • Tp is the pole pitch
  • ⁇ is the pole coverage factor, which is usually in the range 0.8 to 0.95.
  • the lower the pole coverage ⁇ , the lower the torque delivered by the synchronous motor, ⁇ 1 is not possible for manufacturing reasons.
  • the magnet wheel field shown in principle in FIG. 2 has harmonics in addition to the fundamental wave.
  • the harmonics of atomic numbers five and seven are particularly relevant, which need to be dampened or even completely eliminated.
  • the level of these harmonics depends largely on the pole coverage ⁇ .
  • the rotor 4 and / or the stator 2 is beveled.
  • a measure of the skew is the skew angle 7 according to FIG. 3. From the skew angle 7, a skew factor can be defined, on the basis of which the damping of the individual harmonics of the air gap field is then obtained.
  • the inclination of the stator 2 may result from the inclined arrangement of the grooves 3 of the stator 2 relative to the shaft 9.
  • the torque-generating fundamental wave is damped little and the relevant harmonics five and seven are eliminated. Both harmonics lead to pendulum moments with the atomic number 6p, i.e. 6p times the rotational frequency, where p is the number of pole pairs.
  • An effective solution to avoid the pendulum moments is provided by the bevel by half a groove pitch, i.e. Tn / 2. This results in a damping of the fifth harmonic to 19% and the seventh harmonic to 13.6%.
  • the most relevant cogging torque of twice the groove frequency is damped.
  • the fifth harmonic is 0.
  • the bevel must be smaller than half the groove pitch, namely exactly 3 / 7xTn equal to 0.4285Tn.

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  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
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Abstract

Um die Drehmomentenwelligkeit bei permanentmagneterregten Synchronmotoren (1) mit Zahnspulen (6) zu reduzieren, werden konstruktive Mittel vorgeschlagen, um die hauptsächlichen Verursacher der Drehmomentenwelligkeit die fünfte und/oder die siebte Oberwelle des Läuferfeldes zu dämpfen bzw. auszulöschen.

Description

Beschreibung
Permanentmagneterregter Synchronmotor
Die Erfindung betrifft einen permanentmagneterregten Synchronmotor mit Zahnspulen im Stator und mit einem Rotor.
Bei gattungsgemäßen permanentmagneterregten Synchronmotoren treten Pendelmomente auf. Eine Schrägung des Läufers oder Ständers um eine Nutteilung, wie sie bei konventionellen Motoren, in EP 0 545 060 Bl beschrieben ist, kann bei Elektromotoren mit konzentrischer Wicklung, also Zahnspulen und geringer Nutzahl nicht angewendet werden, da dadurch das Drehmoment zu stark reduziert werden würde.
Bei Elektromotoren mit konventioneller Wicklung, d.h. Wicklungen werden in Einziehtechnik hergestellt und bei relativ hoher Nutzahl wird in der Regel um eine Nutteilung geschrägt.
Bei Elektromotoren mit Zahnspulen wird versucht, die Pendelmomente durch besondere Formgebung der Magnete zu reduzieren. Nachteilig dabei ist, dass eine besondere Formgebung der Magnete zu erhöhten Herstellungskosten führt.
Demnach liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen e- lektrischen Synchronmotor zu schaffen, dessen Rotor in einfacher Art und Weise gezielt relevante Oberwellen dämpft bzw. ausblendet, um Pendelmomente bzw. die Drehmomentwelligkeit zu reduzieren.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch einen permanentmagneterregten Synchronmotor mit Zahnspulen im Stator und mit einem Rotor der konstruktive Mittel aufweist, um die fünfte Oberwelle und/oder die siebte Oberwelle des Läuferfel- des zu dämpfen. Dabei bilden Zahnspulen zumindest einen Teil eines Wicklungssystems des permanentmagneterregten Synchronmotors, wobei die Zahnspulen jeweils nur einen mechanischen Pol, d.h. einen Zahn umfassen.
Durch eine Schrägung um eine halbe Nutteilung 0,5 x Tn bzw. durch eine Schrägung um 3/5 x Tn wird eine völlige Auslöschung der fünften Oberwelle des Läuferfeldes erreicht. Dabei bezeichnet Tn eine Nutteilung.
Bei einer Schrägung von 3/7 x Tn wird die siebte Oberwelle des Läuferfeldes ausgelöscht.
Die Kombination dieser Schrägung von 60% einer Nutteilung Tn mit einer Polbedeckung von 85% führt sowohl zur völligen Dämpfung bzw. Auslöschung der fünften als auch der siebten Oberwelle.
Auch die Kombination der Schrägung von 3/7 x Tn mit einer Polbedeckung von ca. 80% führt sowohl zur völligen Dämpfung bzw. Auslöschung der fünften als auch der siebten Oberwelle. Ebenso führt bereits eine Polbedeckung von 80%-/+10% zu einer ausreichenden Dämpfung der fünften Oberwelle.
Eine konstruktive Umsetzung der Schrägung muss nicht auf den Rotor oder Stator beschränkt sein; die Wirkung der Schrägung beispielsweise einer halben Nutteilung kann anteilmäßig auf Stator und Rotor aufgeteilt werden. Dabei übernimmt z.B. der Stator eine Hälfte der halben Nutteilung und der Rotor den Rest der Schrägung, um die angestrebte Schrägung zu erreichen.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand eines schematisch dargestellten Aus- führungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigt: FIG 1 eine prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen
Maschine, FIG 2 ein Polradfeld einer elektrischen Maschine, FIG 3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemä- ßen Rotors.
FIG 1 zeigt einen prinzipiellen Blechschnitt eines permanenterregten Synchronmotors 1, mit einem Stator 2 und einem Rotor 4. Dabei entspricht die Polpaarzahl einem Drittel der Anzahl der Nuten 3 des Stators 2. Die Anzahl der Zähne 8 beträgt ein Vielfaches von drei, d.h. der Strangzahl der Stators 2 und ist sinnvollerweise größer oder gleich neun. Der Stator 2 ist aus laminierten Blechen aufgebaut, die Nuten 3 aufweisen, in die die Wicklungen eingesetzt werden. Die Wicklungen sind da- bei insbesondere Zahnspulen 6 , d.h. eine Zahnspule 6 umfasst nur jeweils einen Zahn 8. Der Rotor 4 ist aus Permanentmagneten 5 aufgebaut, die auch als Plättchen, Ringe oder schalen- förmige Magneten ausgeführt sein können. Dabei werden diese Permanentmagnete 5 über den axialen Verlauf des Rotors 4 so magnetisiert oder angeordnet, dass sich die gewünschte Schrägung einstellt.
Ein derartiger Rotor 4 erzeugt ein Polradfeld gemäß FIG 2 im Luftspalt, der folgenden Verlauf hat. Zwischen den Polen gibt es Pollücken. Tp ist die Polteilung und α ist der Polbedeckungsfaktor, der üblicherweise im Bereich 0,8 bis 0,95 liegt. Je geringer die Polbedeckung α, umso geringer das abgegebene Drehmoment des Synchronmotors, α = 1 ist aus herstellungsbedingten Gründen nicht möglich.
Das in FIG 2 prinzipiell dargestellte Polradfeld besitzt außer der Grundwelle Oberwellen. Hinsichtlich der Pendelmomente sind vor allem die Oberwellen der Ordnungszahlen fünf und sieben relevant, die es gilt zu dämpfen oder gar komplett zu eliminieren. Die Höhe dieser Oberwellen hängt wesentlich von der Polbedeckung α ab. Um die Pendelmomente zu dämpfen wird der Rotor 4 und/oder der Stator 2 geschrägt. Ein Maß für die Schrägung ist der Schrä- gungswinkel 7 gemäß FIG 3. aus dem Schrägungswinkel 7 lässt sich ein Schrägungsfaktor definieren, anhand dessen dann sich die Dämpfung der einzelnen Oberwellen des Luftspaltfeldes ergibt. Die Schrägung des Stators 2 ergibt sich gegebenenfalls durch schräge Anordnung der Nuten 3 des Stators 2 relativ zur Welle 9.
Erfindungsgemäß wird die drehmomentbildende Grundwelle wenig gedämpft und die relevanten Oberwellen fünf und sieben eliminiert. Beide Oberwellen führen zu Pendelmomenten mit der Ordnungszahl 6p, also dem 6p-fachen der Drehfrequenz, wobei p die Polpaarzahl ist. Eine wirksame Lösung zur Vermeidung der Pendelmomente erfolgt durch die Schrägung um eine halbe Nutteilung, also Tn/2. Dabei ergibt sich eine Dämpfung der fünften Oberwellen auf 19% und der siebten Oberwelle auf 13,6%. Zugleich wird das relevanteste Nutrastmoment doppelter Nutfrequenz gedämpft.
Bei einer Polbedeckung α von 0,8 oder zumindest in der Nähe von 0,8 ist die fünfte Oberwelle 0. Es muss nun lediglich noch die siebte Oberwelle durch die Schrägung gedämpft werden. Dazu muss die Schrägung kleiner als die halbe Nutteilung sein, nämlich genau 3/7xTn gleich 0,4285Tn.
Bei einer üblichen Polbedeckung α von 0,85 oder um 0,85 bis zu 0,9 ist es günstig, vor allem die fünfte Oberwelle zu dämpfen, entsprechend ist eine Schrägung um mehr als eine halbe Nutteilung notwendig nämlich 3/5xTn. Bei dieser Schrägung wird die fünfte Oberwelle vollständig gelöscht. Die Schrägung kann sowohl im Rotor 4 als auch im Stator 2 erfolgen. Außerdem ist es möglich, die notwendige Schrägung auf den gesamten Synchronmotor zu verteilen, d.h. sowohl Rotor 4 als auch Stator 2 übernehmen gewisse vorgebbare Schrägungsan- teile der insgesamt erforderlichen Schrägung, so dass eine Addition der Schrägungen im Luftspalt erfolgt, und somit die gleiche Wirkung erzielt wird, wie durch die alleinige Schrägung an Rotor 4 oder Stator 2.

Claims

Patentansprüche
1. Permanentmagneterregter Synchronmotor (1) mit Zahnspulen (6) im Stator (2) und mit einem Rotor (4) der konstruktive Mittel aufweist, um die fünfte Oberwelle und/oder die siebte Oberwelle des Läuferfeldes zu dämpfen.
2. Permanentmagneterregter Synchronmotor (1), d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Rotors (4) und/oder der Stators (2) eine Schrägung aufweisen, die bzgl. des Synchronmotors (1) zwischen einer halben Nutteilung und 60% einer Nutteilung (Tn) liegt.
3. Permanentmagneterregter Synchronmotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Polbedeckung (α) von 85% vorhanden ist.
4. Permanentmagneterregter Synchronmotor (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 (3) der Rotors (4) und/oder der Stators (2) eine Schrägung aufweisen, die bzgl. des Synchronmotors (1) zwischen einer halben Nutteilung und 0, 4285-fachen einer Nutteilung (Tn) liegt.
5. Permanentmagneterregter Synchronmotor (1) nach Anspruch 1 oder 4, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Polbedeckung (α) von 80% vorhanden ist.
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