EP2572443A1 - Elektrische maschine und verfahren zur reduktion eines rastmoments einer elektrischen maschine - Google Patents

Elektrische maschine und verfahren zur reduktion eines rastmoments einer elektrischen maschine

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EP2572443A1
EP2572443A1 EP11728169A EP11728169A EP2572443A1 EP 2572443 A1 EP2572443 A1 EP 2572443A1 EP 11728169 A EP11728169 A EP 11728169A EP 11728169 A EP11728169 A EP 11728169A EP 2572443 A1 EP2572443 A1 EP 2572443A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
wave
fundamental wave
harmonic
rotor
amplitude
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11728169A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerd Bramerdorfer
Wolfgang Amrhein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Austrian Center of Competence in Mechatronics GmbH
Original Assignee
Austrian Center of Competence in Mechatronics GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Austrian Center of Competence in Mechatronics GmbH filed Critical Austrian Center of Competence in Mechatronics GmbH
Publication of EP2572443A1 publication Critical patent/EP2572443A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems
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    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
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    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
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    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • H02K1/2766—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect
    • H02K1/2773—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect consisting of tangentially magnetized radial magnets

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing a cogging torque of an electric machine, in particular a synchronous machine, with a rotor / actuator, with a spaced by a gap to the rotor / actuator stator, with at least one provided on the stator and / or rotor / actuator armature winding and with an exciter part provided on the stator and / or on the rotor / actuator, which generates in the gap an excitation field, comprising a fundamental wave.
  • the invention is therefore based on the object, starting from the above-described prior art, to provide a method in which a nutritive paste can be reduced without weakening the mean torque of the motor.
  • the process should be quick and easy to use.
  • the invention achieves the stated object with regard to the method in that, to reduce the detent torque for the excitation field, a selection of at least one harmonic wave is taken from the harmonic waves related to the fundamental wave which, when superimposed with the fundamental wave, results in at least a partial reduction of the detent torque and the selected wave or waves are superimposed with the fundamental wave.
  • a simple procedure rule can first be specified which can be acted upon by a cogging torque of an electric machine, without necessarily forcing a reduction in the mean drive torque of the motor must be taken into account when the selected wave or selected waves is superimposed or with the fundamental wave. For this purpose, it is only necessary to make such a selection from the harmonic wave or the harmonic waves, by means of which it is possible to reduce the proportion of the cogging torque attributable to the fundamental wave.
  • this proportion component can be reduced, which can lead to a special reduction of the cogging torque or the total rest moment.
  • the harmonic niche or the modulation of individual harmonics have only a share component that coincides in frequency with the component component of the cogging torque of the fundamental wave, so that an existing antiphase can be used to reduce the component components of the cogging torque of the fundamental wave.
  • Simplified process conditions can be further provided if the fundamental wave is superimposed with at least one selected harmonic wave, which harmonic waves generate a share component of the same-order cogging torque to the other nugget moment component component generated by the fundamental wave.
  • Existence harmonics with the same order and / or substantially opposite phase in their share component to share component of the fundamental wave which may be the case for example due to the motor topology, so can be taken without special modulation measures on the cogging torque by this wave for superimposition with the Fundamental wave is used.
  • cogging torque can be further influenced when the fundamental wave is superimposed with at least one selected harmonic wave, wherein at least one superimposition of fundamental wave and selected harmonic wave or harmonic waves generates a component component of the same moment Nutrastmoments to the other component component generated by the fundamental wave. Namely, it is possible for each magnetic wave to form a cogging moment as well as the superposition of different magnetic waves.
  • the table above shows an example in which the fundamental forms a nugget moment of order ni.
  • the amplitude and / or the phase angle of the fundamental wave and at least one selected harmonic wave or the selected harmonic waves are adjusted to one another.
  • the amplitude of the harmonics with respect to the amplitude of the fundamental wave is set or the amplitude of the harmonics is chosen such that thus reduces the cogging torque.
  • this adjustment can be used to easily influence an achievable mean moment of the synchronous machine, in order to avoid a reduction, for example.
  • phase Shift the proportion component of the Nutrastmoments the selected harmonics to the phase of the proportion component of the Nutrastmoments the fundamental wave for example, to a value between 90 ° and 270 °, preferably set to 180 °.
  • At least one wave of the selected waves has a smaller winding factor than the fundamental, an influence of the superposition of harmonic and fundamental on the induced voltage can be kept small.
  • the winding factor is less than or equal to 0.25, preferably 0 ,.
  • the superposition of the fundamental wave with at least one wave of the selected harmonic waves generates an exciter field with an amplitude smaller than or equal to the amplitude of the fundamental wave.
  • a constant mean moment can be achieved - sometimes even an increased moment.
  • known from the prior art losses can be compensated in a simple manner by increased parameters on the exciter field, which despite the reduced state of the art, can ensure unchanged high average moments despite a reduced cogging.
  • the fundamental wave is superimposed with at least one harmonic wave of odd atomic number, in particular of the third order harmonic wave.
  • it is precisely the third harmonic wave that can be used ideally for reducing the cogging torque, because this harmonic often produces a share component of the same order compared to the component component of the fundamental wave on the cogging key, but often also has no influence on the induced voltage showed the machine, and therefore need not be considered in the calculation of the synchronous machine.
  • Simplified process conditions may continue to result if the amplitude of the fundamental is set equal to or less than 127% of the amplitude of the exciter field.
  • This range limit could be confirmed by experiments in that at higher amplitude values an adverse effect on the rotational behavior of the rotor of the electric machine was established. Based on the upper limit of 127% is thus given a simple procedural rule by which a cogging of an electrical machine, in particular synchronous machine, can be reduced.
  • the superimposition of the fundamental wave and selected harmonic Weller at least over a section with the help of the course of at least one of the mutually facing stator and rotor / Aktorg renz lake be formed.
  • the interface of the permanent magnets can be designed according to the desired field excitation.
  • the boundary surface facing the stator can be formed in accordance with the desired exciting field profile.
  • such a field of excitation can also be generated by this by means of a local distribution and / or the local course of the magnetization direction and / or the local course of the magnetization of permanent magnetic materials is formed.
  • permanent magnets can be used for this purpose and, with their local distribution or their locally different magnetization, the excitation field can be designed accordingly.
  • the invention has also set itself the task of an electric machine of the type described in such a constructive way to change that despite a high average torque is expected only with low cusps, in particular a cogging can be extinguished.
  • the invention solves the stated object with regard to the device in that the construction of the rotor / actuator and / or stator corresponding to generation of an exciting field comprising superimposing the fundamental wave with at least one harmonic wave selected from the harmonic waves related to the fundamental wave when superimposed with the fundamental wave leads to an at least partial reduction of the cogging torque is formed.
  • the cogging torque of such a machine can namely be comparatively low, without having to expect such a construction with a reduction of the average torque of the machine. This also allows a cost-effectively manufactured and stable machine can be created.
  • the construction can be further simplified if the local distribution of the magnetic material properties has a homogenous or at least partially distributed magnetization in the direction and / or amplitude, at least in some areas.
  • a field of excitation can be generated in a simple manner, on the basis of which a reduced cogging torque can be expected.
  • the rotor / actuator and / or stator has at least one saturation zone, in particular in the form of saturation webs, for example in the case of embedded permanent magnets.
  • the height H (phi) of the pole formation essentially follows the progression of the amplitude of the excitation field, then in a simple manner a cogging in such electrical machines can be reduced become.
  • H (phi) the course of the contour of the interface can be set in a wide range by a formula H (phi) by the formula:
  • H (phi) c (phi) + p * [a ⁇ * sin (phi + alpha,) + ⁇ ⁇ a n * sin (n * (phi + alpha n )) ⁇ ]
  • Clamp is normalized to a maximum value of 1;
  • ai is the amplitude of the fundamental wave
  • a n is the amplitude of the selected n th harmonic
  • alpha n is the shift angle of the selected n-th harmonic
  • the third harmonic a1 and a3 upon selection of the third harmonic a1 and a3, it can be set so that a1 is increased by an amount x compared to the value 1 and a3 has the value of x.
  • this amount x less than or equal to 0.47 can be selected.
  • simplified process conditions can be created by making the offset c (phi) angle independent, especially when the offset c (phi) is zeroed, for example, with permanent magnets.
  • the height H (phi) of the pole formation can be substantially proportional to the variation of the angle-dependent amplitude of the exciter field with an angle-dependent one
  • Phimech represents the mechanical angle, this is to set for the design of each pole piece always for the Polmitte to 0;
  • the angle-dependent contour K (phi) of the pole formation of the height H (phi) or the height H (phi) with angle-dependent course correction with a fluctuation range of up to +25 to -25 percent, preferably from up to +10 to -10 percent, based on the maximum value of height H (phi) or height H (phi) with angle-dependent slope correction.
  • the periodicity of the nutritive torque with respect to the power transmission movement caused by any single harmonic wave from the harmonic waves related to the fundamental wave can be calculated by the following formula:
  • n c denotes the periodicity of the Nutrastens related to the periodicity of the fundamental wave, both periodicities related to the power transmission useful movement,
  • N s is the number of stator slots
  • n m is the periodicity of the considered harmonic wave related to the periodicity of the course of the fundamental wave. For example, for the consideration of the fundamental wave n m would be equal to 1 and for the consideration of the third harmonic related to the fundamental wave n m equal to 3.
  • stator slots N s and pole pair numbers p 2 are the following periodicities of the cogging torque:
  • the above table serves as an example of selected waves of the magnetic field of selected groove / pole pair number combinations. This table does not include the previously mentioned superpositions of waves with different atomic numbers.
  • FIG. 1 is a sectional view of a synchronous machine according to the prior art
  • FIG. 1 is an enlarged detail of the sectional view of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a sectional view of a synchronous machine according to the invention.
  • FIG. 4 is an enlarged detail of the sectional view of FIG. 3,
  • FIG. 5a and 5b is a representation of the course of exciter fields
  • 6 shows torque profiles of the synchronous machines according to FIGS. 1 and 3
  • FIGS. 7a, 7b and 7c show an enlarged sectional view of a further embodiment of the invention with reduced cogging torque
  • FIG. 8 shows an alternative embodiment of a tooth of the stator according to FIG. 1,
  • FIGS. 9 and 10 show different magnetizations of permanent magnets; and FIG. 11 shows a representation of a pole formation H (phi) having a fluctuation width.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a known from the prior art and only partially shown synchronous machine 1, which has a rotor 2 and a spaced by a gap 3 and 3 air gap stator 4.
  • AC-conducting windings 6, 6 ', 6 ", etc. are provided as armature windings in the slots 5 of the stator 4, which generate a rotating field (not shown) .
  • the rotor 2 has permanent magnets 8, which are provided embedded in the rotor 2. 2, a radially extending air gap 3 with a constant width is provided between the rotor 2 and the stator 4, only in the area of the grooves 5 there are changes in the width of the air gap 3 through the grooves 5.
  • the embedded permanent magnets 8 are designed to generate an idealized rectangular excitation field 9 as shown in Fig. 5a
  • this exciter field 9 has a fundamental wave 10 and a plurality of harmonic waves 11, 12, etc., of which only the third one is for simplicity Harmonic 11 and the fifth harmonic 12 has been shown.
  • Other exciter fields 9 are conceivable, for example wise sinusoidally extending, as is often proposed to reduce the cogging torque.
  • rectangular exciter fields 9 have the advantage over other exciter fields of being able to produce a high average torque, so that they are frequently taken into account in the design of the motor topology of synchronous machines 1.
  • the superposition of fundamental wave 10 and at least one harmonic wave 11 is used to reduce the cogging torque, although just in the prior art this known superposition can lead to increased cogging torque.
  • a selection of a harmonic or harmonic influence on the cogging torque can be used.
  • This superimposition leads to an exciting field 13, which is smaller in area than the excitation field 9 according to FIG. 5 a, but in contrast to this excitation field 9 has a special influence on the detent torque, as shown in FIG can be.
  • the normalized torque curves 16 and 17 are shown, which may arise on the basis of the two exciter fields 9 and 13.
  • a harmonic wave can be seen clearly in the course of moments 16, which forms relative to the reference line 18.
  • an extinction of this harmonic wave could be created in the course of the torque 17, so that a torque curve 17 is established essentially without torque fluctuations due to a cogging torque.
  • the exciting field 13 according to the invention can be formed, for example, by a flattening 19 on the rotor 20 of the synchronous machine 21, as has been shown in FIGS. 3 and 4 and thus differs from the synchronous machine shown in FIGS. 1 and 2.
  • this flattening 19 increases the air gap 3 between the rotor 20 and stator 4, but as shown in Fig. 6 has no effect on the mean moment of the machine - on the contrary, by the inventive superposition of fundamental 15 and harmonics 14 is the even improved mean torque, which can be detected on the basis of the torque curve 16 increased torque curve 17 of FIG. 6.
  • the fundamental wave is superimposed with at least one harmonic wave 14, which generates a component component of the nutritive moment with the same order for the proportion component of the nutritive moment generated by the fundamental wave.
  • the third harmonic 14 has proven to be advantageous. Namely, the share component of the third harmonic nutation torque 14 is the same as the order of magnitude of the fundamental wave 15 for most motor topologies, so that simple process conditions can be provided.
  • an increased suppression of the cogging torque can be detected, namely by adjusting the amplitude of the fundamental wave 15 and of the superimposed harmonic wave 14 relative to one another.
  • the amplitude of the harmonic 14 of FIG. 5b is reduced compared to the amplitude of the harmonic 11 of FIG. 5a, which can be recognized by the reference numeral 22.
  • an increase of the fundamental 15 of up to 18% can be used as advantageous for reducing the cogging torque.
  • FIGS. 7a, 7b and 7c for example, the method according to the invention for superimposing fundamental wave 15 and harmonic wave 14 using the profile of the stator-facing side of the rotor 2 and of the surface-mounted permanent magnets 8 ', 8 "and 8"' is explained.
  • the topology of the synchronous machine is determined, whereby, for example, adjoining permanent magnets 8 'are provided on the rotor 2, as shown in Fig. 7a.
  • adjoining permanent magnet 8 ' By the adjoining permanent magnet 8 ', a nearly rectangular exciter field 9 is to be generated for a comparatively high average torque.
  • Such a field of excitation 9 became, for example already shown in Fig. 5a.
  • Other pathogens are not excluded.
  • the fundamental wave 10 is extracted from this exciter field 9, as shown in FIG. 5a.
  • FIG. 7b For illustration, an embodiment for generating a fundamental wave 10 is shown in FIG. 7b.
  • the permanent magnet 8 " which is radially magnetized over its magnetic area, are only changed in their course, as shown in Fig. 7b, and thus provided on the rotor 2.
  • the original course of the permanent magnets 8 ' was shown in Figs. 7b and 7c for better illustration entered.
  • this embodiment according to FIG. 7b itself, like the embodiment according to FIG. 7a, suffers from a comparatively high cogging torque.
  • At least one harmonic 11, 12 of the excitation field 9 is now determined and checked for its suitability for reducing the cogging torque by superimposing it on the fundamental wave 10. If the component components of the harmonics 11 or 12 and of the fundamental 15 coincide at the cogging torque in such a way that an at least partially mutual cancellation can be utilized, then this harmonic 11 or 12 can be used to reduce the total rest moment.
  • FIG. 8 an alternative embodiment of a tooth 26 of the stator 4 according to FIGS. 1, 2, 3 and 4 is shown.
  • the tooth 26 forms on its interface 27 a lip-shaped course, by means of which an excitation field 13, as shown for example in FIG. 5b, can be generated to reduce the cogging torque.
  • the permanent magnet 28 has a radial magnetization, whereby an air gap field 31 emerges substantially radially from the boundary surface 30.
  • the boundary surface 30 follows the contour of the superimposition of fundamental wave 15 and harmonic wave 14.
  • a parallel magnetized permanent magnet 29 is shown in FIG. 10, whereby essentially an air gap field 33 emerges non-radially from the interface 32.
  • a gradient correction must be taken into account for the contour of the superposition of fundamental wave 15 and harmonic wave 14 or the harmonic waves.
  • FIG. 1 a representation of a pole width H (phi) having a fluctuation width 35 is shown.
  • the height H (phi) of the pole formation 30 essentially proportionally follows the course of the amplitude of the exciter field 13.
  • the angle-dependent contour K (phi) of the pole formation 30 of the height H (phi) or the height H (phi) with angle-dependent course correction with a fluctuation width 35 of up to +25 to -25 percent, preferably up to + 10 to -10 percent, based on the maximum value of height H (phi) or height H (phi) with angle-dependent course correction follows.
  • dash-dotted lines with K (phi) show that the contour K (phi) deviates in the right-hand region H (phi), but within the fluctuation range 35.
  • the amplitude of at least one of the selected harmonic waves 14 corresponds to the amount x by which the amplitude 37 of the fundamental wave 15 is increased with respect to the maximum amplitude 36 of the excitation field 13.
  • a fluctuation '38 is indicated here, being admitted to the amount x is a variation of 38 up to +25 to -25 percent, preferably up to +10 to -10 percent of the maximum amplitude 36 of the excitation field 13, which in Figure 5b only one-sided fluctuation width 38 has been indicated.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Reduktion eines Rastmoments einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, mit einem Rotor/Aktor (2), mit einem durch einen Spalt (3) zum Rotor/Aktor (2) beabstandeten Stator (4), mit mindestens einer am Stator (4) und/oder am Rotor/Aktor (2) vorgesehenen Ankerwicklung (6, 6', 6") und mit einem am Stator (3) und/oder am Rotor/Aktor (2) vorgesehenen Erregerteil, der im Spalt ein Erregerfeld (13), aufweisend eine Grundwelle, erzeugt, gezeigt. Um vorteilhafte Verfahrensbedingungen zur Reduktion des Rastmoments zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass zum Reduzieren des Rastmoments für das Erregerfeld (13) eine Auswahl wenigstens einer harmonischen Welle (14), von den zur Grundwelle (15) bezogenen harmonischen Wellen (14), getroffen wird, die bei Überlagerung mit der Grundwelle (15) zu einer wenigstens teilweisen Reduktion des Rastmoments führt, und die ausgewählte Welle (14) oder ausgewählten Wellen mit der Grundwelle (15) überlagert wird bzw. werden.

Description

Elektrische Maschine und Verfahren zur Reduktion eines Rastmoments einer elektrischen Maschine
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion eines Rastmoments einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, mit einem Rotor/Aktor, mit einem durch einen Spalt zum Rotor/Aktor beabstandeten Stator, mit mindestens einer am Stator und/oder am Rotor/Aktor vorgesehenen Ankerwicklung und mit einem am Stator und/oder am Rotor/Aktor vorgesehenen Erregerteil, der im Spalt ein Erreger-feld, aufweisend eine Grundwelle, erzeugt.
Stand der Technik
Zur Reduktion von unerwünschten Kräften bei Synchronmaschinen, die insbesondere bei kleinen Drehzahlen zu starken Drehmomentschwankungen führen können, sowie im Stillstand und im Anfahrbereich als Rastmoment wirksam werden, sind verschiedenste Maßnahmen bekannt, bei denen stets nachteilig eine Verminderung des mittleren Antriebsmoments in Kauf genommen werden muss. So wird unter anderem vorgeschlagen, die Nuten am Stator schräg oder versetzt auszuführen (DE19652796A1), die Permanentmagneten für das Erregerfeld unregelmäßig anzuordnen (DE4 33723A1), sowie am Rotor im Bereich der eingebetteten Magneten Abflachungen vorzusehen (JP2000152534A), um dort den Luftspalt zu vergrößern. Derartige Maßnahmen sind nicht nur bei Synchronmaschinen mit Rotoren, sondern auch bei anderen elektrischen Maschinen, insbesondere Linearantrieben mit Aktoren, bekannt. Gerade bei Abflachungen und der damit einhergehenden Vergröße- rung des Luftspalts kommt es aber zur Schwächung des Erregerfelds, was abweichend von rechteckförmigen Erregerfeldverläufen auf negative Weise reduzierte Antriebsmomente verursachen kann.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ausgehend vom eingangs geschilderten Stand der Technik, ein Verfahren zu schaffen, bei dem ohne eine Schwächung des mittleren Moments des Motors ein Nutrasten verringert werden kann. Außerdem soll das Verfahren schnell und einfach anwendbar sein.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens dadurch, dass zum Reduzieren des Rastmoments für das Erregerfeld eine Auswahl wenigstens einer harmonischen Welle, von den zur Grundwelle bezogenen harmonischen Wellen, getroffen wird, die bei Überlagerung mit der Grundwelle zu einer wenigstens teilweisen Reduktion des Rastmoments führt, und die ausgewählte Welle oder ausgewählten Wellen mit der Grundwelle überlagert wird bzw. werden.
Wird zum Reduzieren des Rastmoments für das Erregerfeld eine Auswahl wenigstens einer harmonischen Welle, von den zur Grundwelle bezogenen harmonischen Wellen, getroffen, die bei Überlagerung mit der Grundwelle zu einer wenigstens teilweisen Reduktion des Rastmoments führt, dann kann zunächst eine einfache Verfahrensvorschrift vorgegeben werden, anhand der auf ein Rastmoment einer elektrischen Maschine eingewirkt werden kann, ohne dass damit zwangsweise eine Verringerung des mittleren Antriebsmoments des Motors in Kauf genommen werden muss, wenn die ausgewählte Welle oder ausgewählten Wellen mit der Grundwelle überlagert wird bzw. werden. Zu diesem Zweck muss lediglich aus der harmonischen Welle oder den harmonischen Wellen solch eine Auswahl getroffen werden, anhand der auf die Anteilskomponente des Rastmoments vermindert eingewirkt werden kann, die der Grundwelle zuzurechnen ist. Damit kann nämlich diese Anteilskomponente reduziert werden, die zu einer besonderen Verringerung des Rastmoments bzw. des Gesamtrastmoments führen kann. Hierfür muss die Harmo- nische bzw. die Modulation von einzelnen Harmonischen lediglich eine Anteilskomponente aufweisen, die in der Frequenz mit der Anteilskomponente des Rastmoments der Grundwelle übereinstimmt, so dass eine bestehende Gegenphasigkeit genützt werden kann, die Anteilskomponenten des Rastmoments der Grundwelle zu verringern. Um zu vermeiden, dass nun die Harmonische bzw. die harmonische Welle oder Harmonischen auch Einfluss auf die induzierte Spannung hat bzw. haben, wird weiter vorgeschlagen, dass die Topologie der Synchronmaschine die Bedingung erfüllen muss, nämlich dass der größte gemeinsame Teiler der Nutanzahl (Ns) und Polpaaranzahl (pz) gleich Nutanzahl (Ns) durch m ist (ggT(Ns,pz)=Ns/m). Es hat sich nämlich gezeigt, dass bei Erfüllung dieser Bedingung und einer konzentrierten Wicklungsausführung ein Abbild der auf die Grundwelle modulierten Harmonischen in der induzierten Spannung vermieden werden kann, wenn solch eine Harmonische gewählt wird, deren Wicklungsfaktor verschwindend gering, insbesondere null, ist. Es braucht nicht weiter erwähnt zu werden, dass das Erregerfeld durch andere Wellen geprägt werden kann, insbesondere durch Nutungseffekte, Exzentrizitäten, Toleranzen und so weiter. Entscheidend für die Reduktion des Rastmoments ist, dass wenigstens eine Überlagerung mit mindestens einer ausgewählten harmonischen Welle und der Grundwelle durchgeführt wird.
Vereinfachte Verfahrensbedingungen können weiter geschaffen werden, wenn die Grundwelle mit mindestens einer ausgewählten harmonischen Welle überlagert wird, welche harmonische Welle bzw. harmonischen Wellen eine Anteilskomponente des Nutrastmoments gleicher Ordnung zur von der Grundwelle erzeugten anderen Anteilskomponente des Nutrastmoments erzeugt bzw. erzeugen. Bestehen nämlich Harmonische mit gleicher Ordnung und/oder im Wesentlichen gegenläufiger Phasenlage in deren Anteilskomponente zur Anteilskomponente der Grundwelle, was beispielsweise aufgrund der Motortopologie der Fall sein kann, so kann ohne besondere Modulationsmaßnahmen auf das Rastmoment Einfluss genommen werden, indem diese Welle zur Überlagerung mit der Grundwelle herangezogen wird. Auf das Rastmoment kann weiter Einfluss genommen werden, wenn die Grundwelle mit mindestens einer ausgewählten harmonischen Welle überlagert wird, wobei mindestens eine Überlagerung von Grundwelle und ausgewählter harmonischer Welle bzw. harmonischen Wellen eine Anteilskomponente des Nutrastmoments gleicher Ordnung zur von der Grundwelle erzeugten anderen Anteilskomponente erzeugt. Es kann nämlich sowohl jede magnetische Welle für sich, als auch die Überlagerung unterschiedlicher magnetischer Wellen ein Nutrastmoment ausbilden.
Vorstehende Tabelle zeigt ein Beispiel, bei dem die Grundwelle für sich ein Nutrastmoment der Ordnung ni ausbildet. Durch das Hinzufügen einer geeigneten Oberwelle der auf die Grundwelle bezogenen Oberwellen kann auch durch die Überlagerung von Grund- und Oberwelle ein Nutrastmoment der Ordnung Π3 ausgebildet werden. Es kann nun durch geeignete Auswahl von Oberwelle(n) erreicht werden, dass mindestens durch eine Überlagerung aus Oberwelle und Grundwelle eine Nutrastkomponente erzeugt wird, die die gleiche Ordnung wie die Anteilskomponente, die durch die Grundwelle allein erzeugt wird, aufweist. Das bedeutet für das Beispiel, dass ni = n3 gilt. Bei im Wesentlichen gegenläufiger Phasenlage der beiden Anteilskomponenten kann dies zu einer Rastmomentreduktion führen.
Um eine besondere Reduktion des Rastmoments ermöglichen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Amplitude und/oder der Phasenwinkel der Grundwelle und mindestens einer ausgewählten harmonischen Welle oder den ausgewählten harmonischen Wellen zueinander eingestellt werden. Vorzugsweise wird die Amplitude der Harmonischen gegenüber der Amplitude der Grundwelle eingestellt bzw. die Amplitude der Harmonischen wird derart gewählt, dass sich damit das Rastmoment verringert. Außerdem kann über dieses Einstellen auf einfache Weise Einfluss auf ein erreichbares mittleres Moment der Synchronmaschine genommen werden, um damit beispielsweise eine Verringerung zu vermeiden. Außerdem kann die Phasen- Verschiebung der Anteilskomponente des Nutrastmoments der ausgewählten Harmonischen zur Phase der Anteilskomponente des Nutrastmoments der Grundwelle beispielsweise auf einen Wert zwischen 90° und 270°, vorzugsweise auf 180°, eingestellt werden.
Weist mindestens eine Welle der ausgewählten Wellen einen kleineren Wicklungsfaktor als die Grundwelle auf, dann kann ein Einfluss der Überlagerung von Harmonischer und Grundwelle auf die induzierte Spannung gering gehalten werden. Insbesondere können damit besonders laufruhige elektrische Maschinen geschaffen werden, wenn der Wicklungsfaktor kleiner gleich 0,25, vorzugsweise 0, ist.
Um auf das mittlere Moment der Synchronmaschine besonders Einfluss nehmen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Überlagerung der Grundwelle mit mindestens einer Welle der ausgewählten harmonischen Wellen ein Erregerfeld mit einer Amplitude kleiner gleich der Amplitude der Grundwelle erzeugt. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann dadurch selbst bei vermindertem Rastmoment ein gleich bleibendes mittleres Moment - teilweise sogar ein erhöhtes Moment - ermöglicht werden. Aus dem Stand der Technik bekannte Verluste sind nämlich durch vergrößerte Parameter am Erregerfeld auf einfache Weise ausgleichbar, was gegenüber dem Stand der Technik trotz einem reduzierten Nutrasten unverändert hohe mittlere Momente gewährleisten kann.
Insbesondere hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Grundwelle mit mindestens einer harmonischen Welle ungerader Ordnungszahl, insbesondere der harmonischen Welle dritter Ordnung, überlagert wird. Überraschend konnte nämlich insbesondere festgestellt werden, dass gerade die dritte harmonische Welle ideal zur Verringerung des Rastmoments verwendet werden kann, weil diese Harmonische einerseits häufig eine Anteilskomponente gleicher Ordnung verglichen mit der Anteilskomponente der Grundwelle am Nutrasten erzeugt, andererseits häufig auch keinen Einfluss auf die induzierte Spannung der Maschine zeigte, und damit bei der Berechnung der Synchronmaschine nicht weiter berücksichtigt werden muss. Weist mindestens eine ausgewählte harmonische Welle (14) im Toleranzbereich von +/- einer Viertelperiode bezogen auf die jeweilige harmonische Welle (14) gegenüber dem Nulldurchgang der Grundwelle (15) mindestens einen benachbarten Nulldurchgang (34), insbesondere mindestens eine ausgewählte harmonische Welle mindestens einen mit der Grundwelle (15) gemeinsamen Nulldurchgang (34), auf, dann können die Rastmomentanteile verbessert genützt werden, um ein besonders reduziertes Gesamtrastmoment zu ermöglichen.
Vereinfachte Verfahrensbedingungen können sich weiter ergeben, wenn die Amplitude der Grundwelle kleiner gleich 127% der Amplitude des Erregerfelds eingestellt wird. Diese Bereichsgrenze konnte durch Versuche bestätigt werden, indem sich bei höher gelegenen Amplitudenwerten eine nachteilige Einflussnahme auf das Drehverhalten des Rotors der elektrischen Maschine einstellte. Anhand der Obergrenze von 127% ist somit eine einfache Verfahrensregel gegeben, anhand der ein Nutrasten einer elektrischen Maschine, insbesondere Synchronmaschine, verringert werden kann.
Auf einfache Weise kann die Überlagerung von Grundwelle und ausgewählter harmonischer Weller zumindest über eine Teilstrecke mit Hilfe des Verlaufs wenigstens einer der zueinander zugewandten Stator- und Rotor-/Aktorg renzflächen ausgebildet werden. Beispielsweise kann bei Rotoren mit oberflächenmontierten Magneten die Grenzfläche der Permanentmagneten entsprechend dem gewünschten Erregerfeldverlauf konstruiert werden. Bei Rotoren mit eingebetteten Magneten kann beispielsweise die dem Stator zugewandte Grenzfläche entsprechend dem gewünschten Erregerfeldverlauf ausgebildet werden.
Ein derartiges Erregerfeld kann aber auch erzeugt werden, indem dies mit Hilfe einer örtlichen Verteilung und/oder des örtlichen Verlaufs der Magnetisierungsrichtung und/oder des örtlichen Verlaufs der Magnetisierungsstärke von permanentmagnetischen Werkstoffen ausgebildet wird. Beispielsweise können hierfür Permanentmagneten verwendet und mit deren örtlichen Verteilung bzw. deren örtlich unterschiedlichen Magnetisierung das Erregerfeld entsprechend ausgebildet werden. Die Erfindung hat sich außerdem die Aufgabe gestellt, eine elektrische Maschine der eingangs geschilderten Art derart auf konstruktive Weise zu verändern, dass trotz eines hohen mittleren Moments lediglich mit geringem Nutrasten zu rechnen ist, insbesondere ein Nutrasten ausgelöscht werden kann.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung dadurch, dass die Konstruktion des Rotors/Aktors und/oder Stators entsprechend einer Erzeugung eines Erregerfelds, aufweisend eine Überlagerung der Grundwelle mit mindestens einer, aus den auf die Grundwelle bezogenen harmonischen Wellen ausgewählten harmonischen Welle, die bei Überlagerung mit der Grundwelle zu einer wenigstens teilweisen Reduktion des Rastmoments führt, ausgebildet ist.
Ist die Konstruktion des Rotors/Aktors und/oder Stators entsprechend einer Erzeugung eines Erregerfelds, aufweisend eine Überlagerung der Grundwelle mit mindestens einer aus den auf die Grundwelle bezogenen harmonischen Wellen ausgewählten harmonischen Welle, die bei Überlagerung mit der Grundwelle zu einer wenigstens teilweisen Reduktion des Rastmoments führt, ausgebildet, dann kann eine besonders laufruhige elektrische Maschine geschaffen werden. Das Rastmoment solch einer Maschine kann nämlich vergleichsweise gering ausfallen, ohne dass mit einer derartigen Konstruktion mit einer Reduktion des mittleren Moments der Maschine gerechnet werden muss. Damit kann außerdem eine kostengünstig herstellbare und standfeste Maschine geschaffen werden.
Weist das Erregerfeld eine Abhängigkeit von einer konstruktiven Ausbildung wenigstens einer Grenzfläche, insbesondere von spaltseitigen permanentmagnetischen und/oder ferromag netischen Werkstoffen, auf, dann kann auf einfache Weise eine Konstruktion zur Ausbildung eines Erregerfelds geschaffen werden. Derartige Grenzflächen können sich beispielsweise zwischen Luft und Material bzw. selbst zwischen den aufeinander folgenden Materialien ausbilden. Auf konstruktiv einfache Weise kann auch ein Erregerfeld geschaffen werden, was eine Abhängigkeit von mindestens einer örtlichen Verteilung wenigstens eines Werkstoffs und/oder mindestens einer örtlichen Verteilung wenigstens einer Werkstoffeigenschaft aufweist.
Die Konstruktion kann noch weiter vereinfacht werden, wenn die örtliche Verteilung der magnetischen Werkstoffeigenschaften zumindest in Teilbereichen eine homogene oder in Richtung und/oder Amplitude örtlich unterschiedlich verteilte Magnetisierung aufweist. Damit kann nämlich auf einfache Weise ein Erregerfeld erzeugt werden, auf dessen Grundlage mit einem verminderten Rastmoment gerechnet werden kann.
Eine derartige Verminderung kann auch auf konstruktiv einfache Weise ermöglicht werden, indem der Rotor/Aktor und/oder Stator zumindest eine Sättigungszone, insbesondere in Form von Sättigungsstegen zum Beispiel bei eingebetteten Permanentmagneten, aufweist.
Entspricht die Amplitude mindestens einer der ausgewählten harmonischen Wellen dem Betrag mit einer eventuellen Schwankungsbreite von bis zu +25 bis -25 Prozent, vorzugsweise von bis zu +10 bis -10 Prozent, der maximalen Amplitude des Erregerfelds, um den die Amplitude der Grundwelle gegenüber der maximalen Amplitude des Erregerfelds erhöht ist, dann kann mit einem verminderten Rastmoment gerechnet werden. Es können sich nämlich dadurch die Anteilskomponenten der Wellen an dem Rastmoment vorteilhaft kompensieren.
Folgt bei einem im Wesentlichen radialen Austritt des Luftspaltfelds, insbesondere bei ferromagnetischer Polschuhgestaltung und/oder permanentmagnetischer Polschuhgestaltung, die Höhe H(phi) der Polausbildung im Wesentlichen proportional dem Verlauf der Amplitude des Erregerfelds, dann kann auf einfache Weise ein Nutrasten bei derartigen elektrischen Maschinen vermindert werden. Im Allgemeinen wird erwähnt, dass man bei elektrischen Maschinen den Verlauf der Kontur der Grenzfläche in einem weiten Bereich anhand einer Funktion H(phi) durch die Formel einstellen kann:
H (phi) = c(phi) + p * [a{ * sin( phi + alpha , ) + ^ {an * sin( n * (phi + alpha n ))}]
«
c(phi) Offset;
p ein Proportionalitätsfaktor, mithilfe dessen der Term in der rechteckigen
Klammer auf einen Maximalwert von 1 normiert wird;
ai die Amplitude der Grundwelle;
an die Amplitude der ausgewählten n-ten Harmonischen;
alphai der Verschiebungswinkel der Grundwelle;
alphan der Verschiebungswinkel der ausgewählten n-ten Harmonischen;
phi der elektrischen Winkel;
Insbesondere kann bei Auswahl der dritten Harmonischen a1 und a3 so eingestellt werden, dass a1 gegenüber dem Wert 1 um einen Betrag x erhöht wird und a3 den Wert von x aufweist. Vorteilhaft kann dieser Betrag x kleiner gleich 0,47 gewählt werden. Weiters können vereinfachte Verfahrensbedingungen geschaffen werden, indem der Offset c(phi) winkelunabhängig gemacht wird, im Besonderen wenn der Offset c(phi) zum Beispiel bei Permanentmagneten zu Null gesetzt wird.
Im Gegensatz dazu kann im Falle, dass das Luftspaltfeld im Wesentlichen nicht radial austritt, insbesondere bei permanentmagnetischer Polschuhgestaltung mit im Wesentlichen nicht radialer Magnetisierung, die Höhe H(phi) der Polausbildung im Wesentlichen proportional dem Verlauf der winkelabhängigen Amplitude des Errger- felds mit einer winkelabhängigen Verlaufskorrektur folgen, wodurch auch damit auf einfache Weise ein Nutrasten reduziert werden kann. Eine Verlaufskorrektur kann beispielsweise konstruktiv gelöst werden, indem der Verlauf der Kontur der Grenzfläche, der bei im Wesentlichen radialem Austritt des Magnetfelds aus den zueinander zugewandten Grenzflächen üblicherweise durch H(phi) beschrieben werden kann, durch L(phi) ausgedrückt werden kann: L(phi) = H(phi)/Korrektur(phimech);
Phimech stellt den mechanischen Winkel dar, dieser ist für die Gestaltung eines jeden Polschuhs immer für die Polmitte auf 0 zu setzen;
Korrektur(phimech) = 1/cos(phimech);
Um ein Toleranzband zu berücksichtigen, wird vorgeschlagen, dass die winkelabhängige Kontur K(phi) der Polausbildung der Höhe H(phi) oder der Höhe H(phi) mit winkelabhängiger Verlaufskorrektur mit einer Schwankungsbreite von bis zu +25 bis -25 Prozent, vorzugsweise von bis zu +10 bis -10 Prozent, bezogen auf den Maximalwert von Höhe H(phi) oder von Höhe H(phi) mit winkelabhängiger Verlaufskorrektur, folgt.
Im Allgemeinen wird weiter erwähnt, dass bei Maschinen die Periodizität des Nutrastmoments bezüglich der der Leistungsübertragung dienlichen Bewegung, hervorgerufen durch eine beliebige, einzelne harmonische Welle, von den zur Grundwelle bezogenen harmonischen Wellen, mithilfe folgender Formel berechnet werden kann:
Dabei bezeichnet nc die Periodizität des Nutrastens bezogen auf die Periodizität der Grundwelle, beide Periodizitäten bezogen auf die der Leistungsübertragung dienlichen Bewegung,
Ns die Anzahl der Statornuten,
pz die Polpaarzahl des Erregerteils und
nm die auf die Periodizität des Verlaufs der Grundwelle bezogene Periodizität der betrachteten harmonischen Welle. Beispielsweise wäre für die Betrachtung der Grundwelle nm gleich 1 und für die Betrachtung der auf die Grundwelle bezogenen dritten Oberwelle nm gleich 3 zu setzen.
Daraus ergeben sich für unterschiedliche Anzahl an Statornuten Ns und Polpaarzahlen p2 folgende Periodizitäten des Nutrastmoments:
Die vorstehend angeführte Tabelle dient als Beispiel für ausgewählte Wellen des Magnetfelds ausgewählter Nut-/Polpaarzahlkombinationen. Diese Tabelle beinhaltet nicht die zuvor angeführten Überlagerungen von Wellen mit unterschiedlichen Ordnungszahlen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In den Figuren ist der Erfindungsgegenstand anhand von Ausführungsbeispielen beispielsweise dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine Schnittansicht auf eine Synchronmaschine nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 einen vergrößerter Ausschnitt der Schnittansicht der Fig. 1 ,
Fig. 3 eine Schnittansicht auf eine erfindungsgemäße Synchronmaschine,
Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt der Schnittansicht der Fig. 3,
Fig. 5a und 5b eine Darstellung zum Verlauf von Erregerfeldern, Fig. 6 Momentenverläufe der Synchronmaschinen nach den Figuren 1 und 3, Fig. 7a, 7b und 7c eine vergrößerte Schnittansicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit reduziertem Rastmoment,
Fig. 8 eine alternative Ausgestaltung eines Zahns des Stators nach Fig. 1 ,
Fig. 9 und 10 unterschiedliche Magnetisierung von Permanentmagneten und Fig. 11 eine Darstellung zu einer eine Schwankungsbreite aufweisenden Polausbildung H(phi).
Wege zur Ausführung der Erfindung
Nach Fig. 1 wird eine Schnittansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten und nur teilweise dargestellten Synchronmaschine 1 gezeigt, die einen Rotor 2 und einen durch einen Spalt 3 bzw. Luftspalt 3 beabstandeten Stator 4 aufweist. In den Nuten 5 des Stators 4 sind wechselstromführende Wicklungen 6, 6', 6" etc. als Ankerwicklung vorgesehen, die ein nicht näher dargestelltes Drehfeld erzeugen. Der Rotor 2 weist Permanentmagneten 8 auf, die im Rotor 2 eingebettet vorgesehen sind. Wie insbesondere der Fig. 2 entnommen werden kann, ist zwischen Rotor 2 und Stator 4 ein in radialer Richtung verlaufender Luftspalt 3 mit konstanter Breite vorgesehen, lediglich im Bereich der Nuten 5 kommt es durch die Nuten 5 zu Veränderungen der Breite des Luftspalts 3. Die eingebetteten Permanentmagneten 8 sind derart ausgelegt, dass diese ein nach Fig. 5a gezeigtes idealisiert dargestelltes rechteckförmiges Erregerfeld 9 erzeugen können. In der Fourierzerlegung weist dieses Erregerfeld 9 eine Grundwelle 10 und mehrere harmonische Wellen 11 , 12, etc. auf, wobei davon der Einfachheit halber lediglich die dritte Harmonische 11 und die fünfte Harmonische 12 dargestellt worden ist. Andere Erregerfelder 9 sind vorstellbar, beispielsweise sinusförmig verlaufende, wie dies oftmals zur Reduktion des Rastmoments vorgeschlagen wird. Rechteckförmige Erregerfelder 9 haben jedoch gegenüber anderen Erregerfeldern den Vorteil, damit ein hohes mittleres Moment erzeugen zu können, so dass diese in der Ausgestaltung der Motortopologie von Synchronmaschinen 1 häufig berücksichtigt werden. Betrachtet man nun Grundwelle 10 und die Harmonischen 11 , 12 im Hinblick auf deren Einflüsse auf das Rastmoment, so erkennt man, dass jede dieser Wellen 10, 11 , 12 zu einer Anteilskom- ponente am gesamten Rastmoment führt, wobei diese Anteilskomponenten von der Motortopologie ebenso geprägt werden.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, das Rastmoment zu reduzieren, indem besonderes Augenmerk auf diese Anteilskomponenten 11 , 12 etc. gelegt wird. So wird die Überlagerung von Grundwelle 10 und wenigstens einer harmonischen Welle 11 dazu verwendet, das Rastmoment zu reduzieren, obwohl gerade nach dem Stand der Technik diese bekannte Überlagerung zu erhöhtem Rastmoment führen kann. Es konnte nämlich die Erkenntnis erlangt werden, dass durch eine Auswahl einer Harmonischen bzw. von Harmonischen Einfluss auf das Rastmoment genommen werden kann. So ist der Figur 5b zu entnehmen, dass das Erregerfeld 13 gegenüber dem rechteckigen Erregerfeld 9 nach Fig. 5b verändert ausgeformt ist. Das Erregerfeld 13 wird nämlich durch eine Überlagerung von einer harmonischen Welle 14 und seiner Grundwelle 15 geschaffen. Diese Überlagerung (Modulation) führt zu einem Erregerfeld 13, das zwar in der Fläche kleiner als das Erregerfeld 9 nach Fig. 5a ist, das jedoch im Gegensatz zu diesem Erregerfeld 9 einen besonderen Einfluss auf das Rastmoment hat, wie dies der Fig. 6 entnommen werden kann. In dieser Fig. 6 sind die normierten Momentenverläufe 16 und 17 dargestellt, die sich auf Grundlage der beiden Erregerfelder 9 und 13 ergeben können. So ist eindeutig im Momenten-verlauf 16 eine Oberwelle zu erkennen, die sich gegenüber der Bezugslinie 18 ausformt. Erfindungsgemäß konnte im Momentenverlauf 17 eine Auslöschung dieser Oberwelle geschaffen werden, so dass sich ein Momentenverlauf 17 im Wesentlichen ohne Momentenschwankung aufgrund eines Rastmoments einstellt.
Das erfindungsgemäße Erregerfeld 13 kann beispielsweise durch eine Abflachung 19 am Rotor 20 der Synchronmaschine 21 ausgebildet werden, wie dies nach Fig. 3 und 4 dargestellt worden ist und sich damit von der nach Fig. 1 und 2 dargestellten Synchronmaschine unterscheidet. Diese Abflachung 19 vergrößert zwar den Luftspalt 3 zwischen Rotor 20 und Stator 4, was jedoch wie in Fig. 6 dargestellt keinen Einfluss auf das mittlere Moment der Maschine hat - im Gegenteil, durch die erfindungsgemäße Überlagerung von Grundwelle 15 und Harmonischen 14 wird das mittlere Moment sogar verbessert, was an Hand des zum Momentenverlauf 16 erhöhten Momentenverlaufs 17 nach Fig. 6 erkannt werden kann.
Vorteilhaft wird die Grundwelle mit wenigstens einer harmonischen Welle 14 überlagert, die eine Anteilskomponente des Nutrastmoments mit gleicher Ordnung zur von der Grundwelle erzeugten Anteilskomponente des Nutrastmoments erzeugt. Hierfür hat sich die dritte Harmonische 14 als vorteilhaft heraus gestellt. Die Anteilskomponente des Nutrastmoments der dritten Harmonischen 14 stimmt nämlich für die meisten Motortopologien mit der Anteilskomponente der Grundwelle 15 in der Ordnung überein, so dass einfache Verfahrensbedingungen geschaffen werden können.
Nach den Fig. 5a und 5b kann eine erhöhte Unterdrückung des Rastmoments erkannt werden, indem nämlich die Amplitude der Grundwelle 15 und der überlagerten harmonischen Welle 14 zueinander eingestellt werden. In diesem Fall ist die Amplitude der Harmonischen 14 der Fig. 5b verringert gegenüber der Amplitude der Harmonischen 11 nach Fig. 5a, was an dem Bezugszeichen 22 erkannt werden kann. Versuche zeigten dass eine Erhöhung der Grundwelle 15 von bis zu 18% als vorteilhaft zur Verringerung des Rastmoments verwendet werden kann.
Gemäß den Figuren 7a, 7b und 7c wird beispielsweise das erfindungsgemäße Verfahren zur Überlagerung von Grundwelle 15 und harmonischer Welle 14 unter Verwendung des Verlaufs der dem Stator zugewandten Seite des Rotors 2 bzw. der oberflächenmontierten Permanentmagneten 8', 8" und 8"' erläutert.
Zunächst wird auf Grundlage der mechanischen und konstruktiven Voraussetzungen die Topologie der Synchronmaschine festgelegt, wodurch beispielsweise aneinander anschließende Permanentmagneten 8' am Rotor 2 vorgesehen werden, wie dies in Fig. 7a dargestellt ist. Durch die aneinander anschließenden Permanentmagneten 8' soll ein nahezu rechteckiges Erregerfeld 9 für ein vergleichsweise hohes mittleres Moment erzeugt werden. Solch ein Erregerfeld 9 wurde beispielsweise bereits in Fig. 5a dargestellt. Andere Erregerfelder sind dadurch nicht ausgeschlossen.
Im nächsten Schritt wird nun die Grundwelle 10 aus diesem Erregerfeld 9 extrahiert, wie in Fig. 5a dargestellt.
Zur Veranschaulichung wird nach Fig. 7b eine Ausführung zur Erzeugung einer Grundwelle 10 dargestellt. Dafür sind die konstant über deren Magnetbereich radial magnetisierten Permanentmagneten 8", wie in Fig. 7b dargestellt, lediglich in deren Verlauf zu ändern und so am Rotor 2 vorzusehen. Der ursprüngliche Verlauf der Permanentmagneten 8' wurde in Fig. 7b und 7c zur besseren Veranschaulichung eingetragen.
Diese Ausführung nach Fig. 7b leidet jedoch selbst wie die Ausführung nach Fig. 7a an einem vergleichsweise hohen Rastmoment.
In einem weiteren Schritt wird nun wenigstens eine Harmonische 11 , 12 des Erregerfelds 9 bestimmt und auf seine Eignung zur Reduktion des Rastmoments überprüft, indem diese mit der Grundwelle 10 überlagert wird. Stimmen nämlich die Anteilskomponenten der Harmonischen 11 bzw. 12 und der Grundwelle 15 am Rastmoment derart überein, dass eine wenigstens teilweise gegenseitige Auslöschung ausgenutzt werden kann, so kann diese Harmonische 11 bzw. 12 zur Reduktion des Gesamtrastmoments herangezogen werden.
Das Ergebnis dieser Überlagerung von ausgewählter Harmonischer 1 und Grundwelle 10 kann beispielsweise in Fig. 5b erkannt werden. Grundwelle 15 und ausgewählte Harmonische 14 führen dann zu einem Erregerfeld 13. Dieses Erregerfeld 13 kann durch den Verlauf der Permanentmagneten 8"' nachgebildet werden, wie dies in Fig. 7c dargestellt wird. Hier ist eindeutig eine vergrößerte obere Abflachung 24 gegenüber dem nach der Fig. 7b dargestellten Verlauf der Permanentmagneten 8" bzw. seiner Abflachung 24 zu erkennen, wobei dieser Unterschied anhand des Bezugszeichens 25 verdeutlicht worden ist. Damit ist ein vergleichsweise einfach handhabbares Verfahren zur Reduktion eines Rastmoments bei Synchronmaschinen geschaffen.
Gemäß Fig. 8 wird eine alternative Ausgestaltung eines Zahns 26 des Stators 4 nach den Figuren 1 , 2, 3 und 4 dargestellt. Der Zahn 26 bildet auf seiner Grenzfläche 27 einen lippenförmigen Verlauf aus, anhand dessen ein Erregerfeld 13, wie beispielsweise nach Fig. 5b dargestellt, zur Reduktion des Rastmoments erzeugt werden kann.
Nach den Figuren 9 und 10 werden unterschiedliche Magnetisierungen von Permanentmagneten 28 und 29 dargestellt. So weist der Permanentmagnet 28 eine radiale Magnetisierung auf, wodurch im Wesentlichen radial aus der Grenzfläche 30 ein Luftspaltfeld 31 austritt. Um hier das Erregerfeld 13 zu erzeugen, folgt die Grenzfläche 30 der Kontur der Überlagerung von Grundwelle 15 und harmonischer Welle 14.
Im Gegensatz dazu wird nach Fig. 10 ein parallel magnetisierter Permanentmagnet 29 dargestellt, wodurch im Wesentlichen ein Luftspaltfeld 33 nicht-radial aus der Grenzfläche 32 austritt. Um auch in diesem Fall besonderes Erregerfeld 13 erzeugen zu können, muss zur Kontur der Überlagerung von Grundwelle 15 und harmonischer Welle 14 bzw. den harmonischen Wellen eine Verlaufskorrektur berücksichtigt werden.
Eine vorteilhafte Reduktion des Rastmoments kann, wie in Fig. 5b dargestellt, erreicht werden, wenn die harmonische Welle 14 mit der Grundwelle 15 einen gemeinsamen Nulldurchgang 34, sowie an deren Wendepunkten 34' ein Maximum in entgegen gesetzter Richtung aufweist.
Gemäß Fig. 1 wird eine Darstellung zu einer eine Schwankungsbreite 35 aufweisenden Polausbildung H(phi) gezeigt. So ist im Wesentlichen in Fig. 11 dargestellt, dass bei einem im Wesentlichen radialen Austritt des Luftspaltfelds 31 bei einer permanentmagnetischen Polschuhgestaltung die Höhe H(phi) der Polausbildung 30 im Wesentlichen proportional dem Verlauf der Amplitude des Erregerfelds 13 folgt. Ebenso ist dargestellt, dass die winkelabhängige Kontur K(phi) der Polausbildung 30 der Höhe H(phi) oder der Höhe H(phi) mit winkelabhängiger Verlaufskorrektur mit einer Schwankungsbreite 35 von bis zu +25 bis -25 Prozent, vorzugsweise von bis zu +10 bis -10 Prozent, bezogen auf den Maximalwert von Höhe H(phi) oder von Höhe H(phi) mit winkelabhängiger Verlaufskorrektur, folgt. So ist strichpunktiert mit K(phi) dargestellt, dass die Kontur K(phi) im rechten Bereich H(phi) abweichend, jedoch innerhalb der Schwankungsbreite 35 verläuft.
Außerdem entspricht nach Fig. 5b die Amplitude mindestens einer der ausgewählten harmonischen Wellen 14 dem Betrag x, um den die Amplitude 37 der Grundwelle 15 gegenüber der maximalen Amplitude 36 des Erregerfelds 13 erhöht ist. Eine Schwankung '38 ist hier angedeutet, wobei beim Betrag x eine Schwankung 38 von bis zu +25 bis -25 Prozent, vorzugsweise von bis zu +10 bis -10 Prozent, der maximalen Amplitude 36 des Erregerfelds 13 zugelassen wird, wobei in der Fig. 5b lediglich eine einseitige Schwankungsbreite 38 angedeutet worden ist.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :
1. Verfahren zur Reduktion eines Rastmoments einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, mit einem Rotor/Aktor, mit einem durch einen Spalt zum Rotor/Aktor beabstandeten Stator, mit mindestens einer am Stator und/oder am Rotor/Aktor vorgesehenen Ankerwicklung und mit einem am Stator und/oder am Rotor/Aktor vorgesehenen Erregerteil, der im Spalt ein Erregerfeld, aufweisend eine Grundwelle, erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass zum Reduzieren des Rastmoments für das Erregerfeld (13) eine Auswahl wenigstens einer harmonischen Welle (14), von den zur Grundwelle (15) bezogenen harmonischen Wellen (14), getroffen wird, die bei Überlagerung mit der Grundwelle (15) zu einer wenigstens teilweisen Reduktion des Rastmoments führt, und die ausgewählte Welle
(14) oder ausgewählten Wellen mit der Grundwelle (15) überlagert wird bzw. werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwelle
(15) mit mindestens einer ausgewählten harmonischen Welle (14) überlagert wird, welche harmonische Welle (14) bzw. harmonische Wellen (14) eine Anteilskomponente des Nutrastmoments gleicher Ordnung zur von der Grundwelle (15) erzeugten anderen Anteilskomponente des Nutrastmoments erzeugt bzw. erzeugen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwelle (15) mit mindestens einer ausgewählten harmonischen Welle (14) überlagert wird, wobei mindestens eine Überlagerung von Grundwelle (15) und ausgewählter harmonischer Welle (14) bzw. harmonischen Wellen (14) eine Anteilskomponente des Nutrastmoments gleicher Ordnung zur von der Grundwelle (15) erzeugten anderen Anteilskomponente erzeugt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduktion des Rastmoments die Amplitude und/oder der Phasenwinkel der Grundwelle (15) und mindestens einer ausgewählten harmonischen Welle (14) oder den ausgewählten harmonischen Wellen zueinander eingestellt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Welle (14) der ausgewählten harmonischen Wellen einen kleineren Wicklungsfaktor als die Grundwelle (15), insbesondere einen Wicklungsfaktor kleiner gleich 0,25, vorzugsweise 0, aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerung der Grundwelle (15) mit mindestens einer Welle (14) der ausgewählten harmonischen Wellen ein Erregerfeld (13) mit einer Amplitude kleiner gleich der Amplitude der Grundwelle (15) erzeugt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwelle (15) mit mindestens einer harmonischen Welle (14) ungerader Ordnungszahl, insbesondere der harmonischen Welle (14) dritter Ordnung, überlagert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine ausgewählte harmonische Welle (14) im Toleranzbereich von +/- einer Viertelperiode bezogen auf die jeweilige harmonische Welle (14) gegenüber dem Nulldurchgang der Grundwelle (15) mindestens einen benachbarten Nulldurchgang (34), insbesondere mindestens eine ausgewählte harmonische Welle mindestens einen mit der Grundwelle (15) gemeinsamen Nulldurchgang (34), aufweist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Grundwelle (15) kleiner gleich 127% der Amplitude des Erregerfelds (13) eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerung der Grundwelle (15) mit mindestens einer ausgewählten harmonischen Welle (14) zumindest über eine Teilstrecke mit Hilfe des Verlaufs wenigstens einer der zueinander zugewandten Stator- und Rotor-/Aktorgrenzflächen (27, 30, 32) ausgebildet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerung der Grundwelle (15) mit mindestens einer ausgewählten harmonischen Welle (14) mit Hilfe einer örtlichen Verteilung und/oder des örtlichen Verlaufs der Magnetisierungsrichtung und/oder des örtlichen Verlaufs der Magnetisierungsstärke von permanentmagnetischen Werkstoffen, insbesondere von Permanentmagneten (8), ausgebildet wird.
12. Elektrische Maschine, insbesondere Synchronmaschine, mit einem Rotor/Aktor, mit einem durch einen Spalt zum Rotor/Aktor beabstandeten Stator, mit mindestens einer am Stator und/oder Rotor/Aktor vorgesehenen Ankerwicklung und mit einem am Stator und/oder Rotor/Aktor vorgesehenen Erregerteil zum Erzeugen eines eine Grundwelle aufweisenden Erregerfelds im Spalt, wobei die Konstruktion des Rotors/Aktors und/oder Stators derart ausgebildet ist, dass es zu einer Reduktion des Rastmoments kommt, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstruktion des Rotors/Aktors (2) und/oder Stators (4) entsprechend einer Erzeugung eines Erregerfelds (13), aufweisend eine Überlagerung der Grundwelle (15) mit mindestens einer, aus den auf die Grundwelle (15) bezogenen harmonischen Wellen ausgewählten harmonischen Welle (14), die bei Überlagerung mit der Grundwelle (15) zu einer wenigstens teilweisen Reduktion des Rastmoments führt, ausgebildet ist.
13. Elektrische Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Erregerfeld (13) eine Abhängigkeit von einer konstruktiven Ausbildung wenigstens einer Grenzfläche (27, 30, 32), insbesondere von spaltseitigen permanentmagnetischen und/oder ferromagnetischen Werkstoffen, aufweist.
14. Elektrische Maschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Erregerfeld ( 3) eine Abhängigkeit von mindestens einer örtlichen Verteilung wenigstens eines Werkstoffs und/oder mindestens einer örtlichen Verteilung wenigstens einer Werkstoffeigenschaft aufweist.
15. Elektrische Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die örtliche Verteilung der magnetischen Werkstoffeigenschaften zumindest in Teilbereichen eine homogene oder in Richtung und/oder Amplitude örtlich unterschiedlich verteilte Magnetisierung aufweist.
16. Elektrische Maschine nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor/Aktor (2) und/oder Stator (4) zumindest eine Sättigungszone, insbesondere in Form von Sättigungsstegen zum Beispiel bei eingebetteten Permanentmagneten (8), aufweist.
17. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude mindestens einer der ausgewählten harmonischen Wellen (14) dem Betrag (x) mit einer eventuellen Schwankung (38) von bis zu +25 bis -25 Prozent, vorzugsweise von bis zu +10 bis -10 Prozent, der maximalen Amplitude (36) des Erregerfelds (13) entspricht, um den die Amplitude (37) der Grundwelle (15) gegenüber der maximalen Amplitude (37) des Erregerfelds (13) erhöht ist.
18. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem im Wesentlichen radialen Austritt des Luftspaltfelds (31), insbesondere bei ferromag netischer Polschuhgestaltung und/oder permanentmagnetischer Polschuhgestaltung, die Höhe H(phi) der Polausbildung (30) im Wesentlichen proportional dem Verlauf der Amplitude des Erregerfelds (13) folgt.
19. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 12 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem im Wesentlichen nicht radialen Austritt des Luftspaltfelds (31), insbesondere bei permanentmagnetischer Polschuhgestaltung mit im Wesentlichen nicht radialer Magnetisierung, die Höhe H(phi) der Polausbildung (32) im Wesentlichen proportional dem Verlauf der winkelabhängigen Amplitude des Erregerfelds (13) mit einer winkelabhängigen Verlaufskorrektur folgt.
20. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die winkelabhängige Kontur K(phi) der Polausbildung der Höhe H(phi) oder der Höhe H(phi) mit winkelabhängiger Verlaufskorrektur mit einer Schwankungsbreite (35) von bis zu +25 bis -25 Prozent, vorzugsweise von bis zu +10 bis -10 Prozent, bezogen auf den Maximalwert von Höhe H(phi) oder von Höhe H(phi) mit winkelabhängiger Verlaufskorrektur, folgt.
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