DE4030619A1

DE4030619A1 - MULTI-PHASE PERMANENT MAGNETIC ELECTRIC MACHINE SYNCHRONOUS DESIGN

Info

Publication number: DE4030619A1
Application number: DE4030619A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl Ing Dr Te Auinger
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1990-09-27
Filing date: 1990-09-27
Publication date: 1992-04-02
Also published as: WO1992006526A1

Abstract

The invention concerns a multi-phase permanent-magnet-excited synchronous electric motor with a stator winding powered via a current converter in such a way that, besides the magnetic flux (OM) generated by the permanent magnets, an additional flux component (reluctance flux OR) is generated by the current-conveying armature winding, so that the armature winding is interlinked with the vectorial sum of two flux components (OM and OR), in which motor the rotor has at least one section (M) fitted with permanent magnets and at least one section (R) of soft magnetic material. The efficiency and/or power of such a motor can be improved if the sections (M, R) are arranged in such a way that there is a common flux path for the magnetic flux (OM) of the permanent magnets and the additional flux component (reluctance flux OR) in the motor's stator and/or the sections (M, R) have their magnetic axes (d1, d2) mutually angularly displaced in the circumferential direction.

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrphasige permanentmagneterregte elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a multi-phase permanent magnet excited Electrical machine according to the preamble of claim 1.

Eine solche Maschine ist durch die DE-A-37 18 983 bekannt. Bei dieser Maschine ist der Läufer in mindestens zwei axial hinter einanderliegende Abschnitte unterteilt, von denen ein Abschnitt mit Permanentmagneten bestückt ist und der andere, einen Reluk tanzteil bildende Abschnitt aus weichmagnetischem Material steht. Durch einen solchen Reluktanzteil wird eine zusätzliche je nach Lage und Größe der Ankerlängsdurchflutung gleich oder gegensin nig zum Permanentmagnetfluß wirkender Flußanteil veränderbarer Amplitude erzeugt. Damit ist die bei einer Drehzahländerung einer solchen mit konstanter Spannung gespeisten Maschine not wendige Änderung des mit der Ankerwicklung verketteten Gesamt flusses, d. h. ein Feldschwächbetrieb, durch entsprechende Steue rung der Ankerlängsdurchflutung möglich. Durch den konstruktiven Aufbau dieser Maschine bedingt, treten bei der zum Erreichen von höheren Drehzahlen notwendigen Feldschwächung relativ hohe Ei senverluste im Ständer auf. Außerdem treten bei dieser Maschine mit eingeprägter gemeinsamer Ankerdurchflutung die Maxima im elektromagnetisch erzeugten Drehmoment (Kippmoment) im Perma nentmagnetteil und im Reluktanzteil bei unterschiedlichen Pol radwinkeln auf, wodurch sich ein entsprechend verringertes maxi mal nutzbares Drehmoment ergibt.Such a machine is known from DE-A-37 18 983. At This machine is axially behind the runner in at least two divided sections, one section of which is equipped with permanent magnets and the other, a reluk section forming the dance part made of soft magnetic material. With such a reluctance part, an additional one depends on Position and size of the longitudinal armature flow equal or opposite Nig to the permanent magnetic flux flux proportion changeable Amplitude generated. This is the change in speed such a machine fed with constant voltage agile change in the total chained to the armature winding river, d. H. a field weakening operation, through appropriate tax Anchoring of the longitudinal anchorage possible. Through the constructive Construction of this machine conditionally occur when reaching higher speeds necessary field weakening relatively high egg losses in the stand. Also kick in this machine with impressed common anchor flow the maxima in Electromagnetically generated torque (tilting moment) in the perma Magnetic part and in the reluctance part with different pole wheel angles, resulting in a correspondingly reduced maxi times usable torque.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß ihr Wirkungsgrad verbessert und ihr Leistungsvermögen erhöht ist. The invention has for its object a machine type described above so that their efficiency improved and their performance increased.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die im Kenn zeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale. Durch den gemein samen Flußpfad wird bei Feldschwächung eine Verminderung der magnetischen Flußdichte im gemeinsamen Flußpfad des Ständer eisens erreicht. Da die Eisenverluste etwa dem Quadrat der magnetischen Flußdichte proportional sind, ergibt sich hier durch eine sehr starke Reduzierung der Eisenverluste. Durch einen Winkelversatz der Achsen des Permanentmagnetteiles und des Reluktanzteiles können deckungsgleiche Kippmomente erreicht werden. Gegenüber dem Stand der Technik führt dies bei unverän derter elektro-magnetischer Beanspruchung zu einem höheren Nutz drehmoment der Maschine. Bei gleichzeitiger Anwendung beider Maßnahmen wird sowohl ein besserer Wirkungsgrad als auch ein höheres Nutzdrehmoment erzielt.The task is solved by the in the Kenn Character of claim 1 specified features. By the mean If the field is weakened, the same river path will reduce the magnetic flux density in the common flux path of the stand iron reached. Since the iron losses are roughly the square of the magnetic flux density are proportional here through a very strong reduction in iron losses. By an angular offset of the axes of the permanent magnet part and of the reluctance part can achieve congruent tilting moments will. Compared to the prior art, this leads to unchanged derter electro-magnetic stress for a higher benefit torque of the machine. With simultaneous use of both Measures will be both better efficiency and one higher useful torque achieved.

Die gewünschte Flußüberlagerung auf gemeinsamen Flußpfaden im Ständer wird auf einfache Weise mittels des im Anspruch 3 be schriebenen Läuferaufbaus erreicht. Dabei ist ein Läuferaufbau gemäß Anspruch 4 insbesondere zur Vergleichmäßigung des Fluß verlaufes vorteilhaft.The desired river overlay on common river paths in the Stand is in a simple manner by means of be in claim 3 written runner construction reached. There is a runner setup according to claim 4 in particular to make the river more even course advantageous.

Durch eine Kombination beider Maßnahmen, wie sie im Anspruch s beschrieben ist, gelingt neben der Verminderung der Eisenver luste eine Erhöhung des Drehmomentes der Maschine. Bei einem Winkelversatz von 45^o el., d. h. 1/4 der Polteilung, sind die Maxima der beiden Drehmomentverläufe deckungsgleich. Es wird somit ein maximales nutzbares Drehmoment erreicht.A combination of both measures, as described in claim s, not only reduces the iron losses but also increases the torque of the machine. With an angular offset of 45 ^o el., Ie 1/4 of the pole pitch, the maxima of the two torque profiles are congruent. A maximum usable torque is thus achieved.

Eine weitere Vergleichmäßigung des für die induzierte Maschinen spannung maßgebenden Gesamtflußverlaufes ist mit einem Läufer aufbau gemäß Anspruch 7 möglich.Another equalization of that for the induced machines The decisive overall flow is with one runner construction according to claim 7 possible.

Anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbei spiele wird der Anmeldungsgegenstand nachfolgend näher beschrie ben. Es zeigt:
With the aid of several games shown in the drawing, the subject of the application is described in more detail below. It shows:

Fig. 1 den Verlauf des mit der Ankerwicklung verketteten magnetischen Flusses in Abhängigkeit von der Maschinen drehzahl, Fig. 1 speed the course of the interlinked with the armature winding magnetic flux as a function of the machine,

Fig. 2 einen zweipoligen Läufer im Querschnitt, Fig. 2 is a two-pole rotor in cross-section,

Fig. 3 und 4 weitere Ausführungsvarianten eines zweipoligen Läufers im Querschnitt, FIGS. 3 and 4 further embodiments of a two-pole rotor in cross-section,

Fig. 5 und 6 Ausführungsvarianten eines vierpoligen Läufers im Querschnitt, Fig. 5 and 6, embodiments of a four-pole rotor in cross-section,

Fig. 7 eine 2-polige Läuferausführung im Querschnitt, bei der die Achsen der Permanentmagnetbestückten Abschnitte und der weichmagnetischen Abschnitte eines Polpaares gegen einander winkelversetzt sind, Fig. 7 shows a 2-pole rotor design in cross-section, wherein the axes of the permanent magnet Tipped portions and said soft magnetic portions are angularly offset from one pole pair against each other,

Fig. 8 eine Läuferausführung im Längsschnitt entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 7. Fig. 8 is a rotor design in longitudinal section along the line VIII-VIII in Fig. 7.

Die Fig. 1 zeigt den charakteristischen Verlauf des magnetischen Flusses bei Feldschwächbetrieb gemäß ⌀ ≈ l/n bei konstanter Ma schinenspannung U. Bei der Darstellung in Fig. 1 ist ein Dreh zahlverhältnis von n_max : n_N=4 : 1 zugrundegelegt. Dementsprechend sind auf der Flußkurve vier charakteristische Betriebspunkte gekennzeichnet. Zwischen den Betriebspunkten 0 und 1 liegt Be trieb mit vollem Feld und maximal möglichem Drehmoment vor. Der Betriebspunkt 1 entspricht der Grund- bzw. Nenndrehzahl n=n_N; der Betriebspunkt 2 der doppelten Nenndrehzahl n=2.n_N und der Betriebspunkt 4 der maximalen Drehzahl n_max=4.n_N. Fig. 1 shows the characteristic course of the magnetic flux during field weakening operation according to ⌀ ≈ l / n at constant machine voltage U. In the illustration in Fig. 1, a speed ratio of n _max : n _N = 4: 1 is taken as a basis. Accordingly, four characteristic operating points are marked on the flow curve. Between operating points 0 and 1 there is operation with a full field and maximum possible torque. The operating point 1 corresponds to the basic or nominal speed n = n _N ; the operating point 2 of twice the nominal speed n = 2.n _N and the operating point 4 of the maximum speed n _max = 4.n _N.

Mit ⌀_M ist der von den permanentmagnetbestückten Abschnitten erzeugte Permanentmagnetfluß und mit ⌀_R der von den weichmagne tischen Abschnitten, dem Reluktanzteil, mittels der stromdurch flossenen Ankerwicklung erzeugte Reluktanzfluß bezeichnet. Je nach Betriebsbereich wird die Längskomponente der Ankerdurch flutung so gesteuert, daß sich der in seiner Größe veränderbare Reluktanzfluß ⌀_R zu bzw. von dem Permanentmagnetfluß ⌀_M zum resultierenden Gesamtfluß ⌀ addiert bzw. subtrahiert. With ⌀ _M the permanent magnet flux generated by the permanent magnet sections and with ⌀ _R the reluctance part generated by the soft magnetic sections, by means of the current flowing through the armature winding, means the reluctance flux. Depending on the operating range, the longitudinal component of the armature flow is controlled so that the variable reluctance flux ⌀ _R to or from the permanent magnetic flux ⌀ _M to the resulting total flux ⌀ is added or subtracted.

Infolge der erfindungsgemäßen Flußüberlagerung im Ständereisen ergibt sich im Feldschwächbetrieb bei einer über der Nenndreh zahl n_N der Maschine liegenden Drehzahl n eine verminderte Fluß dichte im Ständereisen. Für die Eisenverluste gilt V_Fe ≈ f^1,5.B², wobei f die Frequenz und B die Flußdichte im Ständereisen bedeu tet. Im Betriebspunkt 4 mit vierfacher Drehzahl gilt damit für die Frequenz f₄=4.f₁ und für die Flußdichte B₄= 0,25 B₁. Da mit ergibt sich für die in diesem Beispiel bei maximaler Dreh zahl und bei Nenndrehzahl auftretenden Eisenverluste im Ständer joch ein Verhältnis von V_Fe4/V_Fel=4^1,5.0,25²=0,5.As a result of the flux overlay according to the invention in the stator iron, a reduced flux density in the stator iron results in field weakening operation at a speed n above the nominal speed n _{N of} the machine. For the iron losses, V _Fe ≈ f ^1.5 .B ² applies, where f is the frequency and B is the flux density in the stator iron. At operating point 4 with four times the speed, the frequency f ₄ = 4.f ₁ and the flux density B ₄ = 0.25 B ₁ . This gives a ratio of V _Fe4 / V _Fel = 4 ^1.5 .0.25 ² = 0.5 for the iron losses occurring in the stator yoke in this example at maximum speed and at nominal speed.

Die Eisenverluste sind damit bei der maximalen Drehzahl, d. h. der vierfachen Nenndrehzahl nur noch halb so groß wie bei der Nenndrehzahl der Maschine.The iron losses are thus at the maximum speed, i.e. H. four times the nominal speed is only half as large as that of the Nominal speed of the machine.

Erfolgt dagegen aufgrund des konstruktiven Aufbaus der Maschine gemäß dem Stand der Technik keine Flußüberlagerung im Ständer eisen, so herrscht bei der Nenndrehzahl - Betriebspunkt 1 - und der maximalen Drehzahl n_max=4.n_N - Betriebspunkt 4 - in dem Magnetteil M und dem Reluktanzteil R jeweils die gleiche Fluß dichte. Es gilt damit V_Fe4/V_Fel=4^1,5.1²=8. Die Eisenver luste steigen somit bei einer solchen Maschine bei der maximalen Drehzahl auf das Achtfache. Im Vergleich hierzu verringern sich die Eisenverluste im Ständerjoch der erfindungsgemäßen Maschine beim obersten Betriebspunkt 4 um den Faktor 16.If, on the other hand, there is no flux overlay in the stator due to the structural design of the machine according to the prior art, the nominal speed - operating point 1 - and the maximum speed n _max = 4.n _N - operating point 4 - exist in the magnet part M and the reluctance part R each have the same flux density. V _Fe4 / V _Fel = 4 ^1.5 .1 ² = 8. The iron losses in such a machine thus increase eight times at maximum speed. In comparison, the iron losses in the stator yoke of the machine according to the invention are reduced by a factor of 16 at the uppermost operating point 4 .

In den Fig. 2-8 sind Ausführungsformen von Läufern gezeigt, durch die eine Überlagerung des Permanentmagnetflusses ⌀_M und des Reluktanzflusses ⌀_R im Ständer erreicht wird.In FIGS. 2-8 embodiments are shown by runners is achieved by a superposition of the permanent magnetic flux ⌀ and _M Reluktanzflusses ⌀ _R in the stand.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten zweipoligen Läufer ist z. B. auf der rechten Seite jeder Pol N und S über etwas mehr als die Hälfte seiner Polbreite mit einem Permanentmagneten 5 bzw. 6 bestückt. Dieser Bereich bildet somit den Magnetteil M. Der restliche Bereich 7 der Polbreite auf der linken Seite besteht aus weich magnetischem Material, das sich bis zum Luftspalt der Maschine erstreckt. Dieser Bereich bildet somit den Reluktanzteil R. Sowohl in dem Reluktanzteil R als auch dem Magnetteil M können die Läuferkerne vorteilhaft aus sich abwechselnden weichmagne tischen und amagnetischen Schichten 8 und 9 bestehen. Hierdurch wird der magnetische Widerstand in der Querachse q erhöht.In the two-pole rotor shown in FIG . B. on the right side of each pole N and S over a little more than half of its pole width with a permanent magnet 5 and 6 respectively. This area thus forms the magnetic part M. The remaining area 7 of the pole width on the left-hand side consists of soft magnetic material which extends to the air gap of the machine. This area thus forms the reluctance part R. Both in the reluctance part R and the magnetic part M, the rotor cores can advantageously consist of alternating soft magnetic and non-magnetic layers 8 and 9 . This increases the magnetic resistance in the transverse axis q.

Bei den zweipoligen Ausführungsvarianten des Läufers nach den Fig. 3 und 4 sind symmetrisch zur magnetischen Längsachse d je weils drei Abschnitte angeordnet. Der Läufer nach Fig. 3 besitzt einen zentralen Reluktanzteil R, zu dessen beiden Seiten jeweils ein Magnetteil M angeordnet ist. Bei dem Läufer nach Fig. 4 ist diese Anordnung umgekehrt. Der Magnetteil M liegt in der Mitte und zwei Reluktanzteile R sind zu beiden Seiten des Magnet teiles M angefügt.In the two-pole embodiments of the slider according to FIGS. 3 and 4 are symmetrical to the magnetic axis d each weils three sections arranged. The rotor according to FIG. 3 has a central variable reluctance R, each represent a magnet member M is disposed on both sides thereof. In the rotor according to Fig. 4, this arrangement is reversed. The magnet part M is in the middle and two reluctance parts R are attached to both sides of the magnet part M.

Die Fig. 5 und 6 zeigen vierpolige Ausführungsvarianten eines Läufers. Die Variante nach Fig. 5 weist wiederum einen mittig angeordneten Reluktanzteil R und seitlich dazu angeordnete Magnetteile M auf. Bei der Variante nach Fig. 6 ist der Magnet teil M in der Mitte zwischen zwei Reluktanzteilen R angeord net. FIGS. 5 and 6 show embodiments of a four-pole rotor. The variant according to FIG. 5 in turn has a reluctance part R arranged in the center and magnetic parts M arranged laterally thereto. In the variant according to FIG. 6, the magnet part M is net in the middle between two reluctance parts R.

Die in den Fig. 3 und 4 bzw. 5 und 6 gezeigten Varianten können auch gemeinsam in einem Läufer verwirklicht werden. Hierzu wer den diese Varianten in axial aufeinanderfolgenden Bereichen des Läufers abwechselnd angeordnet. Ferner können auch asymmetrisch strukturierte Läuferabschnitte (Fig. 2) abwechselnd spiegelbild lich zueinander angeordnet werden.The variants shown in FIGS. 3 and 4 or 5 and 6 can also be implemented together in one runner. For this purpose, who these variants alternately arranged in axially successive areas of the rotor. Furthermore, asymmetrically structured rotor sections ( FIG. 2) can also be alternately arranged in mirror image to one another.

Mit derartigen in den Ansprüchen 6 bis 8 beschriebenen Anord nungen wird erreicht, daß sich der zeitliche Verlauf des mit der Ankerwicklung verketteten Gesamtflusses und damit die Kurvenform der induzierten Maschinenspannung innerhalb des gesamten Feld schwächbereiches nicht′ bzw. nur geringfügig verändert. With such an arrangement described in claims 6 to 8 is achieved that the time course of the with the Armature winding chained total flow and thus the curve shape the induced machine voltage within the entire field weak area not 'or changed only slightly.

Die Maxima der elektromagnetisch erzeugten Drehmomente treten im Magnetteil M und im Reluktanzteil R bei unterschiedlichen Polradwinkeln auf. Das Drehmoment erreicht im Magnetteil M bei einem Polradwinkel von 90^o el. und das im Reluktanzteil R bei einem Polradwinkel von 45^o el. sein Maximum. Ein maximal nutz bares Drehmoment läßt sich dann erreichen, wenn die magnetischen Längsachsen d1 und d2 der beiden Abschnitte M und R so gegen einander versetzt werden, daß beide Drehmomentmaxima zusammen fallen. Hierzu muß die gegenseitige Relativlage der beiden Ab schnitte M und R um ca. 45^o el, d. h. um 1/4 Polteilung vescho ben werden.The maxima of the electromagnetically generated torques occur in the magnet part M and in the reluctance part R at different magnet wheel angles. The torque reached in the magnet member M at an angular displacement of 90 ^° el., And in the variable reluctance R at an angular displacement of 45 ^° el. Its maximum. A maximum usable torque can be achieved if the magnetic longitudinal axes d 1 and d 2 of the two sections M and R are offset against each other so that both torque maxima coincide. For this purpose, the mutual relative position of the two sections M and R from about 45 ^o el, ie by 1/4 pole pitch must be vescho ben.

Eine solche vorteilhafte Winkelverschiebung läßt sich auch bei einem gemeinsamen Flußpfad für den Magnetfluß ⌀_M der Permanent magnete und den Reluktanzfluß ⌀_R mit der in den Fig. 7 und 8 ge zeigten Läuferausführung erreichen. Bei dieser Läuferkonstruk tion, mit abwechselnd aus weichmagnetischen und amagnetischen Schichten 8 und 9 gebildeten Läuferkernen, liegt der Magnetteil M des einen Poles S dem Magnetteil M des anderen Poles H schräg gegenüber, desgleichen die Reluktanzteile R der beiden Pole H und S. Hierdurch ergibt sich zwischen den beiden Längsachsen d1 und d2 des Magnetteiles M und des Reluktanzteiles R ein Winkel versatz. Der Winkelversatz kann so gewählt werden, daß die Dreh momentmaxima deckungsgleich sind und damit für das nutzbare Drehmoment ein Maximalwert erreicht wird.Such an advantageous angular displacement can also be achieved with a common flow path for the magnetic flux ⌀ _{M of} the permanent magnets and the reluctance flux ⌀ _R with the rotor design shown in FIGS . 7 and 8. In this rotor construction, with alternately formed from soft magnetic and non-magnetic layers 8 and 9 rotor cores, the magnetic part M of one pole S is at an angle to the magnetic part M of the other pole H, likewise the reluctance parts R of the two poles H and S. This results an angle offset between the two longitudinal axes d 1 and d 2 of the magnetic part M and the reluctance part R. The angular offset can be chosen so that the torque maxima are congruent and thus a maximum value is reached for the usable torque.

Sowohl die Verminderung der Eisenverluste im Feldschwächbereich zwischen den Betriebspunkten 1 bis 4, insbesondere im Betriebs punkt 4, als auch die Erhöhung des nutzbaren maximalen Drehmo mentes zwischen den Betriebspunkten 0 und 1 werden ohne Mehrauf wendungen von Material allein durch entsprechende konstruktive Gestaltung des Läufers erreicht.Both the reduction in iron losses in the field weakening range between operating points 1 to 4 , in particular in operating point 4 , and the increase in the usable maximum torque between operating points 0 and 1 are achieved without additional expenditure of material solely by appropriate design of the rotor.

Claims

1. Multi-phase permanent magnet-excited electrical machine of synchronous design with a stator winding fed via converters in such a way that, in addition to the magnetic flux (⌀ _M ) generated by the permanent magnets, an additional flux component (reluctance flux ⌀ _R ) is generated by the current-carrying armature winding, the armature winding with the vectorial one Sum of the two flux components (∂ _M and ⌀ _R ) is chained, in which machine the rotor has at least one section (M) equipped with permanent magnets and at least one reluctance section (R) made of soft magnetic material, as characterized in that the Sections (M and R) are arranged so that there is a common flow path for the magnetic flux of the permanent magnets (⌀ _M ) and the additional flux component (reluctance flux ⌀ _R ) in the stand of the machine and / or that the sections (M and R) with their magnetic axes (d 1 , d 2 ) against each other in the circumferential direction are angularly offset.

2. Machine according to claim 1, characterized, that the different sections (M, R) at each rotor pole arranged successively in the circumferential direction of the rotor are.

3. Machine according to claim 2, characterized, that one or more permanent magnet-equipped per rotor pole Sections (M) and one or more soft magnetic sections (R) are arranged.

4. Machine according to claim 2 or 3, characterized in that on the poles (N, S) of a pair of poles, the permanently populated th and the soft magnetic sections (M, öR) with their magnetic axes (d 1 , d 2 ) offset angularly from one another in the circumferential direction are.

5. Machine according to claim 1 or 4, characterized in that the angular offset between the magnetic axes (d 1 , d 2 ) is approximately 45 ^o el.

6. Machine according to one or more of the previous ones Claims 2 to 4, characterized net that the sections (M, R) on the rotor in axially behind mutually lying areas alternately in different Structuring are arranged to each other.

7. Machine according to claim 6, characterized through an asymmetrical, alternating mirror image Structuring the sections.

8. Machine according to claim 6, characterized by one with respect to the order of the sections (M and R) changed structuring.

9. Machine according to one or more of the preceding claims, characterized by an alternating soft magnetic (8) and non-magnetic layers ( 9 ) formed longitudinal structure of the rotor cores.