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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer,
einem drehbaren Läufer, einem zwischen dem Ständer
und dem Läufer ausgebildeten Luftspalt, wobei bei einer
Drehung des Läufers durch den Läufer in dem Luftspalt
ein Drehfeld erzeugbar ist, das ein oder mehrere Polpaare aufweist,
und einem Drehwinkelgeber zur Bestimmung des Drehwinkels des Läufers,
wobei der Drehwinkelgeber eine drehbare Geberwelle aufweist, die
mit dem Läufer drehfest verbindbar ist.
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Bei
einer derartigen Maschine wird durch den Läufer in dem
Luftspalt ein umlaufendes Drehfeld erzeugt, das aus einander abwechselnden
magnetischen Nord- und Südpolen besteht, die entlang des
Luftspaltes rotieren. Die Gesamtzahl aller Nord- und Südpole
bestimmt dabei die so genannte Polzahl (2p) oder Polpaarzahl (p).
Das Drehfeld kann hierbei entweder durch auf dem Läufer
angeordnete, stromdurchflossene Läuferwicklungen oder durch
Permanentmagnete erzeugt werden, die auf dem Läufer angeordnet
sind.
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Eine
derartige, als Synchronmaschine ausgebildete elektrische Maschine
mit einem permanentmagnetisch erregten Läufer mit einer
Polpaarzahl von beispielsweise p = 16 kommt aufgrund des geringen
Platzbedarfs und der geringen Geräuscharmut bevorzugt bei
U-Boot-Antriebsmotoren zum Einsatz. Hierbei kann, wie in der
DE 10 301 272 A1 dargestellt,
der Ständer mehrere Wicklungsstränge aufweisen,
die durch jeweils einen separaten, einphasigen Stromrichter gespeist
werden.
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Zu
hochgenauen Regelung der Maschine bzw. der die Ständerwicklung
speisenden Stromrichter mit Hilfe einer Regelungsvorrichtung weist
die Maschine einen hochwertigen Signalgeber zur Erfassung des Drehwinkels
des Läufers der Maschine und zur Erzeugung von entsprechenden
Signalinformationen für die Regelungsvorrichtung auf. Mit
Hilfe dieser Signalinformationen wird eine Strang- bzw. Phasenzuordnung
der Wicklungsströme im Ständer der Maschine, eine
feldorientierte, stromrichternahe Regelung der Stromrichter und
insbesondere eine geräuschoptimierte Modulation der Motorströme
ermöglicht.
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Der
Drehwinkelgeber erzeugt üblicherweise einmal pro ganzer
(d. h. 360°) Umdrehung der Geberwelle bzw. des damit verbundenen
Läufers ein sogenanntes Nullsignal, anhand dessen die absolute Winkellage
des Läufers in Bezug auf den Ständer ermittelt
werden kann. Bei der Erstmontage des Drehwinkelgebers wird der Winkelpunkt
dieses Nullsignales innerhalb einer Periode der bei einer Drehung
des Läufers durch diesen in einer Ständerwicklung
induzierten Spannung ermittelt und danach die Regelung der Ständerströme
auf diesen Winkelpunkt ausgerichtet.
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Bei
einem späteren Abbau des Gebers und einer Neumontage dieses
oder eines anderen Gebers stimmt im Normalfall der Winkelpunkt des
Nullsignales des Gebers nicht mit dem bei der Erstmontage eingestellten
Winkelpunkt überein. Dies liegt daran, dass üblicherweise
sowohl die Läuferwelle als auch die Geberwelle ein Rundprofil
aufweisen, die durch einen Kraftschluss drehfest miteinander verbunden
werden. Hierdurch sind in Drehrichtung des Läufers eine
unbegrenzte Anzahl von Stellungen des Läufers in Bezug
auf die Geberwelle und somit unterschiedlichster Winkelpunkte für
das Nullsignal möglich.
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Der
Geber muss deshalb durch eine aufwändige elektronische
Vermessung erst wieder auf den vorher eingestellten Winkelpunkt
ausgerichtet werden, damit die Stromrichter, die die Ständerwicklung speisen,
korrekte Drehwinkelwerte erhalten. Bei jedem Drehwinkelgeberabbau
und anschließender Neumontage sind deshalb umfangreiche
Arbeiten nötig, um die Funktionsbereitschaft der Maschine wieder
herzustellen.
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Es
ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, bei einer-elektrischen
Maschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs
1 die Drehwinkelgeberausrichtung zu vereinfachen und damit die Funktionsbereitschaft
der Maschine zu erhöhen.
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Die
Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine elektrische Maschine
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind
jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Eine besonders vorteilhafte
Verwendung der elektrischen Maschine ist Gegenstand des Anspruchs
10.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Anzahl der möglichen
korrekten Ausrichtungen des Drehwinkelgebers, in denen der Winkelpunkt
des Nullsignales des Winkelgebers innerhalb einer Periode der bei
einer Drehung des Läufers durch diesen in einer Ständerwicklung
induzierten Spannung bei einer Neumontage dem Winkelpunkt des Nullsignales
der Erstmontage entspricht, der Anzahl der Perioden des bei einer
ganzen Umdrehung des Läufers in einer Ständerwicklung
induzierten Spannung und somit der Anzahl der Polpaare des von dem
Läufer erzeugten Drehfeldes entspricht. Damit gibt es beispielsweise
bei einer Polpaarzahl von 20 genau 20 mögliche unterschiedliche
Stellungen des Läufers in Bezug auf die Geberwelle, in
denen der Winkelpunkt des Nullsignales des Winkelgebers bei einer
Neumontage dem Winkelpunkt des Nullsignales der Erstmontage entspricht
ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Verbindbarkeit der Geberwelle
mit dem Läufer derart, dass in Drehrichtung des Läufers
nur eine zahlenmäßig begrenzte, von der Anzahl
der Polpaare abhängige Anzahl unterschiedlicher Stellungen
des Läufers in Bezug auf die Geberwelle möglich
ist, kann sichergestellt werden, dass bei einer Neumontage eines
Winkelgebers der Winkelpunkt des Nullsignales innerhalb einer Periode
der in einer Ständerwicklung induzierten Spannung automatisch
dem Winkelpunkt des Nullsignales der Erstmontage entspricht. Hierdurch
kann eine aufwendige Neuvermessung und -ausrichtung des Gebers nach
dessen Montage entfallen, wodurch die Funktionsbereitschaft des
Motors in kürzerer Zeit als bisher wiederhergestellt werden
kann.
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Wenn
eine Ständerwicklung ein Drehfeld mit einer Polpaarzahl
p erzeugt, müssen jedoch für eine automatisch
korrekte Ausrichtung der Geberwelle nicht auch genau so viele Stellungen
in Bezug auf den Läufer möglich sein, sondern
es ist für eine automatisch korrekte Ausrichtung ausreichend,
wenn die Anzahl der unterschiedlichen Stellungen der Geberwelle
in Bezug auf den Läufer ein ganzzahliger Teiler der Polpaarzahl
p ist. Bei einer Polpaarzahl von p = 20 ist es somit ausreichend,
wenn die Geberwelle mit dem Läufer in 1, 2, 4, 5, 10 oder
20 unterschiedlichen Stellungen des Läufers in Bezug auf
die Geberwelle verbindbar ist.
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Die
Verbindung kann konstruktiv einfach dadurch realisiert werden, dass
die Geberwelle mit dem Läufer durch einen Formschluss in
Drehrichtung des Läufers verbindbar ist.
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Bevorzugt
ist eine Kupplung zur formschlüssigen Verbindung des Läufers
mit der Geberwelle vorgesehen, wobei die Kupplung ein in seiner
in Bezug auf die Drehachse des Läufers radialen Ausdehnung
veränderbares Kupplungselement und ein Gegenkupplungselement
aufweist, wobei das Kupplungselement zur formschlüssigen
Verbindung in einen Innenraum des Gegenkupplungselementes eingreift,
und wobei der Innenraum und das Kupplungselement in Drehrichtung
des Läufers aneinander angepasste Profilierungen aufweisen.
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In
einer konstruktiv besonders einfachen und montagefreundlichen Ausgestaltung
sind die Profilierungen als ein Mehrkantprofil ausgebildet.
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Das
Kupplungselement bzw. das Gegenkupplungselement kann hierbei Teil
des Läufers, der Geberwelle, aber auch Teil eines Wellenadapters sein,
der drehfest mit dem Läufer verbunden ist.
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In
einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung ist das Gegenkupplungselement
Teil der Geberwelle, wobei die Geberwelle als Hohlwelle ausgebildet
ist und der Innenraum durch zumindest einen Teil des Hohlraums der
Hohlwelle gebildet ist.
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Bevorzugt
weist die Ständerwicklung mehrere Wicklungsstränge
aufweist, die von jeweils einem separaten, einphasigen Umrichter
gespeist werden.
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Ein
besonders geringer Platzbedarf bei hoher Leistungsdichte ist dadurch
möglich, dass die Maschine als Synchronmaschine mit einem
permanentmagnetisch erregten Läufer ausgebildet ist.
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Aufgrund
ihres geringen Platzbedarfes und ihrer Geräuscharmut eignet
sich die elektrische Maschine besonders zur Verwendung als Antriebsmotor für
ein U-Boot.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden
im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren
näher erläutert; darin zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Anordnung von Wicklungssträngen
und Umrichtern einer elektrischen Maschine,
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2 eine
Prinzipdarstellung der Polpaare des Läufers der Maschine
von 1,
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3 einen
zeitlichen Verlauf der in einer Ständerwicklung induzierten
Spannung,
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4 einen
Längsschnitt durch eine Kupplung mit einem Vierkantprofil
und
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5 eine
Draufsicht auf den Wellenadapter von 4 und
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Eine
in 1 vereinfacht und in einer Prinzipdarstellung
gezeigte elektrische Maschine 1 weist einen Ständer 2 mit
einer Ständerwicklung 3 auf, die wiederum aus
mehreren einzelnen Wicklungssträngen 3' besteht.
Jeder einzelne Wicklungsstrang 3' wird durch jeweils einen
gesonderten, nur für diesen Wicklungsstrang 3' vorgesehenen
Umrichter 5 gespeist. Jeweils zwei der Umrichter 5 sind
zu einem Umrichtermodul 6 zusammen gefasst. Die Umrichtermodule 6 sind
im Inneren der Maschine angeordnet.
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Der
Ständer 2 umgibt unter Bildung eines Luftspaltes 4 einen
drehbaren Läufer 7, häufig auch als „Polrad"
bezeichnet. Auf dem Läufer 7 sind – wie vereinfacht
in 2 dargestellt – in Umfangsrichtung mehrere
Permanentmagnete verteilt, die aus jeweils einem magnetischen Nordpol
N und einem Südpol S bestehen.
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Bei
einer Drehung des Läufers 7 wird in dem Luftspalt 4 und
in der Ständerwicklung 3 ein umlaufendes Drehfeld
erzeugt, das aus einander abwechselnden magnetischen Nordpolen N
und Südpolen S besteht, die jeweils ein Polpaar P bilden
und die entlang des Luftspaltes 4 rotieren. Die Gesamtzahl
aller Nord- und Südpole bestimmt dabei die so genannte Polzahl
(2p) oder Polpaarzahl (p). Im Fall der 2 werden
durch den Läufer 7 acht Pole erzeugt, d. h. die
Polpaarzahl beträgt p = 4.
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Durch
das rotierende Drehfeld werden in einem Wicklungsstrang 3' der
Ständerwicklung 3 eine Spannung U induziert, deren
zeitlicher Verlauf beispielhaft in 3 dargestellt
wird. Dabei ist mit „N" die durch einen Nordpol und mit „S"
die durch einen Südpol induzierte Spannung bezeichnet.
Die bei einer ganzen Umdrehung des Läufers induzierte Spannung
U durchläuft vier Perioden P1, P2, P3, P4, d. h. die Anzahl
der induzierten Spannungsperioden P1, P2, P3, P4 entspricht dabei
der Anzahl der Polpaare P bzw. der Polpaarzahl p.
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Ein
in 4 näher dargestellter Drehwinkelgeber 8 mit
einer als Hohlwelle 9 ausgebildeten drehbaren Geberwelle
dient zur Erfassung des Drehwinkels α des Läufers 7 und
zur Erzeugung einer entsprechenden Signalinformation für
eine Regelungseinrichtung der Umrichter 5. Die 4 zeigt
hierbei einen aus dem abtriebsseitigen Ende der elektrischen Maschine 1 herausragenden
Teil des Läufers 7, der drehbar zwischen einem
feststehenden Lagerschild 11 angeordnet ist. Das Gehäuse 12 des
Gebers 8 ist zur Verdrehsicherung über eine Halterung 28 mit dem
feststehenden Lagerschild 11 verbunden. Die Hohlwelle 9 des
Gebers 8 ist über eine Kupplung 10 mit
dem Läufer 7 zur Übertragung der Drehbewegung
des Läufers 7 an die Hohlwelle 9 drehfest
verbunden.
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Einmal
pro vollständiger Umdrehung des Läufers 7 wird
von dem Drehwinkelgeber 8 ein Nullsignal erzeugt, das im
Fall der in 3 dargestellten, in einer Ständerwicklungsstrang
induzierten Spannung zeitlich beispielsweise in der zweiten Periode P2
bei einem Winkelpunkt φ = x liegt, und das für
die Bestimmung der absoluten Winkellage des Läufers 7 in
Bezug auf den Ständer 2 dient.
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Wenn
sowohl die Hohlwelle 9 als auch der Läufer 7 ein
Rundprofil aufweisen und die beiden bei einem Abbau des Drehwinkelgebers 8 und
anschließender Neumontage durch eine kraftschlüssigen Verbindung
drehfest miteinander verbunden werden, wird das Nullsignal nach
der Neumontage im Normalfall in der gleichen Periode P2 oder in
einer der anderen Perioden P1, P3, P4 bei einem zum Winkelpunkt φ =
x unterschiedlichen Winkelpunkt φ = y erzeugt werden. Für
eine optimale Stromregelung müsste der Geber 8 durch
eine aufwändige elektronische Vermessung dann erst wieder
auf den ursprünglichen Winkelpunkt φ = x ausgerichtet
werden.
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Erfindungsgemäß ist
dagegen die Hohlwelle 9 mit dem Läufer 7 in
dessen Drehrichtung nur in einer zahlenmäßig begrenzten,
von der Anzahl der Polpaare P abhängigen Anzahl unterschiedlicher
Stellungen des Läufers 7 in Bezug auf die Geberwelle verbindbar.
Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Welle 9 des
Gebers 8 in Bezug auf den Läufer 7 automatisch
derart ausgerichtet ist, dass das Nullsignal beim gleichen Winkelpunkt φ =
x der gleichen Periode P2 oder beim gleichen Winkelpunkt φ = x'
= x in einer der anderen Perioden P1, P3 oder P4 erzeugt wird.
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Da
der Läufer 7 ein Drehfeld mit vier Polpaaren erzeugt,
ist die Verbindung zwischen Welle 9 und Läufer 7 derart
ausgebil det, dass die Anzahl der unterschiedlichen Stellungen des
Läufers 7 in Bezug auf die Welle 9 ein
ganzzahliger Teiler der Anzahl der Polpaare P ist, das heißt,
dass entweder 1, 2 oder 4 unterschiedliche Stellungen des Läufers 7 in
Bezug auf die Welle 9 möglich sind. In jedem dieser
Fälle ist bei einer Neumontage des Gebers 8 automatisch eine
korrekte Ausrichtung der Welle 9 in Bezug auf den Läufer 7 sichergestellt.
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Wie
in 4 und 5 dargestellt, ist die Hohlwelle 9 mit
dem Läufer 7 durch einen Formschluss in Drehrichtung
des Läufers 7 verbindbar. Für diese formschlüssige
Verbindung ist eine Kupplung 10 vorgesehen, die zum einen
ein in seiner radialen Ausdehnung veränderbares Kupplungselement 15 und
zum anderen die Hohlwelle 9 des Gebers 8 als Gegenkupplungselement 14 aufweist.
Das Kupplungselement 15 ist hierbei ein Teil eines in 5 in Draufsicht
näher gezeigten Wellenadapters 13, der auf seiner
dem Geber 8 abgewandten Seite mittels Schrauben 26 drehfest
mit dem Läufer 7 verbunden ist und auf seiner
dem Geber 8 zugewandten Seite das Kupplungselement 15 aufweist.
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Zur
formschlüssigen Verbindung in Drehrichtung des Läufers 7 wird
die Hohlwelle 9 auf das Kupplungselement 15 geschoben,
wodurch das Kupplungselement 15 in einen dem Kupplungselement 15 zugewandten
Bereich 27 des von der Hohlwelle 9 umschlossenen
Innenraumes 21 eingreift. Die Innenwandung der Hohlwelle 9 in
diesem Bereich 27 des Innenraums 21 und die Oberfläche
des Kupplungselementes 15 in einem dem Geber 8 zugewandten
Bereich 20 weisen in Drehrichtung des Läufers 7 aneinander
angepasste Profilierungen auf, die beispielsweise als ein Mehrkantprofil
ausgebildet sind. Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 und 5 weisen
die Profilierungen in Drehrichtung ein Vierkantprofil auf, d. h.
es sind 4 unterschiedliche Stellungen des Läufers 7 in
Bezug auf die Hohlwelle 9 möglich.
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Grundsätzlich
wird bei einem Mehrkantprofil durch die Anzahl der Kanten in Drehrichtung
des Läufers 7 die Anzahl der unterschiedlichen
Stellungen des Läufers 7 in Bezug auf die Hohlwelle 9 bestimmt.
Diese muss jedoch mit der Anzahl der Pol paare abgestimmt sein, d.
h. die Anzahl der Kanten muss ein ganzzahliger Teiler der Polpaarzahl
sein.
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Das
Vierkantprofil des Kupplungselements 15 ist durch ein Spreizelement 16 in
seiner radialen Ausdehnung veränderbar und weist hierzu – wie
aus 5 entnehmbar – an den Ecken 23 zwischen
den Kanten 24 jeweils einen in axialer Richtung verlaufenden
Schlitz 25 auf. Das Spreizelement 16 weist einen
in Richtung zu dem Läufer 7 sich verjüngenden Durchmesser
und eine Bohrung 17 auf, durch die eine über die
Hohlwelle 9 zugeführte Schraube 18 in ein
in dem Wellenadapter 13 vorgesehenes Innengewinde 19 einschraubbar
ist.
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Ein
Einschrauben der Schraube 18 in das Innengewinder 19 führt
zu einer Bewegung des Spreizelementes 16 entlang der Drehachse 22 des
Läufers 7 in Richtung zu dem Läufer 7.
Hierdurch kommt es zu einer Aufspreizung des Vierkantprofils des Kupplungselementes 15 in
Richtung zu der Innenwandung der Hohlwelle 9. Das Spreizelement 16 wird so
weit in Richtung zu dem Läufer 7 geführt,
bis sich zwischen dem Vierkantprofil im Bereich 20 des
Kupplungselementes 15 und dem Vierkantprofil im Bereich 27 der
Hohlwelle 9 ein Formschluss in Drehrichtung des Läufers 7 und
ein Kraftschluss in Richtung der Drehachse 22 des Läufers 7 einstellt.
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Es
wird somit auf einfache Weise sichergestellt, dass bei einer erneuten
Montage eines Drehwinkelgebers 8 automatisch eine korrekte
Ausrichtung des Drehwinkelgebers 8 in Bezug auf den Läufer 7 erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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