DE102019214623A1

DE102019214623A1 - Synchronmaschine, elektrische Antriebseinrichtung umfassend eine Synchronmaschine, sowie Ansteuerverfahren für eine Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102019214623A1
Application number: DE102019214623.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Bulatow; Wilhelm Hackmann
Original assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2021-03-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine (10) umfassend einen Stator (20) mit mehreren Statorwicklungen (22) zur Erzeugung eines Drehfeldes und einen relativ zum Stator (20) um eine Drehachse (D) drehbar gelagerten Rotor (30) mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Erregerfeldes. Erfindungsgemäß weist die Einrichtung zur Erzeugung des Erregerfeldes sowohl einen oder mehrere Permanentmagneten (PM) als auch eine bestrombare Rotorwicklung(36) auf. Die Erfindung schlägt ferner eine elektrische Antriebseinrichtung (10, 50) umfassend eine derartige Synchronmaschine (10) sowie ein Ansteuerverfahren für eine derartige Synchronmaschine (10) vor. Besonders vorteilhaft kann damit ein Bestromen der Rotorwicklung (36) in Abhängigkeit von einer aktuellen Last der Synchronmaschine (10) erfolgen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Synchronmaschine, die einen Stator mit mehreren Statorwicklungen zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes und einen relativ zum Stator um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Erregerfeldes aufweist.
Derartige Synchronmaschinen sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungen bekannt, beispielsweise als elektrisch bzw. fremderregte Synchronmaschinen („ESM“ bzw. „FSM“). Die Einrichtung zur Erzeugung des Erregerfeldes ist in diesem Fall von einer bestrombaren Rotorwicklung (Erregerwicklung) gebildet. Im Betrieb der Synchronmaschine wird das Magnetfeld des Rotors durch einen Stromfluss in der Rotorwicklung erzeugt.
Ferner sind derartige Synchronmaschinen aus dem Stand der Technik als permanenterregte Synchronmaschinen („PSM“) bekannt. In diesem Fall ist die Einrichtung zur Erzeugung des Erregerfeldes von einem oder mehreren Permanentmagneten gebildet. Das Magnetfeld des Rotors wird durch das Material des oder der Permanentmagneten (Magnetmaterial) erzeugt.
Schließlich sind aus dem Stand der Technik auch (nicht-gattungsgemäße) Synchronmaschinen bekannt, die als so genannte Reluktanzmotoren ausgebildet sind und somit ohne Erzeugung eines magnetischen Erregerfeldes betrieben werden. Bei diesen Synchronmaschinen wird ein Drehmoment des Rotors durch infolge des statorseitigen Drehfeldes auf den Rotor wirkende Reluktanzkräfte erzeugt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine elektrische Antriebseinrichtung umfassend eine Synchronmaschine der eingangs genannten Art, sowie ein Verfahren zum Ansteuern einer derartigen Synchronmaschine.
Insbesondere bei Anwendungen derartiger Synchronmaschinen in Traktionsantrieben für Fahrzeuge, bei denen sowohl eine Drehzahl als auch eine Last der Synchronmaschine im Betrieb über weite Bereiche variieren können, stoßen die vorstehend genannten bekannten Ausführungen bzw.
Funktionskonzepte von Synchronmaschinen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit in der Praxis oftmals an ihre Grenzen. Dies insbesondere aufgrund zahlreicher Zielkonflikte zwischen wünschenswerten Leistungseigenschaften wie z. B. hoher Nenndrehzahl bzw. Maximaldrehzahl, hoher Drehmomentdichte, hoher Energieeffizienz, geringer Drehmoment- bzw. Drehgeschwindigkeitsschwankung etc.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Leistungseigenschaften einer Synchronmaschine der eingangs genannten Art zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf Verwendungen, bei denen im Betrieb der Synchronmaschine die Last stark variiert und/oder sehr hohe Drehzahlen (z. B. über 10.000 UpM) erreichbar sein sollen, insbesondere bei Synchronmaschinen, die für eine (Maximal-)Leistung von mehr als z. B. 5 kW ausgelegt sind bzw. betrieben werden.
Diese Aufgabe wird gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung durch eine Synchronmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.
Bei der erfindungsgemäßen Synchronmaschine weist die Einrichtung zur Erzeugung des Erregerfeldes sowohl einen oder mehrere Permanentmagneten als auch eine bestrombare Rotorwicklung auf.
Die somit auch als „hybrid-erregte“ Synchronmaschine bezeichenbare erfindungsgemäße Synchronmaschine vermag bei entsprechender Ansteuerung die vorteilhaften Eigenschaften einer fremderregten Synchronmaschine mit den vorteilhaften Eigenschaften einer permanenterregten Synchronmaschine zu kombinieren.
Bei der erfindungsgemäßen Synchronmaschine kann abhängig von im Betrieb ermittelten Betriebsparametern der Synchronmaschine das Magnetfeld des Rotors vorteilhaft wahlweise nur durch den oder die Permanentmagneten oder aber zusätzlich durch die hierfür bestrombare Rotorwicklung erzeugt werden.
Wie bei herkömmlichen Synchronmaschinen können auch im Rahmen der Erfindung die mehreren Statorwicklungen beispielsweise drei in Umfangsrichtung um 120° zueinander versetzt angeordnete Statorwicklungen beinhalten.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine elektrische Antriebseinrichtung, insbesondere Traktionsantriebseinrichtung für ein Fahrzeug vorgeschlagen, welche eine Synchronmaschine der hier beschriebenen Art sowie eine Ansteuereinrichtung zur Erzeugung von Statorspannungen zur Bestromung der Statorwicklungen und zur Erzeugung einer Rotorspannung zur Bestromung der Rotorwicklung umfasst.
Die Ansteuereinrichtung kann hierbei vorteilhaft insbesondere z. B. dazu ausgebildet sein, die Bestromung der Rotorwicklung in Abhängigkeit von einer aktuellen Last und/oder wenigstens eines weiteren Betriebsparameters der Synchronmaschine durchzuführen.
Dementsprechend wird gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern einer Synchronmaschine der hier beschriebenen Art vorgeschlagen, umfassend ein Bestromen der Rotorwicklung in Abhängigkeit von einer aktuellen Last der Synchronmaschine und/oder wenigstens eines weiteren Betriebsparameters.
Die aktuelle Last der Synchronmaschine kann im Rahmen der Erfindung insbesondere z. B. durch das aktuell von der Synchronmaschine gelieferte Drehmoment und/oder die aktuell davon abgegebene Drehleistung definiert sein.
Hinsichtlich der konkreten Art und Weise einer Ermittlung der aktuellen Last der Synchronmaschine kann auf einschlägigen Stand der Technik zurückgegriffen werden.
Beispielsweise könnte vorgesehen sein, die aktuelle Last unter anderem anhand eines Drehwinkels zu bestimmen, um den im (motorischen) Betrieb der Synchronmaschine der Rotor dem Drehfeld des Stators „nachhinkt“. Je größer dieser Winkel ist, desto stärker ist die Synchronmaschine belastet.
Der genannte Drehwinkel kann z. B. durch einen Vergleich eines Drehwinkels (Phase) des Drehfeldes des Stators mit einem Drehwinkel des Rotors bestimmt werden, wobei der Drehwinkel des Rotors z. B. durch eine eigens hierfür vorgesehene Sensorik (z. B. umfassend wenigstens einen Hall-Sensor) bestimmt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Drehwinkel des Rotors z. B. durch Auswertung von im Betrieb an der Synchronmaschine erfassten elektrischen Betriebsparametern (Statorspannung, Rotorspannung etc.) bestimmt werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zum Ansteuern einer Synchronmaschine ist vorgesehen, dass die Bestimmung der aktuellen Last der Synchronmaschine basierend auf einer Erfassung und Auswertung von im Betrieb an der Synchronmaschine erfassbaren elektrischen Betriebsparametern (insbeondere (wenigstens) eine Statorspannung und/oder (wenigstens eine) Rotorspannung) durchgeführt wird.
Bei der erfindungsgemäßen Ansteuereinrichtung und dem erfindungsgemäßen Ansteuerverfahren ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass bei einer relativ großen Last ein durch den wenigstens einen Permanentmagneten erzeugtes Magnetfeld und das durch die bestrombare Rotorwicklung erzeugte Magnetfeld gleichorientiert überlagert werden (so dass sich das Erregerfeld damit „verstärkt“ und z. B. ein höheres Drehmoment erzeugt werden kann).
Das somit vergrößerte magnetische Erregerfeld ermöglicht es dann beispielsweise, dass bei gegebener Drehzahl ein höheres Drehmoment erzeugt wird oder z. B. bei gegebenem Drehmoment eine höhere Drehzahl erreicht werden kann.
Für den konkreten Verlauf einer zur Bestromung der Rotorwicklung dienenden Rotorspannung oder den konkreten Verlauf eines durch die Rotorwicklung fließenden Stromes (Rotorstrom) in Abhängigkeit von der ermittelten aktuellen Last gibt es vielfältige Möglichkeiten.
Bei dem Ansteuerverfahren kommt z. B. eine Steuerung oder Regelung der Rotorspannung oder des Rotorstromes in Betracht, bei der mit sich vergrößernder Last eine (z. B. monotone) Vergrößerung der Rotorspannung bzw. des Rotorstromes bewirkt wird.
Bei der erfindungsgemäßen Ansteuereinrichtung und dem er-findungsgemäßen Ansteuerverfahren ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Synchronmaschine hierbei mit einer (Maximal-)Leistung von mindestens 5 kW, insbesondere mindestens 10 kW, und mit einer (Maximal-)Drehzahl von mindestens 10.000 UpM, insbesondere mindestens 12.000 UpM, betreibbar ist.
Nachfolgend werden einige vorteilhafte Ausführungsformen und speziellere Ausgestaltungen der Erfindung näher erläutert.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Rotor wenigstens eine in Radialrichtung sich erstreckende Rotorscheibe mit in Umfangsrichtung winkeläquidistant angeordneten Polzähnen und an radialen Enden der Polzähne ausgebildeten jeweiligen Polschuhen aufweist.
Der Begriff „Polschuh“ bezeichnet hierbei einen an einem radialen Ende des Polzahns sich anschließenden und somit einen „Pol“ des Rotors in Radialrichtung abschließenden Bereich aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität, dessen in Umfangsrichtung des Rotors betrachtete Breite gegenüber der Breite des Polzahns vergrößert ist.
Entsprechend der Anzahl an Polzähnen und zugehörigen Polschuhen, nachfolgend auch als „Pole“ des Rotors bezeichnet, kann der Rotor z. B. als 2-poliger Rotor ausgebildet sein. Bevorzugt ist der Rotor jedoch als 4-, 6-, 8-, 10- oder 12-poliger Rotor ausgebildet.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Rotor in Axialrichtung gestapelt mehrere jeweils in Radialrichtung sich erstreckende Rotorscheiben mit jeweils in Umfangsrichtung winkeläquidistant angeordneten Polzähnen und an radialen Enden der Polzähne ausgebildeten jeweiligen Polschuhen aufweist.
Die Anzahl von Rotorscheiben beträgt bevorzugt mindestens 2, insbesondere beispielsweise mindestens 4 oder mindestens 10. Andererseits ist es in den meisten Fällen zweckmäßig, wenn die Anzahl von Rotorscheiben maximal 24, insbesondere maximal 12 beträgt.
Für die Ausgestaltung der einzelnen Rotorscheiben gilt das vorstehend bereits für einen Rotor mit nur einer Rotorscheibe gesagte. So können diese Rotorscheiben jeweils z. B. als 2-, 4-, 6- usw. -polige Rotorscheiben ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass für paarweise in Axialrichtung einander benachbarte Rotorscheiben die jeweiligen Anordnungen der Pole (Polzähne und Polschuhe) in Umfangsrichtung winkelversetzt zueinander angeordnet sind.
Mit einem derartigen Winkelversatz in Umfangsrichtung kann bei vorgegebener Anzahl an Polen jeder Rotorscheibe vorteilhaft das so genannte Rastmoment der Synchronmaschine reduziert werden, was wiederum im Betrieb auftretende Drehmomentschwankungen bzw. Drehgeschwindigkeitsschwankungen vorteilhaft reduziert.
In einer Ausführungsform ist hierbei für sämtliche paarweise in Axialrichtung einander benachbarte Rotorscheiben ein betragsmäßig identischer Winkelversatz vorgesehen.
In einer Ausführungsvariante sind von Rotorscheibe zu Rotorscheibe (in Axialrichtung betrachtet) alternierende Winkelversätze vorgesehen, so dass sich eine zickzackförmige Gestaltung der Pole ergibt.
In einer anderen Ausführungsvariante sind die Richtungen der Winkelversätze von Rotorscheibe zu Rotorscheibe jedoch nicht alternierend sondern gleichgerichtet. Diese Ausführung kann auch als eine „Schrägung“ des Rotors bezeichnet werden.
In letzterem Fall eines „geschrägten“ Rotors, wenn „m“ die Anzahl von Rotorscheiben bezeichnet, und „Δα“ den Winkelversatz zwischen benachbarten Rotorscheiben bezeichnet, so beträgt ein Gesamtwinkelversatz „a“ zwischen in Axialrichtung betrachtet einer ersten und einer letzten Rotorscheibe: α = (m-1) x Δα. Bevorzugt wird Δα hierbei so klein gewählt, dass α deutlich kleiner als der an den paarweise benachbarten Rotorscheiben jeweils vorgesehene Winkelversatz ist. Bezeichnet man mit „n“ die Anzahl von Polen des Rotors, so beträgt letzterer Winkelversatz 360°/n. Daher kann z. B. vorgesehen sein: α < 360°/n, insbesondere z. B. α < 0,5 x (360°/n).
Hierzu ein Zahlenbeispiel: Bei 7 Rotorscheiben (m=7) eines 8-poligen Rotors (n=8) ist der Gesamtwinkelversatz α (zwischen erster und letzter Rotorscheibe) bevorzugt kleiner als 0,25 x (360°/8) = 11,3° und der Winkelversatz Δα (von Scheibe zu Scheibe) kleiner als 11,3° / (7 - 1) = 1,9°.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass an wenigstens einer der Rotorscheiben im Bereich (wenigstens) eines Polschuhs (wenigstens) ein Permanentmagnet angeordnet ist.
Im Rahmen der Erfindung soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass an wenigstens einer der Rotorscheiben nur im Bereich (wenigstens) eines Polzahns (wenigstens) ein Permanentmagnet angeordnet ist, oder dass an wenigstens einer der Rotorscheiben, an (wenigstens) einem Pol der Rotorscheibe, (wenigstens) ein Permanentmagnet derart angeordnet ist, dass dieser sich vom Bereich des betreffenden Polschuhs bis hinein in den Bereich des zugehörigen Polzahns erstreckt.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass an wenigstens einer der Rotorscheiben sämtliche Pole mit einem oder mehreren Permanentmagneten versehen sind.
Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass an sämtlichen Rotorscheiben sämtliche Pole mit jeweils einem oder mehreren Permanentmagneten versehen sind. Bei dieser Ausführungsform sind die Permanentmagneten derart anzuordnen, dass in Umfangsrichtung des Rotors betrachtet von Pol zu Pol die Magnetfeldorientierung (bezüglich der Radialrichtung) wechselt.
Wenn also der oder die Permanentmagneten an einem bestimmten Pol des Rotors z. B. einen magnetischen Nordpol ausbilden, so wird an den betreffenden Stellen der beiderseits benachbarten Pole durch die dort angeordneten Permanentmagneten jeweils ein magnetischer Südpol ausgebildet.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass an wenigstens einer der Rotorscheiben nur ein Teil der Pole mit einem oder mehreren Permanentmagneten versehen sind.
Bei dieser Ausführungsform kann, geradzahlige Anzahl von Polen vorausgesetzt, als eine erste Variante beispielsweise an jeder der Rotorscheiben in Umfangsrichtung betrachtet nur jeder zweite Pol mit einem oder mehreren Permanentmagneten versehen sein.
In diesem Fall kann insbesondere vorgesehen sein, dass an sämtlichen Polen einer bestimmten Rotorscheibe die Permanentmagnete für alle betreffenden Pole dieser Rotorscheibe die gleiche Magnetfeldorientierung vorsehen, wobei jede in Axialrichtung benachbarte Rotorscheibe an deren Polen die entgegengesetzte Magnetfeldorientierung vorsehen kann. Die Magnetfeldorientierung der mit einem oder mehreren Permanentmagneten versehenen Pole wechselt dann also in Axialrichtung von Rotorscheibe zu Rotorscheibe.
Als eine zweite Variante kann vorgesehen sein, dass an jeder der Rotorscheiben in Umfangsrichtung betrachtet zwei oder mehr einander benachbarte Pole jeweils mit einem oder mehreren Permanentmagneten versehen sind und zwei oder mehr andere, jedoch ebenfalls einander benachbarte Pole jeweils nicht mit einem Permanentmagneten versehen sind.
Bei dieser Variante ist es bevorzugt, wenn in Axialrichtung einander benachbarte Rotorscheiben „komplementär“ mit Permanentmagneten besetzt sind, d. h. jeder Pol einer der beiden einander benachbarten Rotorscheiben ist genau dann mit einem oder mehreren Permanentmagneten versehen, wenn der in Umfangsrichtung an gleicher Stelle befindliche Pol der anderen (axial benachbarten) Rotorscheibe nicht mit einem Permanentmagneten versehen ist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass an jeder Rotorscheibe genau die Hälfte der Pole (also z. B. 4 von 8, oder z. B. 6 von 12) mit Permanetmagnet(en) versehen ist, und die andere Hälfte der Pole ohne Permanetmagnet(en) ausgebildet ist.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass in Axialrichtung alternierend mit einem oder mehreren Permanentmagneten versehene Rotorscheiben und nicht mit Permanentmagneten versehene Rotorscheiben vorgesehen sind.
Bei dieser Ausführungsform kann bei den mit einer oder mehreren Permanentmagneten versehenen Rotorscheiben wieder jeweils vorgesehen sein, dass in Umfangsrichtung betrachtet die Magnetfeldorientierung von Pol zu Pol wechselt. Für eine bestimmte Stelle in Umfangsrichtung des Rotors betrachtet kann vorgesehen sein, dass sämtliche an dieser Stelle befindlichen (und mit Permanentmagnet(en) versehene) Pole die gleiche Magnetfeldorientierung besitzen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Rotorscheiben jeweils als ein Blechpaket aus gestapelten Blechen ausgebildet sind.
Damit können wie bei Rotoren von herkömmlichen Synchronmaschinen vorteilhaft Wirbelströme im Rotor vermieden werden, um so Verluste zu verringern bzw. den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Allgemein bevorzugt sind die Bleche hierbei aus einem weichmagnetischen Material gefertigt. Beispielsweise können Stahlbleche verwendet werden. Zweckmäßigerweise können die einzelnen Bleche jeweils zunächst mit einem Isolator beschichtet werden, bevor diese zum Blechpaket zusammengefügt werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der oder die Permanentmagneten in einer oder mehreren Aussparungen der betreffenden Rotorscheiben untergebracht sind.
Derartige Aussparungen können z. B. durch Ausstanzen der einzelnen, zum Blechstapel zusammenzufügenden Bleche und/oder durch Stanzen eines bereits gebildeten Blechpakets ausgebildet werden.
Anstelle eines Ausstanzens kommt auch z. B. ein Laserstrahlschneiden oder Wasserstrahlschneiden in Betracht.
In einer Ausführungsform ist jeder Permanentmagnet als ein vorgefertigtes Bauteil in die jeweilige Aussparung eingesetzt und darin z. B. durch eine Verklebung befestigt.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der oder die Permanentmagneten jeweils durch Einspritzen einer mit einem Bindemittel gebundenen Magnetmasse in die jeweilige Aussparung ausgebildet sind. Damit kann der Fertigungsaufwand vorteilhaft reduziert werden. Außerdem ist es möglich, z. B. im Vergleich zu herkömmlich gesinterten Neodym-Eisen-Bor-Magneten eine preiswertere und leichtgewichtigere Ausführung der benötigten Permanentmagneten zu bewerkstelligen.
In beiden Ausführungsformen erfolgt die Magnetisierung bevorzugt erst nach dem Einsetzen (des noch unmagnetisierten Permanentmagneten) bzw. Einspritzen (der noch unmagnetisierten Magnetmasse).
In einer Ausführungsform enthält die Magnetmasse eine seltene Erde wie z. B. Neodym-Eisen-Bor (NeFeB). Alternativ kann die Magnetmasse z. B. Samarium-Kobalt (SmCo) enthalten. Weiterhin kann die Magnetmasse auch wenigstens ein Ferrit-Material enthalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die betreffenden Aussparungen jeweils vollständig mit der eingespritzten gebundenen Magnetmasse gefüllt.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass an wenigstens einer der Rotorscheiben Pole vorgesehen sind, die jeweils mit mehreren Permanentmagneten versehen sind.
Mit einer derartigen Anordnung mehrerer Permanentmagneten kann besonders vorteilhaft ein für den konkreten Anwendungsfall maßgeschneidertes (und somit optimiertes) Magnetfeld realisiert werden.
Zumeist ist es zweckmäßig, wenn eine derartige Anordnung mehrerer Permanentmagneten (und somit das davon erzeugte Magnetfeld) symmetrisch zu einer Ebene vorgesehen ist, die sich in Radial- und Axialrichtung durch den betreffenden Pol (Polzahn mit Polschuh) erstreckt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass nennenswerte Anteile des Volumens des betreffenden Polzahns samt Polschuh nicht durch Permanentmagnetmaterial gebildet sein können und somit (z. B. durch das Material des erwähnten Blechpakets gebildet) zur Erzeugung einer Reluktanzkraft im Betrieb der Synchronmaschine zur Verfügung stehen können. In diesem Fall kombiniert die erfindungsgemäße Synchronmaschine nicht nur die jeweils vorteilhaften Eigenschaften von fremderregten und permanenterregten Synchronmaschinen, sondern zusätzlich auch diejenigen von auf der Verringerung der Reluktanz beruhenden Synchronmaschinen („Reluktanzmotoren“).
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass an wenigstens einer der Rotorscheiben Pole vorgesehen sind, die mit einem oder mehreren gekrümmt verlaufenden Permanentmagneten versehen sind.
Vergleichbar der Anordnung mehrerer Permanentmagneten an einem bestimmten Pol besitzt auch die Verwendung eines oder mehrerer gekrümmt verlaufender Permanentmagneten insbesondere den Vorteil, dass damit ein dem konkreten Anwendungsfall besser angepasstes (maßgeschneidertes) Magnetfeld realisiert werden kann.
Als gekrümmt verlaufender Permanentmagnet wird hierbei jeder Permanentmagnet angesehen, dessen Form von der Form eines geraden Zylinders und der Form eines geraden Prismas abweicht und stattdessen zumindest annähernd eine Form besitzt, die sich ergibt, wenn ein gerader Zylinder oder ein gerades Prisma „verbogen“ wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:

1 eine Synchronmaschine mitsamt Ansteuereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels,
2 einen Pol (Polzahn mitsamt Polschuh) eines für eine Synchronmaschine vorgesehenen Rotors gemäß eines Ausführungsbeispiels,
3 einen Pol gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
4 einen Pol gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
5 einen Rotor für eine Synchronmaschine gemäß eines Ausführungsbeispiels,
6 einen Rotor gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
7 eine Rotorscheibe für einen Rotor gemäß eines Ausführungsbeispiels,
8 einen Rotor gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, und
9 einen Rotor gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.

1 zeigt eine elektrische Antriebseinrichtung 1 mit einer Sychronmaschine 10 aufweisend einen Stator 20 und einen relativ zum Stator 20 um eine Drehachse D drehbar gelagerten Rotor 30.
Der Stator 20 weist mehrere Statorwicklungen 22 auf. Im gezeigten Beispiel sind dies drei winkeläquidistant im gegenseitigen Winkelabstand von 120° um die Drehachse D herum angeordnete Statorwicklungen 22-1, 22-2 und 22-3. Mittels der Statorwicklungen 22 wird im Betrieb der Synchronmaschine 10 das magnetische Drehfeld des Stators 20 erzeugt.
Die elektrische Antriebseinrichtung 1 umfasst ferner eine elektrische Ansteuereinrichtung 50, mittels derer mehrere Statorspannungen bzw. wie im Beispiel veranschaulicht eine mehrphasige Statorspannung mit drei Phasen U, V und W (Drehstromphasen) an die z. B. in so genannter Sternschaltung miteinander verschalteten Statorwicklungen 22-1, 22-2 und 22-3 zugeführt wird.
Im dargestellten Beispiel ist der Rotor 30 mit mehreren (hier: 2) Polzähnen 32 und jeweiligen, an den radial äußeren Enden der Polzähne 32 ausgebildeten Polschuhen 34 ausgebildet (Schenkelpolläufer).
Die mehreren Polzähne 32 mit jeweils zugehörigen Polschuhen 34, nachfolgend auch als Pole bezeichnet, sind im dargestellten Beispiel einstückig zusammenhängend als ein Blechpaket aus gestapelten Stahlblechen ausgebildet.
Der Rotor 30 besitzt im dargestellten Beispiel nur zwei Pole, die einander diametral gegenüberliegen, oder anders ausgedrückt in Umfangsrichtung betrachtet winkeläquidistant verteilt angeordnet sind.
Abweichend von diesem Beispiel, und bevorzugt, kann der Rotor auch mehr derart winkeläquidistant verteilt angeordnete Pole besitzen, insbesondere z. B. vier, sechs, acht, zehn, zwölf usw. (vgl. z. B. 5 bis 9), wobei in letzteren Fällen die Anzahl und Anordnung der Statorwicklungen entsprechend modifiziert werden kann.
Der Rotor 30 weist eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Erregerfeldes auf, die im dargestellten Beispiel von einem stabförmigen (z. B. zylindrischen oder quaderförmigen) Permanentmagneten PM und einer bestrombaren Rotorwicklung (Erregerwicklung) 36 gebildet ist.
Vorteilhaft kann somit in einem Betrieb der Synchronmaschine 10 ein Magnetfeld des Rotors 30 wahlweise nur durch den Permanentmagneten PM oder aber als eine Überlagerung von Magnetfeldern erzeugt werden, die einerseits durch den Permanentmagneten PM und andererseits durch die (in diesem Fall bestromte) Rotorwicklung 36 erzeugt werden.
Mittels der Ansteuereinrichtung 50 kann dem Rotor 30 über elektrische Anschlüsse X1, X2 (z. B. mit Schleifkontaktübertragung an einer Rotorwelle) eine dem jeweiligen Betriebszustand der Synchronmaschine 10 angepasste, gewünschte Rotorspannung (Potentialdifferenz zwischen X1 und X2) zugeführt und somit an die Rotorwicklung 36 angelegt werden.
Mithin dient bei der elektrischen Antriebseinrichtung 1 die Ansteuereinrichtung 50 zur Erzeugung von mehreren Statorspannungen (bzw. einer mehrphasigen Statorspannung) zur Bestromung der Statorwicklungen 22 und zur Erzeugung einer Rotorspannung zur Bestromung der Rotorwicklung 36.
Die Ansteuereinrichtung 50 ist hierbei dazu ausgebildet, die Bestromung der Rotorwicklung 36 in Abhängigkeit von einer aktuellen Last der Synchronmaschine 10 durchzuführen.
Hierbei werden bei größeren Lasten der Synchronmaschine 10 das Magnetfeld des Permanentmagneten PM und das durch einen Stromfluss durch die Rotorwicklung 36 bewirkte Magnetfeld gleichorientiert überlagert, so dass insgesamt ein höheres Drehmoment erzeugt werden kann bzw. für ein gegebenes Drehmoment höhere Drehzahlen für den Synchronmotor 10 erreicht werden können.
Der Permanentmagnet PM ist mit einem magnetischen Nordpol N und einem magnetischen Südpol S wie dargestellt in einer passend ausgebildeten Aussparung 38 des hier durch das Blechpaket gebildeten Rotors 30 untergebracht.
Ein solcher vorgefertigter Permanentmagnet kann z. B. aus einem Stück eines hartmagnetischen Materials wie z. B. einer Legierung aus Eisen, Kobalt und Nickel oder Ferriten gebildet sein.
Die Aussparung 38 ist im dargestellten Beispiel durch ein Ausstanzen der bei der Fertigung des Rotors 30 zu stapelnden Bleche bewerkstelligt, wobei der in der Aussparung 38 eingesetzte Permanentmagnet PM gegebenenfalls z. B. mittels einer Verklebung in der Aussparung 38 besonders zuverlässig fixiert sein kann.
Alternativ oder zusätzlich kann die Aussparung 38 für eine formschlüssige und/oder reibschlüssige Fixierung des Permanentmagneten PM geeignet bemessen sein (z. B. mit wenigstens einem nicht bzw. nicht großflächig ausgestanzten Blech an jedem axialen Stirnseitenende des Blechpakets).
Abweichend von dem in 1 dargestellten Beispiel, und bevorzugt, erstreckt sich ein Permanentmagnet bzw. erstrecken sich mehrere Permanentmagneten nur im Bereich der Polschuhe des Rotors. Der in 1 gezeigte Permanentmagnet PM könnte dementsprechend auch durch zwei (kleinere) Magneten ersetzt werden, die sich jeweils im Bereich eines der beiden Polschuhe erstrecken.
Ferner könnten abweichend von dem in 1 dargestellten Beispiel anstatt der von Pol zu Pol durchgehenden Rotorwicklung 36 auch zwei voneinander beabstandete und jeweils im Bereich eines der beiden Pole angeordnete (jedoch z. B. in Reihen- oder Parallelschaltung elektrisch miteinander verbundene) Rotorwicklungen vorgesehen sein.
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
Die 2 bis 4 zeigen beispielhafte Varianten hinsichtlich Anzahl, Form und Anordnung eines oder mehrerer Permanentmagneten im Bereich eines Pols eines Rotors einer Synchronmaschine.
2 zeigt die Anordnung eines (einzigen) Permanentmagneten PM mit Nordpol N und Südpol S im Bereich eines Polschuhs 34. Im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Permanentmagneten ist der in 2 gezeigte Permanentmagnet PM in Radialrichtung des Rotors betrachtet relativ kurz ausgebildet. Der Permanentmagnet PM erstreckt sich vollständig innerhalb des Bereiches des Polschuhs.
3 zeigt eine Variante, bei der an einem Pol mehr als ein Permanentmagnet, hier zwei Permanentmagnete PM1 und PM2, angeordnet sind. Damit kann ein dem jeweiligen Anwendungsfall besser angepasstes (optimiertes) Magnetfeld bewirkt werden. Zumeist ist es zweckmäßig, wie in 3 dargestellt, eine symmetrische Anordnung einer solchen Mehrzahl von Permanentmagneten PM1, PM2 bezüglich einer radial verlaufenden Mittelebene des Pols vorzusehen.
4 zeigt eine Variante, bei der ein Pol des Rotors mit einem gekrümmt verlaufenden Permanentmagneten PM versehen ist. Ähnlich wie bei der Variante gemäß 3 kann auch mit dieser Maßnahme eine bessere Anpassung des Verlaufs des vom Permanentmagneten PM erzeugten Magnetfeldes erzielt werden.
Die Beispiele gemäß der 2 bis 4 sind für Rotoren mit beliebiger Anzahl von Polen geeignet (wohingegen der in 1 gezeigte „lange“ Permanentmagnet PM nur für den dort dargestellten Rotor 30 mit zwei Polen geeignet ist).
Die 5 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele eines Rotors 30 mit der Besonderheit, dass der Rotor 30 in Axialrichtung gestapelt mehrere jeweils in Radialrichtung sich erstreckende Rotorscheiben 30-1, 30-2, 30-3, ... mit jeweils in Umfangsrichtung winkeläquidistant angeordneten Polzähnen 32 und an radial äußeren Enden der Polzähne 32 ausgebildeten jeweiligen Polschuhen 34 aufweist.
In den 5 und 6 sind der Einfachheit halber die Rotorwicklungen der Rotoren 30 sowie die Permanentmagnete PM nicht eingezeichnet. Die Rotorwicklungen verlaufen in diesen Beispielen im Bereich der einzelnen Pole 32, 34 jeweils um die Gesamtheit der Polzähne 32 sämtlicher Rotorscheiben 30-1, 30-2, 30-3, ... herum. Für die Anordnung der Permanantmagnete PM gibt es verschiedene Varianten.
Der Unterschied zwischen dem Rotor 30 von 5 und dem Rotor 30 von 6 besteht darin, dass der Rotor 30 von 6 „geschrägt“ ausgeführt ist, d. h. bei in Axialrichtung einander benachbarten der Rotorscheiben 30-1, 30-2, 30-3, ..., die jeweiligen Anordnungen der Polzähne 32 und Polschuhe 34 in Umfangsrichtung zueinander winkelversetzt sind.
Im Beispiel von 6 beträgt der Winkelversatz zwischen jeweils zwei axial einander benachbarten Rotorscheiben etwa 2°. Ein Gesamtwinkelversatz zwischen in Axialrichtung betrachtet einer ersten (30-1) und einer letzten der Rotorscheiben 30-1, 30-2, 30-3, ... ist allgemein bevorzugt deutlich kleiner (z. B. um mindestens einen Faktor 2) als der Umfangswinkelversatz zwischen den Polen des Rotors.
Bei jeder der Rotorscheiben 30-1, 30-2, 30-3, ... können sämtliche Pole insbesondere z. B. so ausgestaltet sein, wie dies bereits mit Bezug auf die 2 beschrieben wurde. Alternativ können die Pole jedoch auch z. B. wie in 3 oder wie in 4 gezeigt ausgebildet sein.
Wenngleich in den 5 und 6 die Rotoren 30 beispielhaft mit jeweils 8 Polen dargestellt sind, so könnten diese Rotoren 30 abweichend davon auch mit einer anderen Anzahl von Polen ausgebildet sein, die in Umfangsrichtung des Rotors winkeläquidistant angeordnet sind. Insbesondere könnten z. B. auch 6, 10 oder 12 Pole vorgesehen sein.
Nachfolgend werden mit Bezug auf die 7 bis 9 einige im Rahmen der Erfindung besonders vorteilhafte Permanentmagnet-„Besetzungsvarianten“ für Rotoren 30 erläutert.
7 zeigt eine Rotorscheibe, bei der sämtliche Pole, im Beispiel sämtliche Polschuhe, mit einem Permanentmagneten PM versehen sind. Diese Rotorscheibe als solche kann einen Rotor 30 bilden. Alternativ kann ein Rotor 30 z. B. durch eine axiale Stapelung (Aneinanderreihung) identischer derartiger Rotorscheiben gebildet werden (vgl. ig. 5 und 6). Alternativ kann ein Rotor 30 z. B. durch eine axiale Stapelung gebildet werden, bei der in Axialrichtung alternierend mit einem oder mehreren Permanentmagneten versehene Rotorscheiben und nicht mit Permanentmagneten versehene Rotorscheiben vorgesehen sind.
8 veranschaulicht einen Rotor 30 mit mehreren axial gestapelten Rotorscheiben 30-1, ..., bei dem an wenigstens einer der Rotorscheiben nur ein Teil der Pole mit einem oder mehreren Permanentmagneten versehen ist.
Im Beispiel von 8 ist an einer ersten Rotorscheibe 30-1 in Umfangsrichtung betrachtet z. B. nur jeder zweite Pol mit einem Permanentmagneten PM besetzt, und zwar so, dass sich radial außen identische Magnetpole (hier z. B. die magnetischen Nordpole) der Permanentmagneten PM befinden.
An einer in 8 zweiten Rotorscheibe 30-2 ist in Umfangsrichtung betrachtet ebenfalls nur jeder zweite Pol mit einem Permanentmagneten PM besetzt, jedoch so, dass sich radial außen die magnetisch entgegengesetzten Magnetpole (hier also Südpole) der Permanentmagneten PM befinden, wobei in Umfangsrichtung betrachtet wieder eine alternierende Magnetorientierung (Nordpol oder Südpol) von Pol zu Pol des Rotors 30 vorgesehen ist.
9 veranschaulicht einen Rotor 30 mit mehreren axial gestapelten Rotorscheiben 30-1, ..., bei dem an wenigstens einer der Rotorscheiben nur ein Teil der Pole mit einem oder mehreren Permanentmagneten versehen ist.
Im Beispiel von 9 sind an einer ersten Rotorscheibe 30-1 in Umfangsrichtung betrachtet mehrere einander benachbarte Pole (hier: 2 Pole) und deren diametral entgegengesetzten Pole (hier: weitere 2 Pole) mit einem Permanentmagneten PM versehen, wobei die Magnetorientierung von Pol zu Pol wechselt.
An einer in 9 zweiten Rotorscheibe 30-2 sind in Umfangsrichtung betrachtet ebenfalls mehrere einander benachbarte Pole (hier: 2 Pole) und deren diametral entgegengesetzten Pole (hier: weitere 2 Pole) mit einem Permanentmagneten PM versehen, wobei die Magnetorientierung von Pol zu Pol wechselt. Diese mit Permanentmagneten PM versehenen Pole der zweiten Rotorscheibe 30-2 befinden sich hierbei in Umfangsrichtung betrachtet an denjenigen Stellen des Rotors 30, an denen die Pole der ersten Rotorscheibe 30-1 nicht mit Permanentmagneten PM besetzt sind. Die Permanentmagnetbesetzung von axial einander benachbarten Rotorscheiben ist also „komplementär“. Bei dieser Variante ist im Rahmen der Erfindung bevorzugt, dass an jeder Rotorscheibe die Hälfte der Pole mit und die andere Hälfte der Pole ohne Permanentmagneten versehen ist.
Bei sämtlichen beschriebenen Ausführungen von Synchronmaschinen, bei denen nicht sämtliche Pole sämtlicher Rotorscheiben mit Permanentmagneten versehen sind, können dennoch an sämtlichen Polen sämtlicher Rotorscheiben in identischer Weise Aussparungen vorgesehen sein, wobei dann in lediglich einem Teil dieser Aussparungen Permanentmagneten eingesetzt oder eingespritzt sind.

Claims

Synchronmaschine (10), umfassend einen Stator (20) mit mehreren Statorwicklungen (22) zur Erzeugung eines Drehfeldes und einen relativ zum Stator (20) um eine Drehachse (D) drehbar gelagerten Rotor (30) mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Erregerfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung des Erregerfeldes einen oder mehrere Permanentmagneten (PM) und eine bestrombare Rotorwicklung(36) aufweist.
Synchronmaschine (10) nach Anspruch 1, wobei der Rotor (30) wenigstens eine in Radialrichtung sich erstreckende Rotorscheibe (30-1, 30-2, ...) mit in Umfangsrichtung winkeläquidistant angeordneten Polzähnen (32) und an radialen Enden der Polzähne (32) ausgebildeten jeweiligen Polschuhen (34) aufweist.
Synchronmaschine (10) nach Anspruch 1, wobei der Rotor (30) in Axialrichtung gestapelt mehrere jeweils in Radialrichtung sich erstreckende Rotorscheiben (30-1, 30-2, ...) mit jeweils in Umfangsrichtung winkeläquidistant angeordneten Polzähnen (32) und an radialen Enden der Polzähne (32) ausgebildeten jeweiligen Polschuhen (34) aufweist.
Synchronmaschine (10) nach Anspruch 3, wobei für paarweise in Axialrichtung einander benachbarte Rotorscheiben (30-1, 30-2, ...) die jeweiligen Anordnungen der Polzähne (32) und Polschuhe (34) in Umfangsrichtung winkelversetzt zueinander angeordnet sind.
Synchronmaschine (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei an wenigstens einer der Rotorscheiben (30-1, 30-2, ...) sämtliche Polzähne (32) oder sämtliche Polschuhe (34) mit einem oder mehreren Permanentmagneten (PM) versehen sind.
Synchronmaschine (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei an wenigstens einer der Rotorscheiben (30-1, 30-2, ...) nur ein Teil der Polzähne (32) oder nur ein Teil der Polschuhe (34) mit einem oder mehreren Permanentmagneten (PM) versehen sind.
Synchronmaschine (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei in Axialrichtung alternierend mit einem oder mehreren Permanentmagneten (PM) versehene Rotorscheiben (30-1, 30-2, ...) und nicht mit Permanentmagneten (PM) versehene Rotorscheiben (30-1, 30-2, ...) vorgesehen sind.
Synchronmaschine (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Rotorscheiben (30-1, 30-2, ...) jeweils als ein Blechpaket aus gestapelten Blechen ausgebildet sind.
Synchronmaschine (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei der oder die Permanentmagneten (PM) in einer oder mehreren Aussparungen (38) der betreffenden Rotorscheiben (30-1, 30-2, ...) untergebracht sind.
Synchronmaschine (10) nach Anspruch 9, wobei der oder die Permanentmagneten (PM) jeweils durch Einspritzen einer mit einem Bindemittel gebundenen Magnetmasse in die jeweilige Aussparung (38) ausgebildet sind.
Synchronmaschine (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei an wenigstens einer der Rotorscheiben (30-1, 30-2, ...) Polzähne (32) oder Polschuhe (34) vorgesehen sind, die jeweils mit mehreren Permanentmagneten (PM) versehen sind.
Synchronmaschine (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei an wenigstens einer der Rotorscheiben (30-1, 30-2, ...) Polzähne (32) oder Polschuhe (34) vorgesehen sind, die mit einem oder mehreren gekrümmt verlaufenden Permanentmagneten (PM) versehen sind.
Elektrische Antriebseinrichtung (10, 50), insbesondere Traktionsantriebseinrichtung für ein Fahrzeug, umfassend eine Synchronmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und eine Ansteuereinrichtung (50) zur Erzeugung von Statorspannungen (U, V, W) zur Bestromung der Statorwicklungen (22) und zur Erzeugung einer Rotorspannung zur Bestromung der Rotorwicklung (36).
Elektrische Antriebseinrichtung (10, 50) nach Anspruch 13, wobei die Ansteuereinrichtung (50) dazu ausgebildet ist, die Bestromung der Rotorwicklung (36) in Abhängigkeit von einer aktuellen Last der Synchronmaschine (10) durchzuführen.
Verfahren zum Ansteuern einer Synchronmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend ein Bestromen der Rotorwicklung (36) in Abhängigkeit von einer aktuellen Last der Synchronmaschine (10).