DE102009029065A1 - Electrical machine, particularly permanent magnet synchronous machine, has rotor with multiple rotor poles, which have exterior surface in each case - Google Patents

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Abstract

The electrical machine, particularly a permanent magnet synchronous machine, has a rotor with multiple rotor poles, which have an exterior surface (12) in each case. A stator is provided with multiple stator teeth, which have a tooth contour (13) in the direction of the rotor. The exterior surface of each rotor pole and the tooth contour of each stator tooth are corresponding to a circular arc contour. An independent claim is also included for a rotor assembly with a rotor body and permanent magnet.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, mit einem Läufer mit aufgesetztem Permanentmagneten.The invention relates to an electrical machine, in particular a permanent magnet synchronous machine, with a rotor with attached permanent magnet.

Stand der TechnikState of the art

Elektrische Maschinen mit Permanentmagneterregung sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Beispielsweise können rotatorische Synchronmaschinen vorgesehen sein, die einen Läufer in Form eines im Inneren eines Stators gelegenen Rotors aufweisen. Der Rotor ist mit Permanentmagneten versehen, die ein Erregermagnetfeld erzeugen. Die Permanentmagneten sind so angeordnet, dass Rotorpole ausgebildet werden. Durch die Rotorpole verläuft ein Magnetfeld in Richtung des Stators, d. h. radial nach außen, um mit einem von Statorspulen an dem Stator bewirkten Magnetfeld zu Wechselwirken.Electric machines with permanent magnet excitation are well known from the prior art. For example, rotary synchronous machines can be provided which have a rotor in the form of a rotor located inside a stator. The rotor is provided with permanent magnets that generate a field magnet field. The permanent magnets are arranged so that rotor poles are formed. Through the rotor poles a magnetic field runs in the direction of the stator, d. H. radially outward to interact with a magnetic field caused by stator coils on the stator.

Es gibt verschiedene Aufbauweisen des Rotors. Eine davon besteht darin, dass der Rotor mit Hilfe eines Lamellenpakets aus Blechlamellen aufgebaut ist, die gemeinsam einen zylinderförmigen Rotorkörper bilden, auf dessen Mantelfläche entsprechend geformte Permanentmagneten angebracht, beispielsweise geklebt, werden. Die Permanentmagneten haben in der Regel identische Abmessungen und sind auf der Mantelfläche des Rotors in Umfangsrichtung äquidistant verteilt.There are different structures of the rotor. One of them is that the rotor is constructed with the aid of a disk set of laminations, which together form a cylindrical rotor body, mounted on the lateral surface of correspondingly shaped permanent magnets, for example, glued be. The permanent magnets usually have identical dimensions and are distributed equidistantly on the lateral surface of the rotor in the circumferential direction.

Bislang sind Synchronmaschinen bekannt, bei denen die Außenkontur der Permanentmagneten der Kontur von Statorzähnen des Stators angepasst ist, so dass zwischen den nach innen weisenden Enden der Statorzähne (den so genannten Zahnköpfen) und der Außenfläche der Permanentmagneten ein Luftspalt gleicher Dicke gebildet wird.So far, synchronous machines are known in which the outer contour of the permanent magnets of the contour of stator teeth of the stator is adapted so that between the inwardly facing ends of the stator teeth (the so-called tooth tips) and the outer surface of the permanent magnet, an air gap of the same thickness is formed.

Um dies zu erreichen, müssen die Permanentmagneten vor dem Aufsetzen auf das Rotorinnere entsprechend geformt werden, wobei die auf die Mantelfläche des Rotorinneren aufzusetzende Fläche und die den Statorzähnen zugewandte Außenfläche verschiedene Radien aufweisen. Die Formung bzw. Herstellung solcher Permanentmagneten ist technisch aufwändig und erschwert die Herstellung einer solchen elektrischen Maschine.In order to achieve this, the permanent magnets must be shaped correspondingly before being placed on the rotor interior, wherein the surface to be applied to the lateral surface of the rotor interior and the outer surface facing the stator teeth have different radii. The formation or production of such permanent magnets is technically complicated and makes it difficult to manufacture such an electrical machine.

Weiterhin treten bei derartigen elektrischen Maschinen mit aufgesetzten Permanentmagneten zumindest im unbestromten Zustand Rastmomente auf. Diese Rastmomente entsprechen einem Drehmoment, dessen Betrag und Richtung von der Winkelposition des Rotors abhängig ist. Der Rotor rastet in jenen Positionen ein, in denen ein oder mehrere Polübergänge des Stators je einem Polübergang des Rotors gegenüber liegen. Bei vielen Anwendungen stört das Rastmoment oder stellt ein Sicherheitsrisiko dar. Ein Beispiel ist eine elektrische Servolenkung bzw. Lenkkraftunterstützung eines Kraftfahrzeugs. Bei Ausfall der elektrischen Unterstützung soll es möglich sein, das Kraftfahrzeug mit Muskelkraft zu lenken. Ein Rastmoment ist dabei so störend, dass es das Unfallrisiko, das im Moment des Ausfalls der Lenkkraftunterstützung ohnehin erhöht ist, nochmals deutlich erhöht.Furthermore occur in such electric machines with attached permanent magnets at least in the de-energized state cogging moments. These cogging torques correspond to a torque whose magnitude and direction is dependent on the angular position of the rotor. The rotor engages in those positions in which one or more pole transitions of the stator each lie opposite a pole transition of the rotor. In many applications, the cogging torque interferes or poses a safety risk. One example is an electric power steering system or steering power assistance of a motor vehicle. In case of failure of the electrical support, it should be possible to steer the motor vehicle with muscle power. A cogging torque is so disturbing that it increases the risk of accidents, which is already increased anyway at the moment of failure of the power steering, again significantly.

Zur Reduzierung des Rastmoments bei elektrischen Maschinen ist es bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen mit Rotoranordnungen, die vergrabene Permanentmagneten aufweisen, bekannt, die Rotorpolschuhe des Rotors mit einer bestimmten Form zu versehen. Die Formung der Rotorpolschuhe erfolgt in einer Weise, so dass die Außenkontur der Rotorpolschuhe eine möglichst sinusförmige Luftspaltflussdichteverteilung ausbildet. Dazu sind die Rotorpolschuhe bezüglich des zylinderförmigen Rotorkörpers nach außen gewölbt. Weiterhin führt die Außenkontur dazu, dass zwischen zwei benachbarten Rotorpolschuhen ein vergrößerter Luftspalt gebildet wird.To reduce the cogging torque in electrical machines, it is known in permanent magnet synchronous machines with rotor assemblies having buried permanent magnets to provide the rotor pole pieces of the rotor with a specific shape. The shaping of the rotor pole shoes takes place in a manner such that the outer contour of the rotor pole shoes forms a sinusoidal air gap flux density distribution which is as sinusoidal as possible. For this purpose, the rotor pole pieces are curved outward with respect to the cylindrical rotor body. Furthermore, the outer contour leads to an enlarged air gap being formed between two adjacent rotor pole shoes.

Als Beispiel einer solchen Kontur eines Rotorpolschuhs wird die Richter-Kontur genannt ( Richter, R., Elektrische Maschinen, Band I, Allgemeine Berechnungselemente, Die Gleichstrommaschine, 3. Auflage, Birkhäuser Verlag, Basel 1967, Seiten 168–170 ). Die Richter-Kontur sieht die Formung des Rotorpolschuhs gemäß eines Kehrwerts einer quadrierten Kosinusfunktion über dem tangentialen Verlauf des Rotorpolschuhs vor, um näherungsweise eine sinusförmige Luftspaltflussdichteverteilung zu erreichen. In der Praxis wird die Richter-Kontur durch eine kreisförmige Bogenkontur angenähert, die einen kleineren Radius aufweist als der Rotoraußendurchmesser. Dadurch kann die Herstellung einer solchen Rotoranordnung mit vergrabenen Permanentmagneten erheblich vereinfacht werden.As an example of such a contour of a rotor pole shoe the Richter contour is called ( Richter, R., Electrical Machines, Volume I, General Calculation Elements, The DC Machine, 3rd edition, Birkhäuser Verlag, Basel 1967, pages 168-170 ). The Richter contour provides for shaping the rotor pole piece according to a reciprocal of a squared cosine function across the tangential course of the rotor pole piece to achieve approximately a sinusoidal air gap flux density distribution. In practice, the Richter contour is approximated by a circular arc contour which has a smaller radius than the rotor outer diameter. As a result, the production of such a rotor arrangement with buried permanent magnets can be considerably simplified.

Zwar sind die Rastmomente und die daraus resultierende Drehmomentwelligkeit bei Rotoranordnungen mit aufgesetzten Permanentmagneten bereits geringer als bei Rotoranordnungen mit vergrabenen Permanentmagneten, dennoch ist es wünschenswert, die Rastmomente bei einer Rotoranordnung mit aufgesetzten Permanentmagneten weiter zu reduzieren.Although the cogging torques and the resulting torque ripple in rotor assemblies with permanent magnets mounted are already lower than in rotor assemblies with buried permanent magnets, it is nevertheless desirable to further reduce the cogging torques in a rotor assembly with permanent magnets fitted.

Zudem sind aufgesetzte Permanentmagnete mit komplexen Konturen aufwändig herzustellen, da diese aus einem Block magnetischen Materials herausgeschnitten werden müssen.In addition, patch permanent magnets with complex contours are complex to produce, since they must be cut out of a block of magnetic material.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte elektrischen Maschine mit aufgesetzten Permanentmagneten zur Verfügung zu stellen, die einfacher herzustellen ist als eine elektrische Maschine mit Richter-Kontur und die gegenüber einer herkömmlichen elektrischen Maschine reduzierte Rastmomente aufweist. It is an object of the present invention to provide an improved electric machine with attached permanent magnet available, which is easier to manufacture than an electric machine with Richter contour and having a reduced compared to a conventional electric machine cogging moments.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird durch die elektrische Maschine nach Anspruch 1 und die Rotoranordnung und die Verwendung von Permanentmagneten für den Aufbau einer Rotoranordnung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.This object is achieved by the electric machine according to claim 1 and the rotor assembly and the use of permanent magnets for the construction of a rotor assembly according to the independent claims.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments are specified in the dependent claims.

Gemäß einem Aspekt ist eine elektrische Maschine vorgesehen. Die elektrische Maschine umfasst:

  • – einen Rotor mit einer Anzahl von Rotorpolen, die jeweils eine Außenfläche aufweisen;
  • – einen Stator mit einer Anzahl von Statorzähnen, die in Richtung des Rotors jeweils eine Zahnkontur aufweisen;
wobei die Außenfläche jedes Rotorpols und die Zahnkontur jedes Statorzahns jeweils einer kreisförmigen Bogenkontur entsprechen, deren Krümmungsradien verschiedene Mittelpunkte aufweisen.In one aspect, an electric machine is provided. The electric machine includes:
  • A rotor having a number of rotor poles, each having an outer surface;
  • A stator having a number of stator teeth, each having a tooth contour in the direction of the rotor;
wherein the outer surface of each rotor pole and the tooth contour of each stator tooth each correspond to a circular arc contour whose radii of curvature have different centers.

Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine möglichst einfach herzustellende elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, die verbesserte Rastmomente aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass einerseits kreisbogenförmige Konturen für die Rotorpole gewählt werden, die einfach herzustellen sind, und ein von eins verschiedenes Polabhebungsverhältnis durch die Wahl unterschiedlicher Mittelpunkte gewählt wird. Auf diese Weise können die Permanentmagneten zum Aufbau der elektrischen Maschine in einfacher Weise hergestellt werden. Eine Rotoranordnung, die mit derartigen Permanentmagneten ausgebildet ist, weist gegenüber einer Rotoranordnung ohne Polabhebung, d. h. mit einer Außenkontur der Permanentmagneten, die dem Radius des Rotors entspricht, eine verbesserte Drehmomentwelligkeit, d. h. verringerte Rastmomente auf.One idea of the present invention is to provide an electrical machine which is as simple to manufacture as possible and has improved cogging torques. This is achieved by, on the one hand, selecting circular-arc contours for the rotor poles which are easy to produce, and choosing a different polarization ratio by choosing different center points. In this way, the permanent magnets can be made to build the electric machine in a simple manner. A rotor assembly formed with such permanent magnets has opposite a rotor assembly without Polabhebung, d. H. with an outer contour of the permanent magnets corresponding to the radius of the rotor, an improved torque ripple, d. H. reduced cogging moments on.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass bei Ausrichtung eines Rotorpols auf einen Statorzahn zwischen der Außenfläche des Rotorpols und der Zahnkontur ein Luftspalt besteht, der ein Polabhebungsverhältnis zwischen 2,5 und 3, insbesondere von 2 aufweist.Furthermore, it can be provided that, when a rotor pole is aligned with a stator tooth, an air gap exists between the outer surface of the rotor pole and the tooth contour, which has a pole lift ratio between 2.5 and 3, in particular 2.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Anzahl der Statorzähne 3 oder Vielfache von 3 und die Anzahl der Rotorpole 2 oder Vielfache von 2 entsprechen und ein Verhältnis zwischen der Anzahl der Statorzähne 3 und der Anzahl der Rotorpole 1,5 betragen.According to an embodiment, the number of stator teeth may be 3 or multiples of 3 and the number of rotor poles may be 2 or multiples of 2, and a ratio between the number of stator teeth 3 and the number of rotor poles may be 1.5.

Weiterhin kann der Rotor mit einem Rotorkörper und aufgesetzten Permanentmagneten gebildet sein, wobei der Rotorkörper Befestigungsbereiche aufweist, an der Permanentmagneten mit einer jeweiligen Aufsetzfläche angeordnet sind, wobei die Aufsetzfläche und eine der Aufsetzfläche gegenüberliegende Außenfläche der Permanentmagneten die gleichen Krümmungsradien aufweisen, wobei deren Krümmungswölbungen gleichgerichtet sind.Furthermore, the rotor may be formed with a rotor body and mounted permanent magnets, wherein the rotor body has mounting regions, are arranged on the permanent magnet with a respective contact surface, wherein the contact surface and a contact surface opposite outer surface of the permanent magnet having the same radii of curvature, wherein the curvature arcs are rectified ,

Es ergibt sich ein Permanentmagnet, dessen Aufsetzfläche und dessen Außenfläche gleiche Radien aufweisen, deren Mittelpunkt auf einer Mittenachse durch den Permanentmagneten, die im Wesentlichen radial durch eine Drehachse des Rotors verläuft, verschoben ist. Der Versatz entspricht der Dicke des Permanentmagneten.The result is a permanent magnet whose contact surface and whose outer surface have the same radii whose center is displaced on a central axis by the permanent magnet, which extends substantially radially through an axis of rotation of the rotor. The offset corresponds to the thickness of the permanent magnet.

Weiterhin können die Zahnköpfe eine Zahnkontur aufweisen, die einen Krümmungsradius aufweist, dessen Mittelpunkt der Drehachse des Rotors entspricht.Furthermore, the tooth tips may have a tooth contour which has a radius of curvature whose center corresponds to the axis of rotation of the rotor.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Rotor mit einem Rotorkörper und eingebetteten Permanentmagneten ausgebildet sein, wobei an der Mantelfläche des Rotorkörpers die Rotorpole vorgesehen sein, wobei die Außenflächen der Rotorpole und die Zahnkontur der Zahnköpfe jeweils eine Krümmung aufweisen, deren Krümmungsbäuche gegeneinander ausgerichtet sind.According to a further embodiment, the rotor may be formed with a rotor body and embedded permanent magnets, wherein the rotor poles are provided on the lateral surface of the rotor body, wherein the outer surfaces of the rotor poles and the tooth contour of the tooth heads each have a curvature whose curvature bellies are aligned with each other.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Rotoranordnung vorgesehen, die einen Rotorkörper und aufgesetzte Permanentmagneten aufweist, wobei eine Außenfläche der Permanentmagneten und eine Aufsetzfläche der Permanentmagneten, mit der die Permanentmagneten auf den Rotorkörper aufgesetzt sind, jeweils eine kreisförmige Bogenkontur aufweisen, deren Krümmungsradien gleich sind und die verschiedene Mittelpunkte aufweisen.According to a further aspect, a rotor assembly is provided, which has a rotor body and permanent magnets mounted, wherein an outer surface of the permanent magnet and a contact surface of the permanent magnet, with the permanent magnets are placed on the rotor body, each having a circular arc contour whose radii of curvature are the same and the have different centers.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist vorgesehen, einen Permanentmagneten mit einer Aufsetzfläche und einer der Aufsetzfläche gegenüberliegende Außenfläche zum Herstellen einer Rotoranordnung mit aufgesetzten Permanentmagneten für eine elektrische Maschine zu verwenden.According to a further aspect, it is provided to use a permanent magnet having a seating surface and an outer surface opposite the seating surface for producing a rotor assembly with attached permanent magnets for an electrical machine.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Querschnitts-Darstellung einer elektrischen Maschine mit einem Innenläuferrotor mit aufgesetzten Permanentmagneten, die eine Außenkontur für einen Luftspalt variierender Breite aufweisen; 1 a schematic cross-sectional view of an electric machine with an inner rotor rotor with mounted permanent magnet having an outer contour for an air gap of varying width;

2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der elektrischen Maschine nach 1; 2 an enlarged view of a section of the electric machine after 1 ;

3a und 3b verschiedene Gestaltungen der Permanentmagneten mit verschiedenen Polabhebungen; 3a and 3b various designs of permanent magnets with different Polabhebungen;

4 eine weitere Synchronmaschine mit geformten Zahnköpfen gemäß einer weiteren Ausführungsform; und 4 another synchronous machine with shaped tooth tips according to another embodiment; and

5 einen Verlauf des Rastmoments bei einer elektrischen Maschine mit einem Luftspalt gleicher Breite und bei einer elektrischen Maschine mit einem Luftspalt variierender Breite gemäß der Ausführungsform der 1 und 2. 5 a profile of the cogging torque in an electric machine with an air gap of equal width and in an electric machine with an air gap of varying width according to the embodiment of the 1 and 2 ,

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

In den 1 und 2 ist eine elektrische Maschine 1 in Form eines permanentmagneterregten Synchronmotors dargestellt. Der Synchronmotor 1 ist in dem gezeigten Beispiel als ein Innenläufermotor ausgebildet, bei dem ein Stator 2 um einen im Inneren des Stators 2 drehbar gelagerten Rotor 3 angeordnet ist. Selbstverständlich ist nachfolgend Beschriebenes auch auf elektrische Maschinen mit Außenläuferrotor übertragbar.In the 1 and 2 is an electrical machine 1 represented in the form of a permanent magnet synchronous motor. The synchronous motor 1 is formed in the example shown as an internal rotor motor in which a stator 2 around one inside the stator 2 rotatably mounted rotor 3 is arranged. Of course, the following is also transferable to electric machines with external rotor rotor.

Der Stator 2 umfasst einen Statorkörper 8 und Statorzähne 4, die von dem Statorkörper 8 radial ins Innere in Richtung einer Mittenachse des Stators 2 gerichtet sind. Die Statorzähne 8 sind von Statorspulen (nicht gezeigt) umwickelt, die in geeigneter Weise elektrisch ansteuerbar sind, um den Synchronmotor zu betreiben. Die inneren Enden der Statorzähne 4 werden Zahnköpfe genannt und weisen eine zur Ausnehmung gerichtete Zahnkontur auf, die eine innere Ausnehmung 10 des Stators 2 definiert. Die innere Ausnehmung des Stators 2 weist einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Die Zahnkontur der nach innen gerichteten Oberflächen der Zahnköpfe 5 entspricht im Wesentlichen dem Radius der inneren Ausnehmung 10.The stator 2 includes a stator body 8th and stator teeth 4 coming from the stator body 8th radially inward toward a center axis of the stator 2 are directed. The stator teeth 8 are wrapped by stator coils (not shown) that are suitably electrically energized to drive the synchronous motor. The inner ends of the stator teeth 4 are called tooth heads and have a directed to the recess tooth contour, which has an inner recess 10 of the stator 2 Are defined. The inner recess of the stator 2 has a substantially circular cross-section. The tooth contour of the inwardly facing surfaces of the tooth heads 5 essentially corresponds to the radius of the inner recess 10 ,

In der inneren Ausnehmung 10 des Stators 2 ist der Rotor 3 drehbeweglich um die Mittenachse angeordnet. Der Rotor 3 weist einen Rotorkörper 6 auf, auf dem Permanentmagneten 7 auf Befestigungsbereichen als Rotorpole aufgesetzt sind, beispielsweise aufgeklebt oder in sonstiger Weise daran befestigt sind. Die Befestigungsbereiche weisen jeweils eine Kontur auf, die zu der Aufsetzfläche 11 des betreffenden Permanentmagneten 7 komplementär sind.In the inner recess 10 of the stator 2 is the rotor 3 rotatably arranged about the center axis. The rotor 3 has a rotor body 6 on, on the permanent magnet 7 are mounted on mounting areas as rotor poles, for example, glued or otherwise secured thereto. The attachment areas each have a contour that corresponds to the attachment surface 11 of the relevant permanent magnet 7 are complementary.

Beispielsweise kann der Rotorkörper 6 kreiszylindrisch mit einer Zylinderachse ausgebildet sein, die der Drehachse des Rotors 3 entspricht. Somit entspricht die Kontur des Befestigungsbereichs einem Abschnitt der Mantelfläche eines Kreiszylinders. Der Abschnitt der Mantelfläche weist einen ersten Krümmungsradius auf, der dem Radius des Rotorkörpers 6 entspricht. Im vorliegenden Fall ist der Befestigungsbereich 11 des Rotorkörpers 6 entsprechend der Mantelfläche des zylinderförmigen Rotorkörpers 6 mit dem ersten Krümmungsradius und einer Länge, die der Länge der aufzusetzenden Permanentmagneten 7 entspricht, ausgebildet.For example, the rotor body 6 circular cylindrical be formed with a cylinder axis, which is the axis of rotation of the rotor 3 equivalent. Thus, the contour of the attachment region corresponds to a portion of the lateral surface of a circular cylinder. The portion of the lateral surface has a first radius of curvature, which is the radius of the rotor body 6 equivalent. In the present case, the attachment area 11 of the rotor body 6 corresponding to the lateral surface of the cylindrical rotor body 6 with the first radius of curvature and a length equal to the length of the permanent magnets to be applied 7 corresponds, trained.

Der erste Krümmungsradius des Befestigungsbereichs 11 muss nicht notwendigerweise dem Radius der Mantelfläche des Rotorkörpers 6 entsprechen. Es kann durchaus vorgesehen sein, dass der erste Krümmungsradius kleiner ist als der Radius des Rotorkörpers 6; dieser weist dann Auswölbungen auf, die die Befestigungsbereiche 11 bilden bzw. beinhalten.The first radius of curvature of the attachment area 11 does not necessarily have the radius of the lateral surface of the rotor body 6 correspond. It can certainly be provided that the first radius of curvature is smaller than the radius of the rotor body 6 ; this then has bulges that the attachment areas 11 form or contain.

Die Permanentmagneten 7 weisen eine Aufsetzfläche 11 auf, mit dem diese auf den Befestigungsbereich 11 aufgesetzt werden. Die Permanentmagneten 7 weisen weiterhin eine der Aufsetzfläche 11 gegenüberliegende Außenfläche 12 auf, die eine der Aufsetzfläche 11 entsprechende Außenkontur mit einem zweiten Krümmungsradius aufweist. Die Außenfläche 12 weist eine Mantelbogenkontur auf, deren zweiter Krümmungsradius dem ersten Krümmungsradius der Befestigungsfläche 11 entspricht.The permanent magnets 7 have a contact surface 11 on, with this on the mounting area 11 be put on. The permanent magnets 7 continue to have one of the contact surface 11 opposite outer surface 12 on top, which is one of the touchpad 11 having corresponding outer contour with a second radius of curvature. The outer surface 12 has a jacket arc contour whose second radius of curvature corresponds to the first radius of curvature of the attachment surface 11 equivalent.

Im vorliegenden Beispiel weist die Synchronmaschine 1 zwölf Statorzähne 4 und acht Rotorpole auf. Allgemein lässt sich obige Formgebung der aufzusetzenden Permanentmagneten 7 für alle Synchronmaschinen 1 anwenden. Vorzugsweise sollte die Synchronmaschine ein Polzahlverhältnis, also das Verhältnis der Anzahl von Statorzähnen zu der Anzahl von Rotorpolen, von 3:2 oder Vielfachen davon aufweisen.In the present example, the synchronous machine 1 twelve stator teeth 4 and eight rotor poles. In general, the above shaping of the aufzusetzenden permanent magnet can be 7 for all synchronous machines 1 apply. Preferably, the synchronous machine should have a pole number ratio, ie the ratio of the number of stator teeth to the number of rotor poles, of 3: 2 or multiples thereof.

Zwischen den Außenflächen 12 der Permanentmagneten 7 des Rotors 3 und an den Enden der Zahnköpfe 5 des Stators 2 vorliegenden Zahnkonturen 13 wird ein Luftspalt gebildet. Die Breite dieses Luftspalts variiert durch die Wahl des zweiten Krümmungsradius als ein Radius, der kleiner ist als der größte Abstand auf einem Punkt der Außenfläche 12 des Permanentmagneten 7 zu der Mittenachse M des Rotors 3, in Umfangsrichtung. Insbesondere wird so bei einer elektrischen Maschine mit Permanentmagneten 7, die wie oben beschrieben geformt sind, eine Veränderung der Breite des Luftspalts erreicht, die Polabhebung genannt wird. D. h. die Polabhebung bezeichnet eine Abstandsänderung, um die sich die minimale Breite des Luftspalts im Verlauf der Breite eines Permanentmagneten 7 in Umfangsrichtung vergrößert, d. h. das Verhältnis der maximalen Breite des Luftspalts zur minimalen Breite des Luftspalts.Between the outer surfaces 12 the permanent magnet 7 of the rotor 3 and at the ends of the teeth heads 5 of the stator 2 present dental contours 13 an air gap is formed. The width of this air gap varies by the choice of the second radius of curvature as a radius which is smaller than the largest distance at a point of the outer surface 12 of the permanent magnet 7 to the center axis M of the rotor 3 , in the circumferential direction. In particular, in an electric machine with permanent magnets 7 , which are shaped as described above, achieved a change in the width of the air gap, which is called Polabhebung. Ie. the Polabhebung denotes a change in distance by which the minimum width of the air gap in the course of the width of a permanent magnet 7 in the circumferential direction increased, ie the ratio of the maximum width of the air gap to the minimum width of the air gap.

In den 3a und 3b sind zwei Ausgestaltungen der Permanentmagneten 7 an einem Rotorkörper 6 dargestellt. Man erkennt, dass in beiden Ausgestaltungen sowohl der erste Krümmungsradius Rinnen des Befestigungsbereichs 11 bzw. der Aufsetzfläche als auch der zweite Krümmungsradius Raußen der Außenfläche 12 identisch sind, jedoch verschiedene Mittelpunkte aufweisen. Der Abstand der Mittelpunkte auf einer Mittenachse M, die eine Symmetrieachse des Permanentmagneten 7 bzw. des Rotorpols darstellt, entspricht dann der Dicke des Permanentmagneten 7 entlang der Mittenachse M.In the 3a and 3b are two embodiments of the permanent magnets 7 on a rotor body 6 shown. It can be seen that in both embodiments, both the first radius of curvature grooves of the mounting area 11 or the contact surface and the second radius of curvature R outside the outer surface 12 are identical, but have different centers. The distance of the centers on a center axis M, which is an axis of symmetry of the permanent magnet 7 or the rotor pole, then corresponds to the thickness of the permanent magnet 7 along the center axis M.

In 3a sind die Krümmungsradien kleiner als bei den Permanentmagneten 7 der 3b. Man erkennt an dem Abstand zwischen der Außenfläche 12 des dargestellten Permanentmagneten 7 und deren Außenkante in Richtung der Mittelachse M, dass je kleiner der Radius Rinnen = Raußen ist, desto größer ist die Polabhebung, d. h. desto größer ist die Variation der Breite des Luftspalts über einem Rotorpol.In 3a the radii of curvature are smaller than with the permanent magnets 7 of the 3b , It can be seen at the distance between the outer surface 12 the illustrated permanent magnet 7 and whose outer edge in the direction of the center axis M, that the smaller the radius R inside = R is outside , the greater the Polabhebung, ie the greater the variation of the width of the air gap over a rotor pole.

Die Variation der Polabhebung in einem bestimmten Verhältnis hat einen bedeutenden Einfluss auf die Charakteristik von Rastmomenten. Bei einer Synchronmaschine mit einem Zahnkopf-/Polzahlverhältnis von 3:2, d. h. einer Synchronmaschine mit 6, 9, 12 usw. Statorzähnen und 4 bzw. 6 bzw. 8 usw. Rotorpolen, ist zur Reduzierung von Rastmomenten des Synchronmotors eine Polabhebung von 2√2·δmin optimal, wobei δmin der minimalen Breite des Luftspalts zwischen der Außenfläche 12 des Permanentmagneten 7 und der Zahnkontur des Zahnkopfs 5 entspricht.The variation of Polabhebung in a certain ratio has a significant impact on the characteristics of cogging torque. In a synchronous machine with a Zahnkopf- / Polzahlverhältnis of 3: 2, ie a synchronous machine with 6, 9, 12, etc. stator teeth and 4, 6 and 8, etc. rotor poles, is to reduce cogging torques of the synchronous motor a Polabhebung of 2√ 2 · δ min optimally, where δ min is the minimum width of the air gap between the outer surface 12 of the permanent magnet 7 and the tooth contour of the tooth head 5 equivalent.

Bei der Herstellung der Permanentmagneten 7 können somit in einfacher Weise die Fräs- bzw. Sägeradien für den Befestigungsbereich 11 sowie die Außenfläche 12 an das Abhebungsverhältnis, d. h. die Polabhebung, angepasst werden. Bei einer Gestaltung eines Rotors 3 mit aufgesetzten Permanentmagneten 7, die so konturiert sind, dass sie eine Polabhebung von 2√2·δmin aufweisen, und bei einem Zahnkopf-/Polzahlverhältnis von 3:2 kann eine Reduzierung des Rastmoments um mehr als das Dreifache im Vergleich zu einer Synchronmaschine mit einem konstanten Luftspalt von δmin und ansonsten gleichen Abmessungen erreicht werden. Dies ist beispielsweise in der Darstellung der 5 gezeigt.In the production of permanent magnets 7 Thus, in a simple way, the milling or sawing radius for the attachment area 11 as well as the outer surface 12 to the withdrawal ratio, ie the Polabhebung be adjusted. In a design of a rotor 3 with attached permanent magnets 7 , which are contoured to have a pole lift of 2√2 x δ min , and a 3: 2 tooth head / pole ratio can reduce the cogging torque by more than three times compared to a constant air gap synchronous machine δ min and otherwise the same dimensions can be achieved. This is for example in the representation of 5 shown.

5 zeigt das Rastmoment in % bezogen zu einem durchschnittlichen Moment einer herkömmlichen Synchronmaschine mit konstantem Luftspalt und einer Synchronmaschine mit variablem Luftspalt und einem Polabhebungsverhältnis von 2√2 über dem mechanischen Rotorwinkel. 5 shows the cogging torque in% relative to an average moment of a conventional constant air-gap synchronous machine and a variable air-gap synchronous machine with a pole lift ratio of 2√2 above the mechanical rotor angle.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform einer Synchronmaschine kann im Gegensatz zu der in den 1 bis 3 dargestellten Synchronmaschine der Stator im Inneren angeordnet und der Rotor drehbeweglich um den Stator gelagert sein. Die für den Außenläufer verwendeten Permanentmagneten können im Wesentlichen identisch konstruiert sein wie diejenigen bei dem Innenläufer-Sychronmotor. Die für die Außenfläche und die Aufsatzfläche verwendeten Krümmungsradien sind jedoch größer gewählt als der Außenradius, der durch die Zahnkonturen der Statorzähne des innen liegenden Stators definiert ist, insbesondere der Radius, der durch den Abstand zwischen der Zahnkontur der Statorzähne und einer Mittenachse des Synchronmotors definiert ist. Der Außenläufer kann einen ringförmigen Rotorkörper aufweisen, der an einer zylindrischen Innenfläche Befestigungsbereiche aufweist, an die konvex geformte Aufsatzflächen der Permanentmagnete angeordnet werden. Im Gegensatz zu der Ausführungsform der 1 bis 3 sind die Außenflächen der Permanentmagneten 7, die den Zahnköpfen 5 gegenüber liegen, konkav ausgebildet.According to another embodiment of a synchronous machine, in contrast to that in the 1 to 3 arranged synchronous machine, the stator disposed inside and the rotor be rotatably mounted around the stator. The permanent magnets used for the external rotor may be constructed substantially identical to those in the internal rotor synchronous motor. However, the radii of curvature used for the outer surface and the attachment surface are selected larger than the outer radius defined by the tooth contours of the stator teeth of the inner stator, in particular the radius defined by the distance between the tooth contour of the stator teeth and a center axis of the synchronous motor , The external rotor may comprise an annular rotor body having on a cylindrical inner surface mounting portions, are arranged on the convex shaped surfaces of the permanent magnets. In contrast to the embodiment of the 1 to 3 are the outer surfaces of the permanent magnets 7 that the tooth heads 5 lie opposite, concave.

Die Ausgestaltung der Permanentmagnete 7 zum Aufbau von Rotoren 3 in den oben beschriebenen Ausführungsformen ermöglicht die besonders einfache Herstellung der Permanentmagneten mit einer einzigen Fräsereinstellung, da die Befestigungsfläche sowie die Außenfläche die gleichen Krümmungsradien aufweisen. Zudem kann durch die Verwendung dieser Geometrie der Permanentmagneten in einfacher Weise eine Reduzierung der Rastmomente, insbesondere bei einer Synchronmaschine mit einem Statorzahn-/Polzahlverhältnis von 3:2, erreicht werden.The embodiment of the permanent magnets 7 for the construction of rotors 3 In the above-described embodiments, since the attachment surface and the outer surface have the same radii of curvature, it is possible to manufacture the permanent magnets with a single cutter setting particularly easily. In addition, by using this geometry of the permanent magnets in a simple manner, a reduction of the cogging torques, in particular in a synchronous machine with a Statorzahn- / Polzahlverhältnis of 3: 2, can be achieved.

Das gleiche Polabhebungsverhältnis kann bei einer elektrischen Maschine erreicht werden, die als Ausschnitt in 4 dargestellt ist. Der Rotor 3 der elektrischen Maschine 1 der 4 weist Rotorpole auf, die durch vergrabene Permanentmagneten 7 gebildet werden, d. h. die Permanentmagneten 7 sind in Taschen in dem Rotorkörper 6 angeordnet. Die Außenflächen der durch den Rotorkörper gebildeten Rotorpole weisen einen Krümmungsradius auf, der dem Radius des Rotor 3 entspricht, mit einem Mittelpunkt, der der Drehachse des Rotors 3 entspricht.The same Polabhebungsverhältnis can be achieved in an electric machine, which as a cutout in 4 is shown. The rotor 3 the electric machine 1 of the 4 has rotor poles that are buried by permanent magnets 7 are formed, ie the permanent magnets 7 are in pockets in the rotor body 6 arranged. The outer surfaces of the rotor poles formed by the rotor body have a radius of curvature which corresponds to the radius of the rotor 3 corresponds, with a center, to the axis of rotation of the rotor 3 equivalent.

Die Statorzähne 4 weisen Zahnköpfe 5 auf, die in eine Umfangsrichtung des Stators 2 kreisförmige Kontur aufweisen. Die Krümmung der Zahnköpfe 5 ist zu der Krümmung der Rotorpole entgegengesetzt. Die Zahnköpfe 5 weisen einen Krümmungsradius auf, der zu einem Polabhebungsverhältnis von 2√2 führt. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht das Polabhebungsverhältnis dem Verhältnis der Breiten des Luftspaltes an einer Mittenlinie M des betreffenden Statorzahns 4 und an einem Rand des Zahnkopfes 5 in Umfangsrichtung. Das Polabhebungsverhältnis ist bei einer elektrischen Maschine mit einem Statorzahn-/Polzahlverhältnis von 3:2 unabhängig von der Breite des Zahnkopfes in Umfangsrichtung bei 2√2 optimal. Mit anderen Worten ist der Krümmungsradius des Zahnkopfes in Umfangsrichtung umso größer je geringer die Breite der Zahnköpfe in Umfangsrichtung beträgt.The stator teeth 4 have tooth heads 5 on, in a circumferential direction of the stator 2 have circular contour. The curvature of the tooth heads 5 is opposite to the curvature of the rotor poles. The tooth heads 5 have a radius of curvature that results in a poling ratio of 2√2. In this embodiment, the Polabhebungsverhältnis corresponds to the ratio of the widths of the air gap at a center line M of the respective stator tooth 4 and on one edge of the tooth head 5 in the circumferential direction. The Pole lift ratio is optimal for an electric machine with a stator tooth / pole ratio of 3: 2 regardless of the width of the tooth head circumferentially at 2√2. In other words, the larger the radius of curvature of the tooth tip in the circumferential direction, the larger the smaller the width of the tooth tips in the circumferential direction.

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Claims (8)

Elektrische Maschine (1), umfassend: – einen Rotor (3) mit einer Anzahl von Rotorpolen, die jeweils eine Außenfläche (12) aufweisen; – einen Stator (2) mit einer Anzahl von Statorzähnen (4), die in Richtung des Rotors (3) jeweils eine Zahnkontur aufweisen; wobei die Außenfläche (12) jedes Rotorpols und die Zahnkontur (13) jedes Statorzahns (4) jeweils einer kreisförmigen Bogenkontur entsprechen, deren Krümmungsradien verschiedene Mittelpunkte aufweisen.Electric machine ( 1 ), comprising: a rotor ( 3 ) having a number of rotor poles each having an outer surface ( 12 ) exhibit; A stator ( 2 ) with a number of stator teeth ( 4 ), which in the direction of the rotor ( 3 ) each have a tooth contour; the outer surface ( 12 ) each rotor pole and the tooth contour ( 13 ) of each stator tooth ( 4 ) each correspond to a circular arc contour whose radii of curvature have different centers. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, wobei bei Ausrichtung eines Rotorpols auf einen Statorzahn (4) zwischen der Außenfläche (12) des Rotorpols und der Zahnkontur (13) ein Luftspalt besteht, der ein Polabhebungsverhältnis zwischen 2,5 und 3, insbesondere von 2√2, aufweist.Electric machine ( 1 ) according to claim 1, wherein upon alignment of a rotor pole with a stator tooth ( 4 ) between the outer surface ( 12 ) of the rotor pole and the tooth contour ( 13 ) There is an air gap, which has a Polabhebungsverhältnis between 2.5 and 3, in particular of 2√2. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahl der Statorzähne (4) 3 oder Vielfache von 3 und die Anzahl der Rotorpole 2 oder Vielfache von 2 entsprechen und ein Verhältnis zwischen der Anzahl der Statorzähne 3 und der Anzahl der Rotorpole 1,5 beträgt.Electric machine ( 1 ) according to claim 1 or 2, wherein the number of stator teeth ( 4 ) 3 or multiples of 3 and the number of rotor poles 2 or multiples of 2 and a ratio between the number of stator teeth 3 and the number of rotor poles is 1.5. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Rotor (3) mit einem Rotorkörper (6) und aufgesetzten Permanentmagneten (7) gebildet ist, wobei der Rotorkörper (6) Befestigungsbereiche aufweist, an der Permanentmagneten (7) mit einer jeweiligen Aufsetzfläche (11) angeordnet sind, wobei die Aufsetzflächen (11) und den Aufsetzflächen (11) gegenüberliegenden Außenfläche (12) der Permanentmagneten (7) die gleichen Krümmungsradien aufweisen, wobei deren Krümmungswölbungen gleichgerichtet sind.Electric machine ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the rotor ( 3 ) with a rotor body ( 6 ) and mounted permanent magnets ( 7 ), wherein the rotor body ( 6 ) Has attachment regions, on the permanent magnet ( 7 ) with a respective contact surface ( 11 ) are arranged, wherein the contact surfaces ( 11 ) and the contact surfaces ( 11 ) opposite outer surface ( 12 ) of the permanent magnets ( 7 ) have the same radii of curvature, with their curvature curvatures being rectified. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 4, wobei die Zahnköpfe (5) eine Zahnkontur (13) aufweisen, die einen Krümmungsradius aufweist, dessen Mittelpunkt der Drehachse des Rotors (3) entspricht.Electric machine ( 1 ) according to claim 4, wherein the tooth heads ( 5 ) a tooth contour ( 13 ) having a radius of curvature whose center is the axis of rotation of the rotor ( 3 ) corresponds. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Rotor (3) mit einem Rotorkörper (6) und eingebetteten Permanentmagneten (7) ausgebildet ist, wobei an der Mantelfläche des Rotorkörpers (6) die Rotorpole vorgesehen sein, wobei die Außenflächen (12) der Rotorpole und die Zahnkontur (13) der Zahnköpfe (5) jeweils eine Krümmung aufweisen, deren Krümmungsbäuche gegeneinander ausgerichtet sind.Electric machine ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the rotor ( 3 ) with a rotor body ( 6 ) and embedded permanent magnets ( 7 ) is formed, wherein on the lateral surface of the rotor body ( 6 ) the rotor poles may be provided, the outer surfaces ( 12 ) of the rotor poles and the tooth contour ( 13 ) of the tooth heads ( 5 ) each have a curvature whose curvature bellies are aligned with each other. Rotoranordnung mit einem Rotorkörper (6) und aufgesetzten Permanentmagneten (7), wobei eine Außenfläche (12) der Permanentmagneten (7) und eine Aufsetzfläche (11) der Permanentmagneten (7), mit der die Permanentmagneten (7) auf den Rotorkörper (6) aufgesetzt sind, jeweils eine kreisförmige Bogenkontur aufweisen, deren Krümmungsradien gleich sind und die verschiedene Mittelpunkte aufweisen.Rotor arrangement with a rotor body ( 6 ) and mounted permanent magnets ( 7 ), wherein an outer surface ( 12 ) of the permanent magnets ( 7 ) and a contact surface ( 11 ) of the permanent magnets ( 7 ), with which the permanent magnets ( 7 ) on the rotor body ( 6 ) are mounted, each having a circular arc contour whose radii of curvature are the same and have different centers. Verwendung eines Permanentmagneten (7) mit einer Aufsetzfläche (11) und einer der Aufsetzfläche (11) gegenüberliegende Außenfläche (12) zum Herstellen einer Rotoranordnung mit aufgesetzten Permanentmagneten (7) für eine elektrische Maschine (1).Use of a permanent magnet ( 7 ) with a contact surface ( 11 ) and one of the contact surface ( 11 ) opposite outer surface ( 12 ) for producing a rotor assembly with permanent magnets ( 7 ) for an electric machine ( 1 ).
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