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Dokumentenidentifikation DE10326167A1 05.01.2005
Titel Permanentmagneterregter Synchronmotor
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Potoradi, Detlef, Dr., 97616 Bad Neustadt, DE
DE-Anmeldedatum 10.06.2003
DE-Aktenzeichen 10326167
Offenlegungstag 05.01.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.01.2005
IPC-Hauptklasse H02K 21/02
IPC-Nebenklasse H02K 1/06   
Zusammenfassung 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.

Beschreibung[de]

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 81 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 elektrischen 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 Läuferfeldes 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 × Tn bzw. durch eine Schrägung um 3/5 × Tn wird eine völlige Auslöschung der fünften Oberwelle des Läuferfeldes erreicht. Dabei bezeichnet Tn eine Nutteilung.

Bei einer Schrägung von 3/7 × 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 × 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 Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigt:

1 eine prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Maschine,

2 ein Polradfeld einer elektrischen Maschine,

3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rotors.

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 dabei 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 schalenförmige 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 2 im Luftspalt, der folgenden Verlauf hat. Zwischen den Polen gibt es Pollücken. Tp ist die Polteilung und &agr; ist der Polbedeckungsfaktor, der üblicherweise im Bereich 0,8 bis 0,95 liegt. Je geringer die Polbedeckung &agr;, umso geringer das abgegebene Drehmoment des Synchronmotors. &agr; = 1 ist aus herstellungsbedingten Gründen nicht möglich.

Das in 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 &agr; ab.

Um die Pendelmomente zu dämpfen wird der Rotor 4 und/oder der Stator 2 geschrägt. Ein Maß für die Schrägung ist der Schrägungswinkel 7 gemäß 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 &agr; 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 3/7 × Tn gleich 0,4285Tn.

Bei einer üblichen Polbedeckung &agr; 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 3/5 × Tn. 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 Schrägungsanteile 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.


Anspruch[de]
  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), dadurch gekennzeichnet, 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, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polbedeckung (&agr;) von 85% vorhanden ist.
  4. Permanentmagneterregter Synchronmotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polbedeckung (&agr;) von 80% vorhanden ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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