DE102010041600A1

DE102010041600A1 - Secondary part i.e. rotor, for use in permanently excited synchronous machine, has four poles with set of magnets having different masses, and non-magnetic material i.e. gap, positioned between magnets

Info

Publication number: DE102010041600A1
Application number: DE201010041600
Authority: DE
Inventors: Ulrich Hartmann; Axel Möhle
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-03-29

Abstract

Ein Sekundärteil (1) einer permanentmagneterregten Synchronmaschine weist Pole (3) auf, wobei die Pole (3) eine Vielzahl von Magneten (5, 6, 7, 8) aufweisen, wobei die Magnete (5, 6, 7, 8) eines Pols (3) unterschiedliche Maße (11, 12, 13, 14, 20, 21, 22) aufweisen.A secondary part (1) of a permanent magnet excited synchronous machine has poles (3), the poles (3) having a plurality of magnets (5, 6, 7, 8), the magnets (5, 6, 7, 8) of one pole (3) have different dimensions (11, 12, 13, 14, 20, 21, 22).

Description

Die Erfindung betrifft ein Sekundärteil für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, wobei das Sekundärteil Magnettaschen zur Aufnahme von Permanentmagneten aufweisen kann. Weiterhin betrifft die Erfindung eine permanentmagneterregte Synchronmaschine welche ein entsprechendes Sekundärteil aufweist. Das Sekundärteil stellt dabei den Rotor der elektrischen Maschine dar.The invention relates to a secondary part for a permanent magnet synchronous machine, wherein the secondary part can have magnetic pockets for receiving permanent magnets. Furthermore, the invention relates to a permanent magnet synchronous machine which has a corresponding secondary part. The secondary part represents the rotor of the electric machine.

Permanentmagneterregte elektrische Maschinen weisen im Wesentlichen ein Primärteil und ein Sekundärteil auf, welche durch einen Luftspalt voneinander beabstandet sind. Das Primärteil ist diejenige Komponente, welche eine bestrombare ein- oder mehrphasige Wicklung aufweist. Das Sekundärteil weist Permanentmagnete auf, welche die Erregerpole zur Bildung des magnetischen Erregerfeldes aufweisen.Permanent magnet excited electric machines essentially have a primary part and a secondary part, which are spaced apart by an air gap. The primary part is that component which has an energizable single- or multi-phase winding. The secondary part has permanent magnets, which have the exciter poles for forming the magnetic exciter field.

Bei rotatorisch ausgeführten Maschinen ist das Primärteil als Stator mit einer Wicklung und das Sekundärteil als Rotor mit Permanentmagneten ausgebildet. Stator und Rotor sind i. d. R. zur Reduktion von Wirbelstromverlusten mittels Blechpaketen, bestehend aus einer Vielzahl an einzelnen Elektroblechen, gebildet. Der Rotor ist beispielsweise auf eine Stahlwelle aufgepresst.In rotary machines, the primary part is designed as a stator with a winding and the secondary part as a rotor with permanent magnets. Stator and rotor are i. d. R. for the reduction of eddy current losses by means of laminated cores, consisting of a plurality of individual electrical steel sheets formed. The rotor is for example pressed onto a steel shaft.

Der Rotor weist Permanentmagnete auf, die entweder im Inneren des Rotors oder an der dem Stator zugewandten Oberfläche des Rotors angeordnet sind. Im Inneren des Rotors angeordnete Permanentmagnete werden auch als vergrabene Permanentmagnete bezeichnet.The rotor has permanent magnets which are arranged either in the interior of the rotor or on the stator-facing surface of the rotor. Permanent magnets arranged inside the rotor are also referred to as buried permanent magnets.

Sowohl vergrabene, als auch an der Oberfläche angeordnete Permanentmagnete müssen sicher dauerhaft fixiert werden, um die mechanischen Kräfte bei dynamischen und statischen Belastungen im Betrieb der elektrischen Maschine zu beherrschen und die Permanentmagnete vor Beschädigungen zu schützen. An der Oberfläche angebrachte Permanentmagnete werden beispielsweise durch Klebstoffe fixiert und durch Bandagenmaterial zusätzlich gesichert. Vergrabene Permanentmagnete werden in Vertiefungen, auch als Taschen bzw. Magnettaschen bezeichnet, welche das Rotorblechpaket aufweist, eingelassen oder eingeschoben, wobei anschließend in der Regel die für die Montage notwendigen Hohlräume durch ein Gießharz ausgefüllt werden. Beispielsweise werden dazu warm- oder kaltaushärtende Gießharzsysteme auf der Basis von Epoxid-, Polyurethan- oder Silikonharzen verwendet.Both buried as well as arranged on the surface permanent magnets must be securely fixed permanently to control the mechanical forces under dynamic and static loads during operation of the electrical machine and to protect the permanent magnets from damage. Permanent magnets attached to the surface are fixed, for example, by adhesives and additionally secured by bandage material. Buried permanent magnets are in depressions, also referred to as pockets or magnetic pockets, which has the rotor laminated core, inserted or inserted, which then usually required for the installation cavities are filled by a casting resin. For example, hot or cold curing casting resin systems based on epoxy, polyurethane or silicone resins are used for this purpose.

Bei permanentmagneterregten elektrischen Maschinen treten durch die dauernde Erregung des Feldes durch die Magnete (Permanentmagnete) im Stillstand der Maschine unter Umständen hohe Rastmomente auf. Ferner beeinflusst die Feldkurvenform auch das Betriebsverhalten bei drehender Maschine (Pendelmomente, Spannungsharmonische, usw.). Durch geeignete Gestaltung der Magnete und der Magnetanordnung können diese Effekte vermindert werden.In permanent magnet-excited electrical machines occur by the constant excitation of the field by the magnets (permanent magnets) at standstill of the machine may have high cogging torques. Furthermore, the field curve shape also influences the operating behavior when the machine is rotating (pendulum moments, voltage harmonics, etc.). By suitable design of the magnets and the magnet arrangement, these effects can be reduced.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es durch geeignete Gestaltung der Magnete und der Magnetanordnung die beschriebenen negativen Effekte zu vermindern.An object of the present invention is to reduce the negative effects described by suitable design of the magnets and the magnet assembly.

Die Aufgabe kann durch Merkmale der Patentansprüche 1 bis 6 gelöst werden.The object can be achieved by features of claims 1 to 6.

In Sekundärteilen von permanenterregten Synchronmaschinen können zur Ausbildung der Magnetpole rechteckförmige Magnete eingesetzt werden, wobei pro Pol eine Vielzahl von Magneten verwendet werden. Rechteckförmige Magnete sind kostgünstig zu fertigen.In secondary parts of permanent magnet synchronous machines rectangular magnets can be used to form the magnetic poles, wherein a plurality of magnets are used per pole. Rectangular magnets are inexpensive to manufacture.

Rechteckförmige Magnete habe für sich alleine ein ungünstiges Feldspektrum für die Ausbildung eines Pols des Sekundärteils. Wird für einen Pol ein Magnet verwendet, können Maßnahmen wie z. B. Schrägung oder ein Versatz der Magnete von Pol zu Pol zu einer Verbesserung des Feldspektrums führen. Hieraus resultiert dann ein besseres Betriebsverhalten der elektrischen Maschine. Eine Schrägung oder ein ungünstiger. Versatz kann dazu führen, dass das nutzbare Grundfeld vermindert wird und damit die Ausnutzung der Maschine verschlechtert ist.Rectangular magnets alone have an unfavorable field spectrum for the formation of a pole of the secondary part. If a magnet is used for a pole, measures such. As skew or offset of the magnets from pole to pole lead to an improvement of the field spectrum. This results in a better operating behavior of the electrical machine. A skew or an unfavorable one. Offset can cause the usable basic field is reduced and thus the utilization of the machine is deteriorated.

Alternativ dazu kann von der Rechteckform der Magnete abgewichen werden und die Kontur der Magnete so gestaltet werden, dass ein besseres Feldspektrum bei gleichzeitigem höherem Grundfeld entsteht. Beispielsweise ist eine sinusförmige Magnetkontur denkbar. Allerdings ist eine solche Kontur bedingt durch das Fertigungsverfahren für Permanentmagnete durch Schleifen zu erzeugen, da Permanentmagnete während der Fertigung vorzugsweise in rechteckige Formen gepresst werden. Das Beschleifen ist daher fertigungstechnisch aufwendig und durch den Materialverschnitt teuer.Alternatively, deviating from the rectangular shape of the magnets and the contour of the magnets are designed so that a better field spectrum arises at the same time higher ground. For example, a sinusoidal magnetic contour is conceivable. However, such a contour is due to the manufacturing process for permanent magnets to produce by grinding, since permanent magnets are preferably pressed during manufacture in rectangular shapes. The grinding is therefore expensive to manufacture and expensive due to the material waste.

Ein Optimiertes Magnetdesign kann zur Minimierung der Rastmomente und der Feldharmonischen beitragen. Zur Optimierung können sowohl die Größe rechteckförmiger Magnete wie auch deren Positionierung zueinander einen Beitrag leisten.Optimized magnet design can help minimize cogging moments and field harmonics. To optimize both the size of rectangular magnets as well as their positioning to each other make a contribution.

In einer Ausgestaltung des Sekundärteils der permanentmagneterregten Synchronmaschine weist das Sekundärteil Pole auf, wobei die Pole eine Vielzahl von Magneten aufweisen, wobei die Magnete eines Pols unterschiedliche Maße aufweisen. Die Magnete eines Pols weisen vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt auf. Durch den Querschnitt sind eine Breite und ein Höhe des jeweiligen Magneten gegeben. Die Höhe betrifft dabei ein Maß, welches in etwa in einer radialen Richtung des Rotors verläuft. Die Breite betrifft dabei ein Maß, welches in etwa in einer tangentialen Richtung des Rotors verläuft.In one embodiment of the secondary part of the permanent magnet synchronous machine, the secondary part has poles, wherein the poles have a plurality of magnets, wherein the magnets of a pole have different dimensions. The magnets of a pole preferably have a rectangular cross-section. By the cross section are given a width and a height of the respective magnet. The height relates to a measure which runs approximately in a radial direction of the rotor. The width relates to a measure which runs approximately in a tangential direction of the rotor.

In einer Ausgestaltung des Sekundärteils ist das unterschiedliche Maß der Magnete eines Pols deren Breite.In one embodiment of the secondary part is the different degree of the magnets of a pole whose width.

In einer weiteren Ausgestaltung des Sekundärteils ist das unterschiedliche Maß der Magnete eines Pols deren Höhe.In a further embodiment of the secondary part is the different degree of the magnets of a pole whose height.

In einer weiteren Ausgestaltung des Sekundärteils sind sowohl die Breite wie auch die Höhe unterschiedlicher Magnete eines Pols unterschiedlich.In a further embodiment of the secondary part, both the width and the height of different magnets of a pole are different.

In einer Ausgestaltung des Sekundärteils befinden sich zwischen den Magneten eines Pols Lücken. Diese Lücken sind beispielsweise mit einem unmagnetischen Material gefüllt. Die Höhe und/oder die Breite der Lücken zwischen einzelnen Magneten eines Pols können dabei auch unterschiedlich sein.In one embodiment of the secondary part, there are gaps between the magnets of a pole. These gaps are filled, for example, with a non-magnetic material. The height and / or the width of the gaps between individual magnets of a pole can also be different.

In einer weiteren Ausgestaltung des Sekundärteils weist dieses zwischen Magneten eines Pols sowohl Lücken bzw. nichtmagnetischen Material auf, wie auch keine Lücken zwischen den Magneten. Magnete eines Pols, welche in einem Querschnitt des Sekundärteils nebeneinander positioniert sind können sich folglich auch unmittelbar kontaktieren.In a further embodiment of the secondary part, this has between magnets of a pole on both gaps or non-magnetic material, as well as no gaps between the magnets. Magnets of a pole, which are positioned next to one another in a cross section of the secondary part, can therefore also contact each other directly.

Durch die Positionierung, Gestalt und Größe der Permanentmagnete des Sekundärteils der elektrischen Maschine lässt sich ein vorteilhaftes Magnetfeld für die Pole des Sekundärteils erzeugen. Der Aufbau der Pole durch eine Vielzahl von Einzelmagneten ähnelt dabei einem Pulsmuster wie es aus der Stromrichtertechnik bekannt ist.The positioning, shape and size of the permanent magnets of the secondary part of the electric machine can be used to generate an advantageous magnetic field for the poles of the secondary part. The structure of the poles by a plurality of individual magnets is similar to a pulse pattern as it is known from the power converter technology.

Ähnlich wie bei Umrichtern wird der Magnet bzw. ein Pol als ”Pulsmuster” aufgebaut. D. h. in Umfangsrichtung des Rotors (Sekundärteils) werden unterschiedlich breite, rechteckförmige Magnetblöcke aneinander gereiht. Dadurch werden analog zur Umrichtertechnik das vom Magneten erzeugte Grundfeld verstärkt und die Oberfelder reduziert. Es wird ein ähnlicher Effekt wie beim Beschleifen von Magneten erzielt, in Bezug auf die Fertigungstechnik aber weiterhin mit rechteckförmigen Magneten gearbeitet, welche sich aufwandsarm herstellen lassen.Similar to converters, the magnet or a pole is constructed as a "pulse pattern". Ie. in the circumferential direction of the rotor (secondary part) different width, rectangular magnetic blocks are lined up. As a result, the basic field generated by the magnet is amplified and the upper fields are reduced analogously to the converter technology. There is a similar effect as when grinding of magnets achieved in terms of manufacturing technology but still worked with rectangular magnets, which can be produced with little effort.

Alternativ oder auch ergänzend kann um die zuvor geschilderten Effekte zu verstärken, neben der Breite der einzelnen Magnete auch deren Höhe variiert werden, was ebenfalls obig schon vorgeschlagen ist. Auch hier ergeben sich fertigungstechnisch keine Nachteile bei gleichzeitig verbesserten technischen Eigenschaften. Die Feldform im Luftspalt der Permanenterregten elektrischen Maschine wird optimiert, ohne dass ein fertigungstechnisch aufwendiges Beschleifen der Magnete erforderlich wäre.Alternatively or in addition, in order to enhance the previously described effects, in addition to the width of the individual magnets and their height can be varied, which is also already proposed above. Again, there are no manufacturing disadvantages in terms of improved technical properties. The field shape in the air gap of the permanent-magnet electric machine is optimized without a manufacturing-technically complicated grinding of the magnets would be required.

Der gesamte Pol bzw. ein Magnet wird aus einfach zu fertigenden, rechteckförmigen Teilmagneten zusammengesetzt. Dies kann beispielsweise durch Klebung erfolgen. Zwischen den Einzelmagneten befinden sich ggf. unmagnetische Füllstücke, welche mit verklebt werden können.The entire pole or a magnet is composed of easy-to-produce, rectangular part magnets. This can be done for example by gluing. Between the individual magnets are possibly non-magnetic filler pieces, which can be glued with.

Um die Feldform der Pole weiter zu beeinflussen kann in Ergänzung für Magnete eines Pols eine unterschiedlich starke Magnetisierung vorhanden sein.In order to further influence the field shape of the poles, a magnetization of different magnitudes may be present in addition to magnets of a pole.

Die Permanentmagnete können sowohl in einem bereits magnetisierten Zustand oder aber in einem unmagnetisierten Zustand in den Magnettaschen angeordnet werden. Werden unmagnetisierte Permanentmagnete angeordnet, so erfolgt die Magnetisierung der Magnete beispielsweise im Anschluss an die Fertigstellung des Sekundärteils.The permanent magnets can be arranged both in an already magnetized state or in an unmagnetized state in the magnetic pockets. If unmagnetized permanent magnets are arranged, then the magnetization of the magnets takes place, for example, following the completion of the secondary part.

Die permanenterregte Synchronmaschine weist neben dem Sekundärteil auch ein Primärteil auf. Das Primärteil weist beispielsweise eine ein- oder mehrphasigen Wicklung auf. Das Primärteil ist als Stator insbesondere zum Anschluss an ein Drehstromnetz mit einer dreiphasigen Wicklung ausgebildet. Das Sekundärteil ist als Rotor ausgebildet, wobei die Synchronmaschine insbesondere als Innenläufermaschine ausgebildet ist.The permanent-magnet synchronous machine also has a primary part in addition to the secondary part. The primary part has, for example, a single- or multi-phase winding. The primary part is designed as a stator, in particular for connection to a three-phase network with a three-phase winding. The secondary part is designed as a rotor, wherein the synchronous machine is designed in particular as an internal rotor machine.

In der nachfolgenden Beschreibung werden beispielhaft weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsvarianten näher erläutert. Dabei sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge auf alle Ausführungsbeispiele übertragbar. In den Zeichnungen zeigen:In the following description, further features and details of the invention will be explained in more detail by way of example in connection with the attached drawings with reference to variant embodiments. In this case, features and relationships described in individual variants can be applied to all exemplary embodiments. In the drawings show:

1 einen ersten Querschnitt eines Sekundärteils einer elektrischen Maschine; und 1 a first cross section of a secondary part of an electric machine; and

2 eine zweiten Querschnitt eines Sekundärteils einer elektrischen Maschine. 2 a second cross section of a secondary part of an electrical machine.

Die Darstellung gemäß 1 zeigt einen Querschnitt eines Sekundärteils 1 einer elektrischen Maschine. Das Sekundärteil 1 weist eine Welle 33 auf. Abgebildet sind vier Pole 3. Jeder Pol 3 weist eine Vielzahl von Einzelmagneten 5, 6, 7 und 8 auf. Die vier Pole sind bezüglich der Einzelmagneten 5, 6, 7 und 8 identisch aufgebaut, wobei die Pole 3 unterschiedliche Positionen im Sekundärteil einnehmen. Die Pole 3 weisen eine symmetrische Struktur in Bezug auf einen Zentralmagneten 5 auf. Die Magneten 5, 6, 7 und 8 weisen jeweils eine Höhe 20, 21 und 22 auf. Weiterhin haben die Magneten 5, 6, 7 und 8 jeweils eine Breite 11, 12, 13 und 14. Höhe und Breite unterschiedlicher Magnete 5, 6, 7 und 8 eines Pols 3 sind unterschiedlich. Zwischen den Magneten 5, 6, 7 und 8 befinden sich Lücken 30, welche mit einem nichtmagnetischen Material gefüllt sind. Wie aus der 1 ersichtlich ist, weisen die Pole 3 eine Treppenstruktur auf, wobei die Treppenstufen zum Luftspalt der elektrischen Maschine gerichtet sind.The representation according to 1 shows a cross section of a secondary part 1 an electric machine. The secondary part 1 has a wave 33 on. Pictured are four poles 3 , Every pole 3 has a variety of individual magnets 5 . 6 . 7 and 8th on. The four poles are with respect to the individual magnets 5 . 6 . 7 and 8th identically constructed, with the poles 3 occupy different positions in the abutment. The poles 3 have a symmetrical structure with respect to a central magnet 5 on. The magnets 5 . 6 . 7 and 8th each have a height 20 . 21 and 22 on. Continue to have the magnets 5 . 6 . 7 and 8th one width each 11 . 12 . 13 and 14 , Height and width of different magnets 5 . 6 . 7 and 8th of a pole 3 are different. Between the magnets 5 . 6 . 7 and 8th there are gaps 30 , which are filled with a non-magnetic material. Like from the 1 it can be seen, the poles point 3 a staircase structure, wherein the stairs are directed to the air gap of the electrical machine.

Die Darstellung gemäß 2 zeigt eine weitere Variante eines Sekundärteils. Im Vergleich zu der Variante gemäß 1 weisen die Pole 3 nach 2 keine Treppenstruktur auf. Die Einzelmagnete 5, 6, 7 und 8 weisen gleiche Höhen auf. Im Unterschied zu 1 sind die Magneten eines Pols im Querschnitt betrachtet stets voneinander beabstandet. Auch die Abstände zwischen den Magneten eines Pols 3 können in einer vorteilhaften Variation unterschiedlich groß sein. Hierdurch lässt sich in einfacher Weise das Magnetfeld eines Pols beeinflussen.The representation according to 2 shows a further variant of a secondary part. Compared to the variant according to 1 show the poles 3 to 2 no stair structure on. The individual magnets 5 . 6 . 7 and 8th have equal heights. In contrast to 1 the magnets of a pole are always spaced apart when viewed in cross-section. Also the distances between the magnets of a pole 3 may vary in size in an advantageous variation. As a result, the magnetic field of a pole can be influenced in a simple manner.

Claims

Secondary part ( 1 ) of a permanent magnet synchronous machine, wherein the secondary part ( 1 ) Pole ( 3 ), the poles ( 3 ) a variety of magnets ( 5 . 6 . 7 . 8th ), wherein the magnets ( 5 . 6 . 7 . 8th ) of a pole ( 3 ) different dimensions ( 11 . 12 . 13 . 14 . 20 . 21 . 22 ) exhibit.

Secondary part ( 1 ) according to claim 1, wherein the dimension is the width ( 11 . 12 . 13 . 14 ) of the magnet ( 5 . 6 . 7 . 8th ).

Secondary part ( 1 ) according to claim 1 or 2, wherein the dimension is the height ( 20 . 21 . 22 ) of the magnet ( 5 . 6 . 7 . 8th ).

Secondary part ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, wherein between the magnets ( 5 . 6 . 7 . 8th ) of a pole ( 3 ) non-magnetic material ( 30 ) is positioned.

Secondary part ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, wherein between a first number of magnets ( 5 . 6 . 7 . 8th ) of a pole ( 3 ) non-magnetic material ( 30 ) and wherein a second number of magnets directly adjoin one another.

Secondary part ( 1 ) according to any one of claims 1 to 5, wherein magnets ( 5 . 6 . 7 . 8th ) of a pole ( 3 ) are magnetized differently strong.