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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine
Ausführungsform
betrifft allgemein elektrische Maschinen mit dualem Stator.
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Elektrische
Maschinen sind typischerweise entworfen, um eine spezielle Betriebskennzahl
zu erreichen. Beispielsweise weisen elektrische Maschinen mit Glockenläufern Eigenschaften
mit sehr niedriger Massenträgheit
auf. Induktionsmaschinen zeigen typischerweise Eigenschaften frei
von Drehmomentwelligkeit, während
herkömmliche
Permanentmagnet-Synchronmaschinen
hohe Verhältnisse
von Drehmoment zu Strom zeigen. Das Erreichen einer jeweiligen speziellen
Betriebskennzahl führt
jedoch typischerweise zur Aufgabe anderer Betriebskennzahlen. Während jedes
der vorstehenden Beispiele eine der gewünschten Betriebskennzahlen
erreicht, erfolgt dies oft auf Kosten des nicht Erreichens einer der
anderen jeweiligen gewünschten
Betriebskennzahlen. Das heißt,
dass keine der vorstehend beschriebenen Einrichtungen in der Lage
ist, alle gewünschten
Betriebskennzahlen in einer einzigen elektrischen Maschine zu zeigen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Vorteil einer Ausführungsform
der Erfindung ist eine elektrische Maschine, die optimale Betriebskennzahlen
bereitstellt, wie etwa ein hohes Verhältnis von Drehmoment zu Strom,
ein hohes Verhältnis
von Drehmoment zu Massenträgheit
und eine niedrige Drehmomentwelligkeit.
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Eine
Ausführungsform
betrachtet eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine umfasst eine
Vielzahl von Magneten zur Erzeugung eines ersten Magnetfelds. Eine
Magnethaltevorrichtung hält die
Vielzahl von Magneten fest. Die Magnethaltevorrichtung weist eine
kreisförmige
Konfiguration auf, wobei die Vielzahl von Magneten gleichmäßig um die kreisförmige Konfiguration
der Magnethaltevorrichtung herum positioniert ist. Ein erster Stator
ist von dem Magnet aus radial außerhalb angeordnet, um ein
zweites Magnetfeld zu erzeugen. Der Magnet und der erste Stator
weisen einen dazwischen ausgebildeten ersten Luftspalt auf. Der
erste Stator umfasst eine Vielzahl von Statorpolen, die durch Nuten
getrennt sind, wobei jeder der Statorpole eine konzentrierte Wicklung
mit einer jeweiligen Anzahl von Windungen, die um jeden jeweiligen
Statorpol herum ausgebildet sind, aufweist. Jede jeweilige konzentrierte
Wicklung innerhalb des ersten Stators umfasst sich nicht überschneidende
Wicklungen. Ein zweiter Stator ist von dem Magnet aus radial innerhalb
angeordnet, um ein drittes Magnetfeld zu erzeugen. Der Magnet und
der zweite Stator weisen einen dazwischen ausgebildeten zweiten
Luftspalt auf. Der zweite Stator weist eine Vielzahl von Statorpolen
auf, die durch Nuten getrennt sind, wobei jeder der Statorpole eine
konzentrierte Wicklung mit einer jeweiligen Anzahl von Windungen,
die um jeden jeweiligen Statorpol herum ausgebildet sind, aufweist.
Jede jeweilige konzentrierte Wicklung innerhalb des zweiten Stators umfasst
sich nicht überschneidende
Wicklungen. Die Magnethaltevorrichtung und die darin festgehaltenen Magnete
sind zwischen dem ersten Stator und dem zweiten Stator drehbar.
Die Verwendung konzentrierter Wicklungen des ersten Stators und
des zweiten Stators erhöht
die aktive Länge
des Stators innerhalb einer Baugröße, indem die Länge der
Endwindung verringert wird, und erhöht als Folge die Drehmomentdichte.
Die konzentrierte Wicklung verringert einen Überhang jeder jeweiligen Wicklung
mit Bezug auf jeden Statorpol jedes Stators, um den Maschinenwirkungsgrad
zu verbessern.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsansicht einer elektrischen Maschine entlang einer
diametralen Ebene.
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2 ist
eine Querschnittsansicht der elektrischen Maschine entlang einer
Querebene.
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3 ist
eine Querschnittsansicht einer magnetischen Haltevorrichtung und
eines Magneten.
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4 ist
ein elektrischer Schaltplan einer konzentrierten Wicklungskonfiguration
für eine
dreiphasige elektrische Maschine.
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5 ist
ein elektrischer Schaltplan einer konzentrierten Wicklungskonfiguration
für eine
erste Phase der elektrischen Maschine.
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6 ist
ein elektrischer Schaltplan einer konzentrierten Wicklungskonfiguration
für eine
zweite Phase der elektrischen Maschine.
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7 ist
ein elektrischer Schaltplan einer konzentrierten Wicklungskonfiguration
für eine
dritte Phase der elektrischen Maschine.
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8 ist
ein elektrischer Schaltplan einer Wicklungskonfiguration für eine herkömmliche
sich überschneidende
Wicklung nach dem Stand der Technik.
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9 ist
eine Tabelle, die optimierte Kombinationen von Rotorpolen zu Statornuten
veranschaulicht.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit
Bezug sowohl auf 1 als auch auf 2 sind
Querschnittsansichten einer elektrischen Maschine 10 entlang
einer diametralen Ebene bzw. einer Querebene gezeigt. Die elektrische
Maschine 10, wie sie hier beschrieben ist, wird für Einrichtungen
und Systeme verwendet, die ein hohes Drehmoment und schnelle Ansprechzeiten
benötigen,
wie etwa semiaktive oder aktive Federungssysteme, elektrische Servolenkungssysteme,
elektromechanische Bremssysteme oder ähnliche Systeme. Die elektrische
Maschine 10 ist eine elektrische Maschine mit dualem Stator,
die einen ersten Stator 12 und einen zweiten Stator 14 aufweist,
die innerhalb eines Maschinengehäuses 15 befestigt
sind. Der erste Stator 12 und der zweite Stator 14 sind
innerhalb des Maschinengehäuses 15 zueinander
koaxial und weisen verschiedene Durchmesser auf. Der erste Stator 12 und
der zweite Stator 14 weisen konzentrierte Wicklungen auf.
Konzentrierte Wicklungen sind sich nicht überschneidende Wicklungen,
welche nachstehend im Detail beschrieben sind.
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Eine
Vielzahl von Magneten 16 ist radial zwischen dem ersten
Stator 12 und dem zweiten Stator 14 angeordnet.
Die Vielzahl von Magneten 16 wird von einer Magnethaltevorrichtung 18 in
einer zylindrischen Konfiguration festgehalten und beide sind in dem
Raum drehbar, der zwischen dem ersten Stator 12 und dem
zweiten Stator 14 geschaffen ist. Eine Quer schnittsansicht
der Magnethaltevorrichtung 18 und eines jeweiligen Magnets
sind in 3 allgemein gezeigt. Es versteht
sich, dass die Magnethaltevorrichtung nur eine Ausgestaltung ist
und nicht auf die veranschaulichte Magnethaltevorrichtung beschränkt ist.
Der erste Stator 12 ist um eine jeweilige Distanz radial
außerhalb
der Vielzahl von Magneten 16 angeordnet, wodurch dazwischen
ein erster Luftspalt 20 ausgebildet wird. Der zweite Stator 14 ist um
eine jeweilige Distanz radial innerhalb zu der Magnethaltevorrichtung 18 angeordnet,
wodurch dazwischen ein zweiter Luftspalt 22 ausgebildet
wird. Der erste Stator 12 erzeugt in Zusammenarbeit mit
dem zweiten Stator 14 und der Vielzahl von Magneten 16 wie
gezeigt einen Flusspfad, um ein elektromagnetisches Feld zu schaffen,
welches in mechanische Energie in der Form eines Drehmoments umgesetzt wird.
Die Ausrichtung der Statorpole des ersten Stators 12 zu
den Statorpolen des zweiten Stators 14 ist zueinander um
einen Winkel versetzt. Es versteht sich, dass die jeweiligen Statorpole
beider jeweiligen Statoren in Abhängigkeit von den spezifischen
Betriebsanforderungen der elektrischen Maschine im Winkel aufeinander
ausgerichtet sein können
oder wie veranschaulicht zueinander um einen Winkel versetzt sein
können.
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Die
Magnethaltevorrichtung 18 ist an einem ersten Ende der
Magnethaltevorrichtung 18 mit einer Welle 24 gekoppelt.
Die Magnethaltevorrichtung 18 wird an einem zweiten Ende
der Magnethaltevorrichtung 18 von einer Lageroberfläche 25 gestützt. Die Welle
verläuft
axial durch die elektrische Maschine 10 hindurch und ist
koaxial zu der Vielzahl von Magneten 16. Ein erstes Lager 26 und
ein zweites Lager 28 stützen
die Welle 24 dort ab, wo sie durch das Maschinengehäuse 15 hindurch
verläuft.
Die Welle verläuft
durch Öffnungen
in dem Maschinengehäuse 15 hindurch
und ist zur Kopplung mit einer jeweiligen Komponente 29 außerhalb
der elektrischen Maschine 10 ausgestaltet, um ein Drehmoment
auf die jeweilige Komponente 29 aufzubringen. Die Komponente
kann ein Stellglied für
das aktive Federungssystem, das elektrische Lenkungssystem, das
elektrische Bremssystem oder ein ähnliches System umfassen. Die
Magnethaltevorrichtung 18 besteht vorzugsweise aus einem
nicht magnetischen Edelstahl. Alternativ kann die Magnethaltevorrichtung 18 aus anderen
nicht magnetischen Materialien hergestellt sein, die eine angemessene
Festigkeit bereitstellen, um ein mechanisches Drehmoment an das
jeweilige Fahrzeugsystem zu übertragen.
Die magnetische Haltevorrichtung 18 zusammen mit der Lageroberfläche 25 und
der Kopplung mit der Welle 24, welche durch die Lager 26 und 28 abgestützt ist,
halten eine räumliche
Beziehung zwischen dem ersten und zweiten Stator 12 und 14 aufrecht.
Die jeweiligen Lager ermöglichen,
dass die Magnethaltevorrichtung 18 und die Vielzahl von
Magneten 16 in dem Raum rotieren, der zwischen dem ersten
Stator 12 und dem zweiten Stator 14 radial ausgebildet
ist.
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Die
elektrische Maschine 10, wie sie in 1 gezeigt
ist, beseitigt den herkömmlichen
Rotor mit einer einstückig
ausgebildeten Rotorwelle, der typischerweise bei herkömmlichen
Elektromotoren verwendet wird, wie etwa elektrischen Permanentmagnetmaschinen.
Der zweite Stator 14 wirkt zusammen mit dem zweiten Luftspalt 22 nicht
nur als der Rotorkern zum Bereitstellen des magnetischen Flusspfads,
der bei einem Standardpermanentmagnetmotor sonst durch den Rotorkern
bereitgestellt wird, sondern er erzeugt auch ein Drehmoment, um
die Drehmomentdichte zu erhöhen.
Die Beseitigung des herkömmlichen
Rotorkerns und der einstückig
ausgebildeten Welle verringert das Gesamtgewicht des drehenden Teils
der elektrischen Maschine, wodurch die Massenträgheit der elektrischen Maschine 10 verringert
wird. Gleichzeitig kann der zweite innere Stator zusammen mit dem
kernlosen Rotor ein zusätzliches
Drehmoment zusätzlich
zu dem Drehmoment erzeugen, das von dem ersten Stator und dem kernlosen
PM-Rotor erzeugt wird, um die Drehmomentdichte innerhalb der Baugröße zu erhöhen.
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Wie
vorstehend erörtert
wurde, weisen sowohl der erste Stator 12 als auch der zweite
Stator 14 sich nicht überschneidende
konzentrierte Wicklungen auf. 4–7 zeigen
Wicklungskonfigurationen, welche die konzentrierte Wicklung veranschaulichen.
Es versteht sich, dass die Wicklung der konzentrierten Wicklungskonfiguration
als Beispiel dient und dass hier eine beliebige Konfiguration mit
konzentrierten Wicklungen verwendet werden kann. Der Elektromotor 10 ist
ein dreiphasiger Motor mit einer ersten Phase (A), einer zweiten
Phase (B) und einer dritten Phase (C).
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Ein
jeweiliges Paar nacheinander gewickelter Statorpole ist durch den
Statorpol 32 und den Statorpol 34 dargestellt
und veranschaulicht konzentrierte Wicklungskonfigurationen. Wicklungen
um die Statorpole 32 und 34 herum sind mit der
Phase A elektrisch gekoppelt. Eine erste Wicklung 36 ist
um den Statorpol 32 herum in einer konzentrierten Konfiguration
ausgebildet, was umfasst, dass der Statorpol 32 mit einer
vorbestimmten Anzahl von Windungen kontinuierlich umwickelt wird,
bevor ein Ausgangsdraht 38 den Statorpol 32 verlässt und
ohne Unterbrechung mit dem nächsten
Statorpol 34 fortfährt.
Bei dem Statorpol 34 wird eine zweite Wicklung 40 ausgebildet,
indem der Statorpol 34 mit einer vorbestimmten Anzahl von
Windungen kontinuierlich umwickelt wird. Die zweite Wicklung 40 wird
danach mit einem Neutralpunkt 30 elektrisch gekoppelt.
Ein nächstes
nachfolgendes Paar von Statorpolen ist unter Verwendung der konzentrierten
Wicklungskonfiguration mit Phase B elektrisch gekoppelt. Auf ähnliche
Weise ist das nächste
nachfolgende Paar von Statorpolen unter Verwendung der konzentrierten Wicklungskonfiguration
mit der Phase C elektrisch gekoppelt. Das Wicklungsmuster wird für jedes
der verbleibenden nachfolgenden Paare von Statorpolen des jeweiligen
Stators wiederholt. Im Gegensatz dazu umfasst eine herkömmliche
sich überschneidende
Wicklungskonfiguration, dass ein jeweiliger Pol unter Verwendung
nur einer einzigen Windung umwickelt wird, bevor zu einem nächsten Pol
weitergegangen wird. Das Wickeln der herkömmlichen sich überschneidenden
Konfiguration wird nachfolgend fortgesetzt, wodurch man schließlich zu
jedem zuvor umwickelten Pol zurückkehrt,
um zusätzliche
Windungen um den Statorpol herum hinzuzufügen. Als Folge wird die Anzahl
von Ausgangsdrähten,
welche die aufeinanderfolgenden Statorpole elektrisch verbinden,
gleich der Anzahl der Windungen sein, die an jedem Statorpol ausgebildet
sind. Die Vielzahl von Ausgangsdrähten zwischen aufeinanderfolgenden Polen überschneidet
einander, wodurch ein Überhang
geschaffen wird, der sich von dem jeweiligen Stator radial nach
außen
erstreckt, wie in 8 veranschaulicht ist. Bei der
in 4 gezeigten bevorzugten Ausführungsform verbindet nur ein
einziger Ausgangsdraht ein jeweiliges Paar von Statorpolen auf elektrische
Weise. Der einzige sich nicht überschneidende
Ausgangsdraht führt
zu einem wesentlich verringerten Überhang im Vergleich zu der
herkömmlichen
sich überschneidenden
Wicklungskonfiguration. Die Verringerung des Überhangs führt zu einer Erhöhung der
aktiven Länge
des Stators innerhalb der Baugröße zum Erhöhen der
Drehmomentdichte und des Füllfaktors
der Wicklung, der für
eine höhere
Leistungsdichte mit schnellen Reaktionszeiten sorgt. Das heißt, dass
bei der konzentrierten Wicklungskonfiguration der Hauptanteil der
Gesamtwicklung als Teil der Windungen ausgebildet ist im Gegensatz
zu den Ausgangsdrähten,
welche die jeweiligen Windungen koppeln, wodurch die Länge der gesamten
Wicklung auf jeden der jeweiligen Statorpole konzentriert wird.
Dies führt
zu einer Verringerung des Statorkupferverlusts und zu einer Verbesserung
des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine. Bei gleicher Baugröße führt die
verringerte Länge
der Endwindungen zu einer längeren
aktiven Statorlänge,
wodurch ein hohes Verhältnis
von Drehmoment zu Strom oder eine hohe Leis tungsdichte für den gleichen
Betriebsbereich erreicht wird. Aufgrund des verbesserten Wirkungsgrads
beeinflusst die erhöhte Maschinenleistungsdichte
ihr Temperaturverhalten nicht.
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Beim
Verwenden der elektrischen Maschine mit konzentrierten Wicklungen
kann eine im Vergleich zu einem herkömmlichen Rotor erhöhte Anzahl
von Rotorpolen (d. h. Magneten) bevorzugt verwendet werden. Das
Erhöhen
der Anzahl von Polen ermöglicht
es, die Dicke des Statorkerns zu verringern. Ein Verringern der
Statorkerndicke führt
zusätzlich
zur Beseitigung des herkömmlichen
mit der Welle einstückig
ausgebildeten Rotorkerns zu einer Gesamtgewichtsverringerung der
elektrischen Maschine. Darüber
hinaus erzeugt das Erhöhen
der Anzahl der Pole in der elektrischen Maschine auch eine sinusförmige Gegen-EMK,
die den Vorteil des Verringerns einer Drehmomentwelligkeit bereitstellt.
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Es
versteht sich, dass eine jeweilige Pol/Nut-Kombination gewählt werden
kann, um den Drehmomentabtrieb der elektrischen Maschine zusätzlich zur
Verringerung der Stromentnahme und der Drehmomentwelligkeit zu optimieren. 9 veranschaulicht
eine Tabelle, die eine Kombination von Rotorpolen (d. h. Magneten)
zu Statornuten aufzeigt. Die Tabelle zeigt einen Faktor mit kleinstem
gemeinsamem Vielfachen (KGV) zwischen der Kombination von Rotorpolen
und Statornuten auf, und bei einigen Kombinationen ist zusätzlich ein
Wicklungsfaktor gezeigt. Das KGV ist die kleinste ganze Zahl, die
durch jeden der Kombinationswerte teilbar ist. Je höher der KGV-Faktor
ist, desto niedriger ist die Drehmomentwelligkeit, die erzeugt wird.
Vorzugsweise wird eine Rotorpolzahl größer als 8 gewählt und
es muss eine Kombination aus Rotorpolen und Nuten gewählt werden,
die ein KGV von mindestens 36 aufweist.
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Der
Wicklungsfaktor ist durch das Verhältnis eines Flusses, der durch
eine tatsächliche
Wicklung gekoppelt ist, zu einem Fluss definiert, der von einer konzentrierten
Durchmesserwicklung [engl.: full pitch concentrated winding] mit
der gleichen Anzahl von Windungen gekoppelt würde. Je höher der Wert des Wicklungsfaktors
ist, desto höher
ist die Drehmomentdichte. Vorzugsweise wird ein Wicklungsfaktor gewählt, der
größer als
0,7 ist.
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Wenn
eine Kombination gewählt
wird, welche die hier beschriebenen Vorteile bietet, sollte eine Kombination
gewählt
werden, die das höchste
KGV und den höchsten
Wicklungsfaktor bietet. Das Wählen
der Kombination mit dem höchsten
KGV und Wicklungsfaktor weist jedoch Nachteile auf. Zum Beispiel
können
diejenigen Kombinationen, die eine ungerade Anzahl von Statornuten
aufweisen, einen nicht ausgewogenen magnetischen Zug induzieren, der
zu Vibrationen führt.
Kombinationen, die akzeptable Wahlmöglichkeiten darstellen, sind
diejenigen, die mit einer Sternchenkennung gekennzeichnet sind.
Diejenigen Kombinationen, die hohe KGV-Werte und Wicklungsfaktoren
aufweisen, bei denen man aber Vibrationen befürchtet, sind diejenigen mit
einer ungeraden Anzahl von Nuten, und diese sind durch eine #-Kennung
dargestellt.
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Obwohl
einige Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden
Fachleute auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, verschiedene
alternative Entwürfe und
Ausführungsformen
zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis, welche durch die folgenden
Ansprüche
definiert sind, erkennen.