DE102006036707B3 - Direct drive of short axial spacing, has permanent magnet carrying rotor or clean soft magnetic rotor, where stator has one or multiple stator blocks of soft magnetic composite material with sector shaped hollow cylindrical part - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft elektrische Antriebe, die bei äußerst geringem Trägheitsmoment und kurzer, axialer Baulänge hohe spezifische Drehmomente ermöglichen, sowie hohe Anforderungen an die Gleichförmigkeit des Drehmomentes erfüllen. Derartige Anforderungen treten u.a. bei Werkzeugmaschinen im oberen Leistungsbereich und bei Radnabenmotoren auf. Für letztere sind zusätzlich die axial kurze Bauform und minimale Geräuschemissionen von großer Bedeutung.The The invention relates to electric drives that are extremely low moment of inertia and short, axial length enable high specific torques, and meet high requirements for the uniformity of the torque. such Requirements occur, i.a. for machine tools in the upper performance range and in wheel hub motors. For the latter are additional the axially short design and minimal noise emissions of great importance.
Stand der Technik:State of the art:
Unter
Berücksichtigung
des Standes der Technik kann die Forderung nach hohem spezifischem
Drehmoment am besten von permanenterregten Maschinen erfüllt werden.
Entsprechende Maschinen sind entweder als polyphasige, permanenterregte
Synchronmaschinen oder als Transversalflussmaschinen ausgeführt, weil
diese kleine Polteilungen und hohe Kraftdichten ermöglichen.
Die erstgenannte Bauform ist u.a. aus
- • Der Rotor benötigt zwecks Bildung eines magnetischen Rückschlusses erhebliche Mengen Weicheisenmaterial, die das Trägheitsmoment und das Gewicht erhöhen.
- • Die Statorpole tragen jeweils einzelne Polspulen zur elektrischen Erregung. Dies führt bei den für hohe Kraftdichten notwendigen, hochpoligen Ausführungen zu hohem Wicklungsaufwand und hohen Kupferverlustleistungen im Stator.
- • The rotor requires significant amounts of soft iron material to increase the moment of inertia and weight to form a magnetic return path.
- • The stator poles each carry individual pole coils for electrical excitation. In the case of the high-pole versions required for high power densities, this leads to high winding costs and high copper power losses in the stator.
Die zweitgenannte Bauform ist bezüglich dieses Punktes wesentlich günstiger, weil die Statorwicklung als einfache Ringwicklung ausgeführt werden kann und extrem hochpolige Ausführungen besser realisierbar sind.The second-named design is with respect to this Point much cheaper, because the stator winding are designed as a simple ring winding can and extremely high-poled versions are more feasible.
Bauformen
von Transversalflussmaschinen sind u.a. aus
Eine
weitere Bauform einer Transversalflussmaschine ist aus
Leider weisen diese Bauformen – neben einer komplizierten, vielteiligen Konstruktion – weitere problematische Eigenschaften auf:
- • Die einfach realisierbare Ringwicklung erzeugt ein ausgeprägtes Streufeld, welches unerwünschte Verluste in benachbarten, metallischen Konstruktionsteilen hervorruft. Dies ist in beengten Einbausituationen ein schwerwiegendes Problem.
- • Die Ringwicklung ermöglicht prinzipbedingt nur eine einsträngige Maschine mit hoher Momentenpulsation, so dass i.a. mehrere solcher Maschinen (phasenversetzt gespeist) in axialer Reihung auf einer Welle angeordnet werden müssen. Dadurch entstehen ein axial großer Raumbedarf und unerwünschte Torsionsschwingungen der Welle.
- • Der Rotor benötigt zur Feldführung und Feldkonzentration („Rotor-Sammler") erhebliche Mengen Weicheisenmaterial zusätzlich zu den Permanentmagneten, wodurch das Trägheitsmoment und das Gewicht ungünstigerweise zunehmen.
- • Die Gleichförmigkeit der erzeugten Vortriebskraft ist unbefriedigend, so dass zwecks Verminderung von Drehmomentpulsationen eine hohe Strangzahl (i.a. größer 3) und/oder eine elektronische, rotorwinkelabhängige Steuerung der Strangströme notwendig wird. Beide Maßnahmen haben einen ungünstigen Einfluss auf den technischen Aufwand für die zugehörige Leistungselektronik und den erzielbaren Wirkungsgrad. Diesbezüglich wünschenswert ist eine Anordnung, die bereits prinzipbedingt pro Strang in einem sehr weiten Rotorwinkelbereich ein hohes, weitgehend konstantes Nutzmoment liefert.
- • The easily realizable ring winding generates a pronounced stray field, which causes unwanted losses in adjacent, metallic construction parts. This is a serious problem in cramped installation situations.
- • The ring winding principle allows only a single-stranded machine with high momentum pulsation, so that ia several such machines (fed out of phase) must be arranged in axial alignment on a shaft. This results in an axially large space requirement and unwanted torsional vibrations of the shaft.
- • The rotor requires significant amounts of soft iron material in addition to the permanent magnets for field guidance and field concentration ("Rotor Collector"), causing the moment of inertia and weight to increase inconveniently.
- • The uniformity of the driving force generated is unsatisfactory, so that in order to reduce torque pulsations, a high number of strings (generally greater than 3) and / or an electronic rotorwinkelabhängige control of the phase currents is necessary. Both measures have an unfavorable influence on the technical complexity of the associated power electronics and the achievable efficiency. In this regard, an arrangement is desirable which, as a matter of principle, provides a high, largely constant useful torque per branch in a very wide rotor angle range.
Um
die Probleme der Ringwicklung zu vermeiden, sind auch Transversal
flussmaschinen mit verteilter Wicklung angegeben worden. Eine entsprechende
Ausführung
ist aus der Patentschrift
Die
Polteilung der mehrsträngigen
Wicklung lässt
sich hier um ein Vielfaches größer als
die durch die Permanentmagnete des Rotors vorgegebene Teilung wählen, so
dass ein größerer Wicklungsquerschnitt – verglichen
mit einer polyphasigen Synchronmaschine gleicher Polteilung verfügbar ist.
Nachteilig ist hingegen der hohe Aufwand für die zugehörige Leistungselektronik (siehe
Ziel der Erfindung ist es, einen einfach zu fertigenden, axial kurzen Direktantrieb mit extrem geringem Trägheitsmoment und Gewicht zu ermöglichen. Die einfache Fertigung schließt die Einsetzbarkeit von in Formen preßbarem, weichmagnetischem Verbundmaterial ein. Die Nachteile der bekannten Ausführungen sollen vermieden werden, so dass als weitere Ziele der Erfindung zu nennen sind:
- • Einfache Konstruktion mit einer minimalen Anzahl von Teilen – insbesondere ohne mechanisch mit pulsierenden Kräften belastete Fügestellen.
- • Minimierung mechanischer Schwingungsanregungen, die durch pulsierende, axiale und radiale Kraftkomponenten zwischen Rotor und Stator entstehen und unerwünschte Geräuschemissionen und Lagerbelastungen verursachen.
- • Vermeidung starker Streufelder, die unerwünschte Verluste in benachbarten, metallischen Konstruktionsteilen hervorrufen.
- • Weitgehend gleichmäßige Vortriebskraft ohne die Notwendigkeit der rotorwinkelabhängigen Strangstromsteuerung oder hoher Strangzahlen/Phasenzahlen welche den Aufwand für die Leistungselektronik erhöhen – d.h.: Phasenzahlen ab zwei sollen sinnvoll realisierbar sein.
- • Hohe Kraftdichte, die ähnlich hohe Werte wie Transversalflussmaschinen mit Ringwicklung erreicht.
- • Simple construction with a minimum number of parts - in particular without mechanically loaded with pulsating forces joints.
- • Minimizing mechanical vibration excitations caused by pulsating, axial and radial force components between the rotor and stator causing unwanted noise and bearing loads.
- • Avoidance of strong stray fields, which cause unwanted losses in adjacent, metallic construction parts.
- • Largely uniform driving force without the need for rotor-angle-dependent phase current control or high numbers of phases / phase numbers which increase the expenditure on power electronics - ie: phase numbers from two should be feasible in a meaningful way.
- • High power density, which reaches similar high values as transverse flux machines with ring winding.
Gemäß der Erfindung werden die oben genannten Ziele dadurch erreicht, dass der Stator entsprechend Anspruch 1 gestaltet wird. Die beiden letztgenannten Punkte lassen sich in Kombination mit einem permanentmagnetischen Rotor erzielen, der entsprechend Anspruch 2 bzw. 8 gestaltet wird.According to the invention The above goals are achieved by using the stator designed according to claim 1. The latter two Points can be combined with a permanent magnetic Achieve rotor, which is designed according to claim 2 or 8.
Zwecks einfacherer Erläuterung der Erfindung seien zunächst die möglichen Ausgestaltungen der Rotoren angeführt:For the purpose of simpler explanation the invention are first the possible ones Embodiments of the rotors cited:
Die
Trägerringe
Es
ist weiterhin möglich,
dass die Trägerringe
Gemäß der Erfindung
werden nun zwei oder mehrere dieser mit Permanentmagneten
Die
Trägerringe
Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht darin,
dass die Permanentmagnete
Alternativ
ist eine Rotorversion (siehe Anspruch 3) ohne Permanentmagnete
Um
die erfindungsgemäßen Vorteile
zu erzielen, ist der Stator des Direktantriebes gemäß Anspruch
1 zu gestalten. Als vorteilhaft hervorzuheben sind insbesondere
die mechanisch einteiligen Statorklötze
Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung der
Statorklötze
Prinzipbedingte und unerwünschte Kraftkomponenten in axialer oder radialer Richtung treten nicht in nennenswerter Größe auf.principle Conditional and unwanted Force components in the axial or radial direction do not occur in appreciable size.
Dieser
Vorteil ermöglicht
eine leichte und gewichtssparende mechanische Befestigung der Statorklötze
Weiterhin
ist es nicht zwingend pro Strang mindestens zwei diametral gegenüberliegende
Statorklötze
Die
Statorwicklung
Weitere Erläuterungen erfolgen an Hand der folgenden Bilder: Es stellen dar:Further Explanations take place on the basis of the following pictures:
Die
Trägerringe
Die
Permanentmagnete können
alternativ auch durch geometrisch ähnliche Teile aus weichmagnetischem
Material
Für die technische
Ausführung
der Statorklötze
Für gewichtsoptimierte
Ausführungen
sind – infolge
der geringen radialen Ausdehnung der Statorklötze
Die
kreisbogenförmige
Krümmung
des Statorklotzes
Diese
Variante hat keine nennenswerten Nachteile bzgl. der Güte der magnetischen
Dimensionierung. Sie erfordert jedoch eine Vergrößerung der Statorklötze
Diese
Kennzeichnung dient hier nur zur Vereinfachung der folgenden Erläuterungen
und insbesondere zur Unterscheidung von radial innen und radial
außenliegenden
Statorklötzen.
Bei allen folgenden Ausführungsformen
können
die elektrischen Anschlüsse
der Statorwicklung
Es zeigen im einzelnen:It show in detail:
Deshalb
ist bereits mit einem leistungselektronischen Umformer, der nur
zwei (um 90°)
phasenverschobene Ströme
(iA, iB) einspeist,
ein weitestgehend konstantes Drehmoment erreichbar. Weitere Vorteile
dieser bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung bestehen bezüglich
der günstigen.
Ausführungsmöglichkeiten
der Statorwicklungen
Die
folgenden Bilder (
Um
die zeichnerische Darstellung übersichtlicher
zu gestalten, ist es notwendig die beiden umlaufenden Einschnitte
Das Kühlmedium kann vorteilhaft (in zwei hydraulisch parallelen oder seriellen Kreisen) von A1 nach A2 und von B1 nach B2 innerhalb der elektrischen Leiter geführt werden (siehe Anspruch 4).The cooling medium can be advantageous (in two hydraulically parallel or serial Circles) from A1 to A2 and from B1 to B2 within the electrical Head led be (see claim 4).
Die
Trägerringe
Um eine hohe Kraftdichte zu erzielen, wird bekanntlich eine kleine Polteilung (hier: c) angestrebt. Diese ist erfindungsgemäß frei wählbar; z.B. durch die Geometrie der Presswerkzeuge. Es ist jedoch günstig, das Maß (c) groß gegenüber dem Luftspalt zu halten, d.h.: beispielsweise das Zehnfache des Luftspaltes. Ein besonders kleiner Luftspalt ist jedoch in Verbindung mit der Maßnahme nach Anspruch 9 gut realisierbar, so dass besonders kleine Polteilungen möglich werden.Around To achieve a high power density, is known to be a small Pole division (here: c) sought. This is according to the invention freely selectable; e.g. by the geometry of the pressing tools. However, it is cheap that Measure (c) big opposite the air gap For example, ten times the air gap. One However, particularly small air gap is in connection with the measure Claim 9 well feasible, so that particularly small pole pitches possible become.
Die
Permanentmagnete
Entsprechend dem Stand der Technik und Wissenschaft wird eine Optimierung der Bemessung und Geometrie durch numerische Feldberechnungsverfahren/3D-Simulation erfolgen. Die Erfindung bietet besonders weitgehende Freiheitsgrade die Geometrie so zu optimieren, dass ein gewünschter Kraftverlauf als Funktion des Umfangsweges/Drehwinkels erzielt wird. Insbesondere ist eine über sehr hohe Winkelbereiche weitgehend konstante Nutzkraft erreichbar.Corresponding The state of the art and science will optimize the Dimensioning and geometry by numerical field calculation methods / 3D simulation respectively. The invention offers particularly extensive degrees of freedom to optimize the geometry so that a desired force curve as a function of the circumferential path / angle of rotation is achieved. In particular, one is about very high angular ranges largely constant useful force achievable.
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