In the field of traction machines, permanent-magnet synchronous machines are usually designed with step-skewed rotors, i. e., the rotor is skewed along the core length segment by segment by one slot pitch in order to reduce parasitic effects, such as torque ripple, and to improve the acoustic behavior. However, step-skewing the rotor segments in the axial direction reduces the fundamental flux linkage of the permanent magnets compared to an unskewed machine. Therefore, more magnet material must be used in a skewed machine than in an unskewed machine to achieve the same torque, which increases the cost. Furthermore, skewing is a comparatively complex step in the manufacturing process, which increases the production time per machine and the cost. In this article, the influence of rotor pole width modulation on the performance of v-shaped buried magnet topologies is investigated. It evaluates whether this additional modification to the machine geometry can be used to create an unskewed motor that meets the specifications for torque ripple and maximum torque while limiting noise emissions. In order to design the rotor pole width modulation in a profitable way, a combination of magnet angles is identified by an analytical network that can reduce the critical flux density spatial harmonics of the rotor, which stimulate torque ripple and acoustic noise. Afterwards, the analytical results are validated with FEM calculations. The effect of the rotor pole width modulation on torque behavior as well as acoustic noise emission is compared with the step-skewed reference machine.
Permanentmagneterregte Synchronmaschinen werden im Bereich der Traktionsmaschinen in der Regel mit einer Rotorstaffelung ausgeführt, d. h. der Rotor wird ähnlich wie bei der Nutschrägung entlang des Blechpakets segmentweise um insgesamt eine Nutteilung am Umfang versetzt, um Parasitäreffekte wie Drehmomentwelligkeit zu reduzieren und das akustische Verhalten zu verbessern. Allerdings wird durch die Staffelung der Rotorsegmente in axialer Richtung die Hauptwellenflussverkettung der Permanentmagnete gegenüber einer ungestaffelten Maschine verringert. Daher muss in einer gestaffelten Maschine mehr Magnetmaterial eingesetzt werden als in einer ungestaffelten Maschine, um das gleiche Drehmoment zu erreichen, was sich in den Kosten niederschlägt. Darüber hinaus ist die Staffelung ein vergleichsweise aufwendiger Schritt im Fertigungsprozess, sodass sich die Produktionszeit je Maschine erhöht und letztendlich die Kosten steigen. In diesem Artikel wird der Einfluss einer Rotorpolweitenmodulation auf das Betriebsverhalten für V-förmig vergrabene Magnettopologien untersucht. Es wird bewertet, ob mithilfe dieser zusätzlichen Modifikation der Maschinengeometrie ein Antrieb ohne Staffelung ausgeführt werden kann, der die Vorgaben des Lastenhefts in Bezug auf die Drehmomentwelligkeit sowie auf das maximale Drehmoment einhält und gleichzeitig die Geräuschemissionen begrenzt. Zur vorteilhaften Gestaltung einer Rotorpolweitenmodulation wird eine Kombination der Magnetöffnungswinkel mittels eines analytischen Netzwerks identifiziert, die die für die Anregung von Pendelmomenten und Geräuschen kritischen Feldwellen des Rotors reduzieren kann. Anschließend werden die analytischen Ergebnisse mit FEM-Berechnungen validiert. Der Einfluss der Rotorpolweitenmodulation auf das Drehmomentverhalten sowie die Geräuschanregung wird mit der gestaffelten Referenzmaschine verglichen.
