DE102012212414B4 - Rotor für eine elektrische Parmanentmagnetmaschine - Google Patents

Abstract

Rotor (20) für eine elektrische Permanentmagnetmaschine (10), umfassend:eine Rotationsachse (15);eine Außenoberfläche (24); undeinen zu der Rotationsachse (15) orthogonalen Querschnitt mit einer nicht kreisförmigen Kontur (23) der Außenoberfläche (24), die durch eine Vielzahl von Radien (26) definiert ist, die um einen Winkel (28) um die Rotationsachse (15) herum verteilt sind;wobei die Vielzahl von Radien (26) Längen umfasst, die gemäß der folgenden Beziehung bestimmt sind:R(φ)=R0+A1cos(φ−φ1)+A2cos(2φ−φ2)+⋯+Aicos(iφ−φi)wobeiR0eine Länge des Radius bei einem Rotorwinkel von 0° ist,R(φ) eine Länge des Radius bei einem Rotorwinkel φ ist, wobei der Rotorwinkel φ von 0° bis 360° um die Rotationsachse (15) herum reicht,φ1ein Phasenwinkel einer ersten Oberwelle ist,φ2ein Phasenwinkel einer zweiten Oberwelle ist,φiein Phasenwinkel einer i-ten Oberwelle ist,A1eine Amplitude der ersten Oberwelle ist,A2eine Amplitude der zweiten Oberwelle ist, undAieine Amplitude der i-ten Oberwelle ist;wobei die Längen so bestimmt sind, dass mindestens eine Oberwellenfrequenz in einen Luftspalt (25) zwischen der Außenoberfläche (24) des Rotors (20) und einem Stator (40) der elektrischen Permanentmagnetmaschine (10) während einer Rotation des Rotors (20) eingeleitet wird, welche eine minimale Drehmomentwelligkeit über einen Bereich von Arbeitspunkten der elektrischen Permanentmagnetmaschine (10) hinweg erreicht.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Diese Offenbarung betrifft elektrische Permanentmagnetmaschinen und damit verbundene Rotoren.
• HINTERGRUND
• Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit. Folglich sind diese Aussagen nicht dazu gedacht, eine Anerkennung des Standes der Technik zu bilden.
• Bekannte elektrische Maschinen umfassen elektrische Permanentmagnetmaschinen. Eine Ausführungsform einer elektrischen Permanentmagnetmaschine umfasst eine mehrphasige elektrische Maschine mit innen liegenden Permanentmagneten (IPM-Maschine) mit einem kreisringförmigen Stator, in den ein Rotor eingeführt ist. Der Stator enthält einen kreisringförmigen Statorkern und eine Vielzahl elektrischer Wicklungen. Der Statorkern enthält eine Vielzahl von radial nach innen vorstehenden Zähnen, die parallel zu einer Längsachse der elektrischen Maschine sind und einen Innenumfang des Stators definieren. Benachbarte radial nach innen vorstehende Zähne bilden radial ausgerichtete Nuten aus. Die elektrischen Wicklungen sind aus Adern eines geeigneten leitfähigen Materials hergestellt, z.B. Kupfer oder Aluminium, und sind zu Spulengruppen verwoben oder anderweitig angeordnet, welche in die radial ausgerichteten Nuten zwischen den Zähnen eingeführt sind. Die elektrischen Wicklungen sind in einer kreisförmigen Weise um den Umfang des Statorkerns herum elektrisch in Reihe angeordnet, wobei jede elektrische Wicklung mit einer einzigen Phase der elektrischen Maschine verbunden ist. Jede Spulengruppe der elektrischen Wicklungen stellt einen einzigen Pol einer einzigen Phase des Maschinenbetriebs bereit. Die Anzahl der radial ausgerichteten Nuten im Statorkern wird auf der Grundlage der Anzahl von Phasen und Polen der Wicklungen der elektrischen Verdrahtung für die elektrische Maschine bestimmt. Somit weist eine dreiphasige Maschine mit zwei Polen elektrische Wicklungen auf, die als sechs Spulengruppen ausgestaltet sind, wobei die Spulengruppen in sechs Nuten oder einer Anzahl von Nuten, die ein Vielfaches von sechs beträgt, konfiguriert sind. Ein Stromfluss durch die elektrischen Wicklungen wird verwendet, um rotierende Magnetfelder zu erzeugen, die auf einen Rotor einwirken, um ein Drehmoment an einer Welle des Rotors zu induzieren.
• Bekannte Rotoren für elektrische Permanentmagnetmaschinen enthalten einen Rotorkern, der an einer Drehwelle angebracht ist, die eine Rotationsachse definiert. Bekannte Rotoren weisen eine Vielzahl von Rotormagneten auf, die um den Umfang herum in der Nähe einer Außenoberfläche des Rotorkerns positioniert sind, wobei jeder Rotormagnet der Länge nach auf die Rotationsachse ausgerichtet ist.
• Ein Luftspalt zwischen Zähnen einen Stators und einer Außenoberfläche des Rotors ist ein Konstruktionsmerkmal einer elektrischen Maschine und ist notwendig, um Fertigungstoleranzen aufzunehmen, um den Zusammenbau zu ermöglichen und um andere bekannte Faktoren anzusprechen. Ein Luftspalt wird vorzugsweise minimiert, da ein erhöhter Luftspalt mit einem reduzierten Magnetfluss und einem zugehörigen reduzierten Ausgabedrehmoment korreliert.
• Wenn ein elektrischer Strom durch Statorwicklungen fließt, wird ein Magnetfeld induziert und wirkt auf die Rotormagnete ein, um ein Drehmoment an der Rotorwelle zu induzieren. Wenn das Magnetfeld ausreichend Drehmoment zum Überwinden einer Lagerreibung und einer beliebigen auf die Welle aufgebrachten Drehmomentlast induziert, dreht der Rotor die Welle.
• Unstetigkeiten bei der Ausgabe des Maschinendrehmoments im Betrieb, die Drehmomentwelligkeiten umfassen, sind mit der Größe des Luftspalts verbunden. Der Luftspalt und die zugehörigen Unstetigkeiten bei der Ausgabe des Maschinendrehmoments beeinflussen die maximale Ausgabe des Maschinendrehmoments und sie beeinflussen das Geräusch-, Vibrations- und Rauhigkeitsverhalten der elektrischen Maschine.
• Bekannte Konstruktionsfaktoren für elektrische Permanentmagnetmaschinen umfassen Faktoren mit Bezug auf Magnetismus, Mechanik, Thermodynamik, Elektronik, Akustik und Materialwissenschaften. Leistungsanforderungen, Einbauraumbeschränkungen und Kosten stellen Einschränkungen auf, die Konstruktionsmerkmale beeinflussen. Leistungsanforderungen umfassen die maximale Ausgabe des Maschinendrehmoments und die maximale Drehzahl, die Drehmomentwelligkeit und das Nutrastmoment. Die Drehmomentwelligkeit und das Nutrastmoment beeinflussen das Geräusch-, Vibrations- und Rauhigkeitsverhalten der elektrischen Maschine. Bekannte elektrische Permanentmagnetmaschinen weisen eine Flussverteilung aufgrund der Permanentmagnete und der magnetomotorischen Kräfte des Ankers, die mit Bezug auf die Rotorwinkelposition nicht sinusförmig sind, auf. Eine nicht sinusförmige Flussverteilung führt Drehmomentimpulse oder -stöße ein, die als Drehzahlwelligkeit, Geräusche und Vibration widergespiegelt werden. Drehmomentimpulse können die Leistung einer elektrischen Permanentmagnetmaschine verschlechtern und werden vorzugsweise minimiert. Drehmomentimpulse beeinflussen die Leistung einschließlich des Wirkungsgrads, hörbare Geräusche, Vibrationen und Rauigkeit. Auswirkungen auf die Leistung variieren bei unterschiedlichen Arbeitspunkten, d.h. die Drehmomentimpulse können in Ansprechen auf den Betrieb bei unterschiedlichen Drehzahlen und Drehmomentausgaben variieren. Bekannte Strategien zur Verringerung oder Minimierung von Drehmomentimpulsen umfassen das Schrägen (englisch skewing) von Einsatzorten von Magneten in einem Rotor, um die Drehmomentwelligkeit zu minimieren, das Einstellen spezieller Konstruktionsmerkmale eines Stators und/oder eines Rotors, um eine minimale Drehmomentwelligkeit zu erreichen oder um eine maximale Ausgabe von Maschinendrehmoment bei einem einzigen Arbeitspunkt zu erreichen, und das Ausführen von Steuerstrategien, um durch den Statorstrom eine inverse Drehmomentkomponente zu erzeugen.
• Die Druckschrift US 7 683 518 B2 offenbart einen Rotor für eine elektrische Permanentmaschine mit einer Rotationsachse, einer Außenoberfläche und einem zu der Rotationsachse orthogonalen Querschnitt mit einer nicht kreisförmigen Kontur der Außenoberfläche, die durch eine Vielzahl von Radien definiert ist, die um einen Winkel um die Rotationsachse herum verteilt sind.
• In der Druckschrift DE 690 15 911 T2 ist eine elektrische Permanentmaschine offenbart, bei der die Höhe von ringförmigen Magneten in Axialrichtung so verändert wird, dass über die sich in Umfangsrichtung ändernde Luftspaltflussdichte Oberwellenfrequenzen in den Luftspalt eingeleitet werden.
• Die Seite „Fourierreihe“ in Wikipedia - Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 6. Juli 2011, 15:29 UTC
  URL:https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Fourierreihe&oldid=90924743 (Abgerufen: 5. Januar 2023, 15:30 UTC) offenbart die Darstellung einer Fourierreihe in einer Amplituden-Phasen-Notation.
• ZUSAMMENFASSUNG
• Ein Rotor für eine elektrische Permanentmagnetmaschine enthält eine Rotationsachse, eine Außenoberfläche und einen zu der Rotationsachse orthogonalen Querschnitt mit einer nicht kreisförmigen Kontur der Außenoberfläche, die durch eine Vielzahl von Radien definiert ist, die in Winkeln um die Rotationsachse herum verteilt sind. Die Vielzahl von Radien umfasst Längen, die gemäß der folgenden Beziehung bestimmt sind: $$\text{R}\left(\mathrm{\phi }\right)={\text{R}}_0+{\text{A}}_1\text{cos}\left(\mathrm{\phi }-{\mathrm{\phi }}_1\right)+{\text{A}}_2\text{cos}\left(2\mathrm{\phi }-{\mathrm{\phi }}_2\right)+\cdots +{\text{A}}_{\text{i}}\text{cos}\left(\text{i}\mathrm{\phi }-{\mathrm{\phi }}_{\text{i}}\right)$$

  

  wobei
• R₀ eine Länge des Radius bei einem Rotorwinkel von 0° ist,
• R(φ) eine Länge des Radius bei einem Rotorwinkel φ ist, wobei der Rotorwinkel φ von 0° bis 360° um die Rotationsachse herum reicht,
• φ₁ ein Phasenwinkel einer ersten Oberwelle ist,
• φ₂ ein Phasenwinkel einer zweiten Oberwelle ist,
• φ_i ein Phasenwinkel einer i-ten Oberwelle ist,
• A₁ eine Amplitude der ersten Oberwelle ist,
• A₂ eine Amplitude der zweiten Oberwelle ist, und
• A_i eine Amplitude der i-ten Oberwelle ist.
• Die Längen sind so bestimmt, dass mindestens eine Oberwellenfrequenz in einen Luftspalt zwischen der Außenoberfläche des Rotors und einem Stator der elektrischen Permanentmagnetmaschine während einer Rotation des Rotors eingeleitet wird, welche eine minimale Drehmomentwelligkeit über einen Bereich von Arbeitspunkten der elektrischen Permanentmagnetmaschine hinweg erreicht.
• KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
• 1 eine schematische Schnittansicht einer elektrischen Maschine gemäß der Offenbarung darstellt, die einen Rotor enthält, der auf einer Welle montiert ist und in einen hohlen zylindrischen Stator eingeführt ist;
• 2 eine Spektralanalyse von Daten darstellt, die dem Betrieb einer beispielhaften elektrischen Grundlinien-Permanentmagnetmaschine zugeordnet sind, die einen Stator und einen Rotor mit einem einzigen Radius gemäß der Offenbarung aufweist; und
• 3 ein Prozess in Flussdiagrammform ist, um eine Außenoberfläche für einen Rotor für eine elektrische Permanentmagnetmaschine gemäß der Offenbarung zu konstruieren.
• GENAUE BESCHREIBUNG
• Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, in denen das Gezeigte nur zum Zweck der Darstellung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zum Zweck der Beschränkung derselben gedacht ist, zeigt 1 auf schematische Weise eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer elektrischen Permanentmagnetmaschine 10, die einen Rotor 20 enthält, der auf einer Welle 12 montiert ist und in einen koaxialen zylindrischen Stator 40 eingeführt ist. Die elektrische Permanentmagnetmaschine 10 enthält ein Gehäuse mit Abschlussdeckeln und die Welle 12 des Rotors 20 ist an Lageroberflächen der Abschlussdeckel drehbar montiert. Eine Mittellinie der Welle 12 definiert eine Längsachse 15, die eine Rotationsachse des Rotors 20 ist. Die Querschnittsansicht der elektrischen Permanentmagnetmaschine 10 ist orthogonal zu der Rotationsachse des Rotors 20 gezeigt. Eine Drehung des Rotors 20 relativ zum Stator 40 ist mit Bezug auf die Längsachse 15 definiert.
• Bei einer Ausführungsform enthält der Stator 40 eine Vielzahl von umlaufend radial ausgerichteten, nach innen vorstehenden Statorzähnen 42, die radial ausgerichtete, sich nach innen öffnende Nuten 43 zwischen benachbarten Statorzähnen 42 ausbilden. Die radial ausgerichteten, sich nach innen öffnenden Nuten 43 ragen parallel zu der Längsachse 15 des Stators 40 hervor. Isolierte elektrische Wicklungen sind in die Nuten 43 eingeführt. Bei einer Ausführungsform sind die Nuten 43 rechteckig geformte Durchgänge.
• Der Rotor 20 ist ein quasi zylindrisch geformtes Element mit einem Rotorkern 21, der eine Vielzahl von Längsöffnungen 32 aufweist, und einer Außenoberfläche 24. Die Längsöffnungen 32 sind in dem Rotorkern 21 ausgebildete oder anderweitig geschaffene Lehrräume, die vorzugsweise parallel zu der Rotationsachse 15 verlaufen und in der Nähe der Außenoberfläche 24 umlaufend verteilt sind. In jede der Längsöffnungen 32 ist ein Permanentmagnet 22 eingeführt.
• Die Außenoberfläche 24 des Rotors 20 weist einen nicht kreisförmigen Querschnitt mit einer nicht kreisförmigen Kontur 23 (d.h. einem Außenumfang) auf, die bei einer Ausführungsform in einer Ebene orthogonal zu der Rotationsachse 15 nicht einheitlich ist. Die Kontur 23 ist durch eine Vielzahl von Außenradien R_i 26 definiert, die einer Vielzahl von Rotorwinkeln φ_i 28 um die Rotationsachse 15 herum entsprechen. Ein spezieller der Außenradien R_i 26 ist der Radius R₀ 27, der einem Rotornennwinkel von 0° entspricht, welcher in der Figur bei der Zwölf-Uhr-Position dargestellt ist. Die Außenoberfläche 24 des Rotors 20 ist der Länge nach entlang der Rotationsachse 15 vorzugsweise stetig und ist durch die Kontur 23 gekennzeichnet, die durch die Vielzahl von Außenradien Ri 26 bei der entsprechenden Vielzahl von Rotorwinkeln φ_i 28 definiert ist. Alternativ kann die Außenoberfläche 24 des Rotors 20 unstetig sein, wobei die Kontur 23 diskrete Oberflächen enthält, die durch die Vielzahl von Außenradien Ri 26 und die entsprechende Vielzahl von Rotorwinkeln φ_i 28 definiert sind.
• Ein Luftspalt 25 ist zwischen der Außenoberfläche 24 des Rotors 20 und den Zähnen 42 des Stators 40 ausgebildet. Der Luftspalt 25 ist als eine radiale Distanz zwischen dem Stator 40 und der Außenoberfläche 24 des Rotors 20 definiert. Es ist festzustellen, dass der Luftspalt 25 nicht einheitlich ist und mit der Vielzahl von Außenradien Ri 26 variiert.
• Die Außenoberfläche 24 des Rotors 20 ist so ausgestaltet, dass eine Luftspaltflussdichte erreicht wird, die im Wesentlichen sinusförmig ist. Die Außenoberfläche 24 des Rotors 20 ist so konstruiert, dass eine oder mehrere Oberwellenfrequenzen in den Luftspalt eingeleitet werden, um Oberwellen zweiter Ordnung, Oberwellen dritter Ordnung und Oberwellen höherer Ordnung, die ein elektromagnetisches Rauschen, eine Drehmomentwelligkeit und Vibrationen verursachen, zu unterdrücken. Außenradien Ri 26 bei entsprechenden Rotorwinkeln φ_i 28 sind variiert, um eine gewünschte Luftspaltform zu erzeugen, die die Oberwellen zweiter Ordnung, die Oberwellen dritter Ordnung und die Oberwellen höherer Ordnung unterdrückt. Mit unterschiedlichen Arbeitspunkten der elektrischen Permanentmagnetmaschine 10 können unterschiedliche Oberwellenfrequenzen verbunden sein und somit wird ein Bereich von Arbeitspunkten der elektrischen Permanentmagnetmaschine 10 ausgewertet, um eine bevorzugte Konstruktion der Außenoberfläche 24 zu bestimmen, die Oberwellen bei verschiedenen Arbeitspunkten unterdrückt.
• Die Außenradien Ri 26 bei entsprechenden Rotorwinkeln φ_i 28 weisen bevorzugte Längen auf, die eine gewünschte Luftspaltform erreichen, um eine oder mehrere Oberwellenfrequenzen in den Luftspalt zum Unterdrücken der Oberwellen höherer Ordnung einzuleiten. Die bevorzugten Längen der Außenradien Ri 26 bei entsprechenden Rotorwinkeln φ_i 28 werden bestimmt, indem eine Geometrie des Rotors 28 gemäß der folgenden Gleichung erzeugt wird: $$\text{R}\left(\mathrm{\phi }\right)={\text{R}}_0+{\text{A}}_1\text{cos}\left(\mathrm{\phi }-{\mathrm{\phi }}_1\right)+{\text{A}}_2\text{cos}\left(2\mathrm{\phi }-{\mathrm{\phi }}_2\right)+\cdots +{\text{A}}_{\text{i}}\text{cos}\left(\text{i}\mathrm{\phi }-{\mathrm{\phi }}_{\text{i}}\right)$$

  

  wobei:
• R₀ der Radius bei dem Rotorwinkel von 0° ist;
• R(φ) der Radius bei dem Rotorwinkel ist, wobei der Rotorwinkel φ um die Rotationsachse herum von 0° bis 360° reicht;
• φ₁ der Phasenwinkel der ersten Oberwelle ist;
• φ₂ der Phasenwinkel der zweiten Oberwelle ist;
• φ₁ der Phasenwinkel der i-ten Oberwelle ist;
• A₁ die Amplitude der ersten Oberwelle ist;
• A₂ die Amplitude der zweiten Oberwelle ist; und
• A_i die Amplitude der i-ten Oberwelle ist.
• Wie festzustellen ist, benötigt eine derartige Analyse Informationen mit Bezug auf Amplituden und Phasenwinkel für erste, zweite, ..., i-te Oberwellen, vorzugsweise für eine elektrische Grundlinien-Permanentmagnetmaschine, die analog zu der elektrischen Permanentmagnetmaschine 10 ist, und die den Stator 40 und einen Rotor 20 mit einem einzigen einheitlichen Radius um seinen Umfang herum enthält.
• 2 veranschaulicht eine Spektralanalyse von Daten, die mit dem Betrieb einer beispielhaften elektrischen Grundlinien-Permanentmagnetmaschine verbunden sind, welche einen beispielhaften Stator 20 und einen Rotor mit einem einzigen Radius enthält. Die elektrische Grundlinien-Permanentmagnetmaschine weist folglich einen einheitlichen Luftspalt auf. Die beispielhafte elektrische Grundlinien-Permanentmagnetmaschine wurde bei Arbeitspunkten betrieben, die einen Arbeitspunkt mit niedriger Drehzahl und geringem Drehmoment, einen Arbeitspunkt mit hoher Drehzahl und hohem Drehmoment und Zwischenarbeitspunkte umfassen. Eine schnelle Fouriertransformationsanalyse (FFT-Analyse) wurde verwendet, um Daten zu analysieren, die Drehmomentkurven umfassen, die dem Betrieb derselben zugeordnet sind. Die dargestellte Spektralanalyse, die mit der FFT verbunden ist, enthält Oberwellenfrequenzen auf der X-Achse (205) und eine Signalintensität auf der Y-Achse (210). Die Arbeitspunkte von niedriger Drehzahl und geringem Drehmoment bis zu hoher Drehzahl und hohem Drehmoment sind als Datenpunkte 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227 und 228 dargestellt. Die Ergebnisse der FFT-Analyse zeigen eine Vielzahl von hauptsächlichen effektiven Oberwellenfrequenzen an, die mit einer elektrischen Grundlinien-Permanentmagnetmaschine verbunden sind, einschließlich einer 24-ten Oberwellen 230, einer 36-ten Oberwelle 240, einer 48-ten Oberwelle 250 und einer 120-ten Oberwelle 260. Die Oberwellenfrequenzen können mit unterschiedlichen Arbeitspunkten der elektrischen Maschine 10 verbunden sein und folglich wird ein Bereich von Arbeitspunkten der elektrischen Maschine 10 ausgewertet, um eine bevorzugte Konstruktion der Außenoberfläche 24 zu bestimmen, die Oberwellen bei verschiedenen Arbeitspunkten unterdrückt.
• 3 ist ein Flussdiagramm 100 eines Prozesses zur Konstruktion einer Außenoberfläche für einen Rotor für eine elektrische Permanentmagnetmaschine, der mit Bezug auf die elektrische Permanentmagnetmaschine 10 beschrieben ist, die den Rotor 20 mit der Außenoberfläche 24 von 1 enthält. Der Prozess 100 wird vorzugsweise iterativ ausgeführt, um eine bevorzugte Außenoberfläche 24 für den Rotor 20 auszuwählen, die bevorzugte Radien R_i 26 bei entsprechenden Rotorwinkeln φ_i 28 enthält, die so ausgewählt oder auf andere Weise bestimmt sind, dass sie Oberwellen bei den verschiedenen Arbeitspunkten unterdrücken.
• Tabelle 1 ist als ein Schlüssel für 3 bereitgestellt, wobei die numerisch beschrifteten Blöcke und die entsprechenden Funktionen wie folgt offengelegt sind. Tabelle 1

  BLOCK	BLOCKINHALTE
  101	Start
  102	Eingabevariablen definieren
  103	Parametrierte Geometrie der Grundlinienmaschine entwickeln
  104	Analyse mit finiten Elementen der Grundlinienmaschine erzeugen
  106	Maschinenarbeitspunkte definieren Ziele und Einschränkungen definieren
  108	Optimierungsroutine ausführen
  110	Ergebnisse validieren
  112	Zum Start gehen
  114	Ende

• Der Prozess 100 umfasst, dass Eingabevariablen definiert werden (102) und eine parametrierte Geometrie der elektrischen Grundlinien-Permanentmagnetmaschine entwickelt wird, die einen Stator und einen Rotor mit einem einzigen Radius und einen einheitlichen Luftspalt aufweist. Ein parametrisches Modell der elektrischen Grundlinien-Permanentmagnetmaschine wird erzeugt, das die zuvor bestimmten hauptsächlichen effektiven Oberwellenfrequenzen der elektrischen Grundlinien-Permanentmagnetmaschine aufweist, z.B. diejenigen, die mit Bezug auf 2 beschrieben sind (103).
• Ein Analysemodell mit finiten Elementen (FEA-Modell) der elektrischen Grundlinien-Permanentmagnetmaschine wird für die gewählte Geometrie erzeugt (104). Das erzeugte FEA-Modell berücksichtigt parametrierte Geometrieelemente unter Verwendung bekannter Analysetechniken mit finiten Elementen.
• Es werden Arbeitspunkte für die elektrische Permanentmagnetmaschine und Betriebsparameter, Ziele und Einschränkungen definiert (106). Arbeitspunkte für die elektrische Permanentmagnetmaschine umfassen vorzugsweise eine Drehzahl, einen Statorstrom und einen Steuerwinkel. Die mit der Drehzahl verbundenen Arbeitspunkte umfassen eine Vielzahl von Maschinendrehzahlpunkten, die aus einem Bereich zwischen einer maximalen Maschinendrehzahl und einer minimalen Maschinendrehzahl, die bei oder in der Nähe von Null sein kann, gewählt sind. Die Arbeitspunkte, die mit der Drehzahl verbunden sind, umfassen vorzugsweise Maschinendrehzahlpunkte, die in eine erste Drehrichtung und eine zweite Drehrichtung gehen, d.h. in eine Richtung im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn.
• Die Arbeitspunkte, die mit dem elektrischen Strom verbunden sind, umfassen eine Vielzahl von elektrischen Strompunkten, die aus einem Bereich zwischen einem Maximalstrom und einem Minimalstrom, der bei oder in der Nähe von Null liegen kann, gewählt sind. Der elektrische Strom kann sowohl mit einem Aufladestrom als auch einem Entladestrom verbunden sein, der einem Betrieb der Maschine als Generator bzw. Motor entspricht. Betriebsbeschränkungen umfassen vorzugsweise eine durchschnittliche Drehmomentausgabe aus der elektrischen Permanentmagnetmaschine 10 bei einem gegebenen Arbeitspunkt, der mithilfe der Maschinendrehzahl, des elektrischen Stroms und des Steuerwinkels definiert ist. Betriebsparameter umfassen vorzugsweise eine Drehmomentwelligkeit, welche bei dem gegebenen Arbeitspunkt bestimmt ist, und die hauptsächlichen effektiven Oberwellenfrequenzen der elektrischen Grundlinien-Permanentmagnetmaschine. Betriebsziele umfassen vorzugsweise das Erreichen einer minimalen Drehmomentwelligkeit, während eine durchschnittliche Drehmomentausgabe erreicht wird, die größer als eine minimale durchschnittliche Drehmomentausgabe ist.
• Unter Verwendung des FEA-Modells der elektrischen Permanentmagnetmaschine 10 wird eine Optimierungsroutine ausgeführt, die die parametrierten Geometrieelemente berücksichtigt (108). Das Ausführen der Optimierungsroutine umfasst vorzugsweise, dass ein Betrieb des FEA-Modells der elektrischen Permanentmagnetmaschine bei jedem der mit Drehzahl, Statorstrom und Steuerwinkel definierten Arbeitspunkte unter Berücksichtigen der parametrierten Geometrieelemente simuliert wird. Zustände für die Betriebsparameter der durchschnittlichen Drehmomentausgabe und der Drehmomentwelligkeit werden bei jedem der definierten Arbeitspunkte bestimmt. Dies ist ein iterativer Prozess, wobei die Optimierungsroutine ausgeführt wird, um Variationen bei den Außenradien Ri 26 bei entsprechenden Rotorwinkeln φ_i 28 zu bewerten, um eine bevorzugte Außenoberfläche mit einer bevorzugten Außenperipherie zum Erzeugen einer gewünschten Luftspaltform, welche die Oberwellen höherer Ordnung unterdrückt, die z.B. mit Bezug auf 2 gezeigt sind, und zum Erzeugen einer bevorzugten Geometrie für den Rotor 20 in Übereinstimmung mit Gleichung 1 zu erreichen. Die bevorzugte Außenoberfläche 24 mit der bevorzugten Kontur 23 erreicht eine minimale Drehmomentwelligkeit und maximiert eine durchschnittliche Drehmomentausgabe bei jedem der definierten Arbeitspunkte der elektrischen Permanentmagnetmaschine 10.
• Die mit der Ausführung der Optimierungsroutine verbundenen Ergebnisse werden validiert (110), um sicherzustellen, dass keine der Einschränkungen verletzt wurde, und um zu verifizieren, dass bei der bevorzugten Außenoberfläche und der bevorzugten Außerperipherie Integrität besteht. Die Validierung umfasst vorzugsweise, dass das FEA-Modell der elektrischen Permanentmagnetmaschine unter Verwendung der bevorzugten Außenoberfläche mit der bevorzugten Außenperipherie bei jedem der durch die Drehzahl, den Statorstrom und den Steuerwinkel definierten Arbeitspunkte ausgeführt wird, um zu verifizieren, dass die bevorzugte Konfiguration über den Bereich der definierten Arbeitspunkte hinweg eine reduzierte Drehmomentwelligkeit erreicht. Wenn die validierten Ergebnisse eine Konvergenz anzeigen (1), endet der Konstruktionsprozess (114), wobei ein Endprodukt ein solides mathematisches Modell umfasst, das einen Rotor 20 beschreibt, der eine bevorzugte Außenoberfläche 24 aufweist, die mithilfe von Außenradien Ri 26 bei entsprechenden Rotorwinkeln φ_i 28 definiert ist, welche eine minimale Drehmomentwelligkeit über den Bereich von definierten Arbeitspunkten der elektrischen Permanentmagnetmaschine 10 hinweg erreicht. Wenn die validierten Ergebnisse das Fehlen der Konvergenz anzeigen (0), iteriert der Konstruktionsprozess (112).
• Die dargestellte Ausführungsform enthält einen zylindrisch ausgestalteten Rotor mit den hier beschriebenen Merkmalen, der in einem kreisringförmigen Stator untergebracht ist. Es ist festzustellen, dass die hier beschriebenen Konzepte ebenfalls auf einen zylindrisch ausgestalteten Stator zutreffen, der in einem kreisringförmigen Rotor untergebracht ist, welcher die hier beschriebenen Merkmale aufweist.
• Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Modifikationen dazu beschrieben. Beim Lesen und Verstehen der Beschreibung können anderen weitere Modifikationen und Veränderungen begegnen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Art zum Ausführen dieser Offenbarung betrachtet werden, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen enthält, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims (7)

1. Rotor (20) für eine elektrische Permanentmagnetmaschine (10), umfassend: eine Rotationsachse (15); eine Außenoberfläche (24); und einen zu der Rotationsachse (15) orthogonalen Querschnitt mit einer nicht kreisförmigen Kontur (23) der Außenoberfläche (24), die durch eine Vielzahl von Radien (26) definiert ist, die um einen Winkel (28) um die Rotationsachse (15) herum verteilt sind; wobei die Vielzahl von Radien (26) Längen umfasst, die gemäß der folgenden Beziehung bestimmt sind: $$\text{R}\left(\mathrm{\phi }\right)={\text{R}}_0+{\text{A}}_1\text{cos}\left(\mathrm{\phi }-{\mathrm{\phi }}_1\right)+{\text{A}}_2\text{cos}\left(2\mathrm{\phi }-{\mathrm{\phi }}_2\right)+\cdots +{\text{A}}_{\text{i}}\text{cos}\left(\text{i}\mathrm{\phi }-{\mathrm{\phi }}_{\text{i}}\right)$$

   

   wobei R₀ eine Länge des Radius bei einem Rotorwinkel von 0° ist, R(φ) eine Länge des Radius bei einem Rotorwinkel φ ist, wobei der Rotorwinkel φ von 0° bis 360° um die Rotationsachse (15) herum reicht, φ₁ ein Phasenwinkel einer ersten Oberwelle ist, φ₂ ein Phasenwinkel einer zweiten Oberwelle ist, φ_i ein Phasenwinkel einer i-ten Oberwelle ist, A₁ eine Amplitude der ersten Oberwelle ist, A₂ eine Amplitude der zweiten Oberwelle ist, und A_i eine Amplitude der i-ten Oberwelle ist; wobei die Längen so bestimmt sind, dass mindestens eine Oberwellenfrequenz in einen Luftspalt (25) zwischen der Außenoberfläche (24) des Rotors (20) und einem Stator (40) der elektrischen Permanentmagnetmaschine (10) während einer Rotation des Rotors (20) eingeleitet wird, welche eine minimale Drehmomentwelligkeit über einen Bereich von Arbeitspunkten der elektrischen Permanentmagnetmaschine (10) hinweg erreicht.
2. Rotor (20) nach Anspruch 1, ferner eine Vielzahl von Längsöffnungen (32) umfassend, die umlaufend in der Nähe der Außenoberfläche (24) verteilt sind, wobei jede Längsöffnung (32) darin einen Permanentmagnet (22) enthält.
3. Rotor (20) nach Anspruch 1, wobei die Außenoberfläche (24) der Länge nach entlang der Rotationsachse (15) stetig ist.
4. Rotor (20) nach Anspruch 1, wobei die Kontur (23) der Außenoberfläche (24) bewirkt, dass mindestens eine Oberwellenfrequenz in einen Luftspalt (25) zwischen der Außenoberfläche (24) des Rotors (20) und einem Stator (40) der elektrischen Permanentmagnetmaschine (10) während einer Rotation des Rotors (20) eingeleitet wird.
5. Rotor (20) nach Anspruch 4, wobei die mindestens eine Oberwellenfrequenz Drehmomentimpulse über einem Bereich von Arbeitspunkten der elektrischen Permanentmagnetmaschine (10) hinweg effektiv minimiert.
6. Elektrische Permanentmagnetmaschine (10), umfassend: einen Stator (40); einen Rotor (20), der innerhalb des Stators (40) angeordnet ist; wobei der Rotor (20) umfasst eine Vielzahl von Permanentmagneten (22), eine Rotationsachse (15), eine Außenoberfläche (24), und einen zu der Rotationsachse (15) orthogonalen Querschnitt mit einer nicht kreisförmigen Kontur (23) der Außenoberfläche (24), die durch eine Vielzahl von Radien (26), welche um die Rotationsachse (15) herum mit einem Winkel (28) verteilt sind, definiert ist; wobei die Vielzahl von Radien (26) Längen umfasst, die gemäß der folgenden Beziehung bestimmt sind: $$\text{R}\left(\mathrm{\phi }\right)={\text{R}}_0+{\text{A}}_1\text{cos}\left(\mathrm{\phi }-{\mathrm{\phi }}_1\right)+{\text{A}}_2\text{cos}\left(2\mathrm{\phi }-{\mathrm{\phi }}_2\right)+\cdots +{\text{A}}_{\text{i}}\text{cos}\left(\text{i}\mathrm{\phi }-{\mathrm{\phi }}_{\text{i}}\right)$$

   

   wobei R₀ eine Länge des Radius bei einem Rotorwinkel von 0° ist, R(φ) eine Länge des Radius bei einem Rotorwinkel φ ist, wobei der Rotorwinkel φ von 0° bis 360° um die Rotationsachse (15) herum reicht, φ₁ ein Phasenwinkel einer ersten Oberwelle ist, φ₂ ein Phasenwinkel einer zweiten Oberwelle ist, φ_i ein Phasenwinkel einer i-ten Oberwelle ist, A₁ eine Amplitude der ersten Oberwelle ist, A₂ eine Amplitude der zweiten Oberwelle ist, und A_i eine Amplitude der i-ten Oberwelle ist; einen Luftspalt (25) zwischen dem Stator (40) und der Außenoberfläche (24), der mit der Kontur (23) der Außenoberfläche (24) auf eine Weise variiert, die das Einleiten mindestens einer Oberwellenfrequenz in den Luftspalt (25) während einer Rotation des Rotors (20) bewirkt; wobei die Längen so bestimmt sind, dass mindestens eine Oberwellenfrequenz in einen Luftspalt (25) zwischen der Außenoberfläche (24) des Rotors (20) und einem Stator (40) der elektrischen Permanentmagnetmaschine (10) während einer Rotation des Rotors (20) eingeleitet wird, welche eine minimale Drehmomentwelligkeit über einen Bereich von Arbeitspunkten der elektrischen Permanentmagnetmaschine (10) hinweg erreicht.
7. Elektrische Permanentmagnetmaschine (10) nach Anspruch 6, wobei der Luftspalt (25) ein Unterdrücken von Oberwellen höherer Ordnung relativ zu einem Luftspalt (25), der nicht variiert, bewirkt.

Images