DE102013012773A1

DE102013012773A1 - Electromotor has electrical conductors separately and electrically connected with magnetic poles that are provided with constant flux direction, are electrically commutated at stator or rotor and are separated with air gap

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Publication number: DE102013012773A1
Application number: DE201310012773
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2014-02-06

Abstract

The electromotor comprises several magnetic poles (31,32,34) that are selected from permanent or electrical energized unipolar magnetic poles and are provided with constant flux direction. The magnetic poles are electrically commutated at a stator (200) or a rotor (100) and separated with the air gap. The electrical conductors are separately and electrically connected with the magnetic poles.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor mit ungleicher Polzahl an Stator und Rotor und seine Steuerung.The invention relates to an electric motor with unequal number of poles on the stator and rotor and its control.

In DE 603 07 466 T2 ist ein Elektromotor beschrieben, bei welchem diskrete Einzelpole (Zahnwicklung) mit ungleicher Anzahl zur Zahl der Rotorpole gegeben ist. Dort dienen diese ungleichen Polzahlen aber nur der Minderung der Nutrastmomente eines Elektromotors.In DE 603 07 466 T2 An electric motor is described in which discrete single poles (tooth coil) of unequal number is given to the number of rotor poles. There, these unequal numbers of poles serve only to reduce the cogging torques of an electric motor.

In DE 10 2012 005 149 A1 ist ein Elektromotor gezeigt, bei dem die unipolaren Magnetpole die Zahl m = 2·k, k ∊ N; N = naürliche Zahl und die elektrisch kommutierbaren Magnetpole die Zahl j·m, j ∊ N; haben, wodurch für einen Elektromotor für eine gewünschte mechanische Abtriebsleistung M·ω mit M = Drehmoment; und ω = Winkelgeschwindigkeit; eine verringerte elektrische Leistung P_elek = U·I mit U = Spannung; und I = Strom; gegenüber einem Elektromotor mit identischer Polpaarzahl an Läufer und Stator benötigt.In DE 10 2012 005 149 A1 an electric motor is shown in which the unipolar magnetic poles have the number m = 2 * k, k ∈ N; N = natural number and the electrically commutatable magnetic poles the number j · m, j ε N; have, for an electric motor for a desired mechanical output power M · ω with M = torque; and ω = angular velocity; a reduced electric power P _elek = U * I with U = voltage; and I = current; compared to an electric motor with identical number of pole pairs of rotor and stator needed.

Beim erfindungsgemäßen Motor aber dient der Aufbau und die spezielle Ansteuerung dieses neuartigen Aufbaus nicht nur der Verminderung der Betriebsspannung, sondern auch der Erhöhung des Motordrehmoments.In the engine according to the invention, however, the structure and the special control of this novel structure not only serves to reduce the operating voltage, but also to increase the engine torque.

Damit wird erreicht, dass eine Erhöhung Motordrehmoments gegenüber konventionellen Elektromotoren bei gleichzeitiger Erniedrigung der benötigten elektrischen Leistung möglich wirdThis ensures that an increase in engine torque compared to conventional electric motors while lowering the required electrical power is possible

Die grundsätzliche Problematik von Elektromotoren mit Magnetpolen an Stator und Läufer liegt im Induktionsgesetz für die elektromagnetischen Pole. Für einen elektromagnetischen Pol gilt die Spannungsgleichung einer Spule u_q = N·dΦ/dt (Gl. 1) mit N = Wicklungszahl der Spule und Φ = A·B = magnetischer Fluß; A = Querschnittsfläche der Spule und B = Flussdichte (vgl. Böhm; elektrische Maschinen; Vogel Verlag 4. Aufl. 1996 ).The basic problem of electric motors with magnetic poles on the stator and rotor is in the law of induction for the electromagnetic poles. For an electromagnetic pole, the voltage equation of a coil applies u _q = N · dΦ / dt (equation 1) with N = winding number of the coil and Φ = A · B = magnetic flux; A = cross-sectional area of the coil and B = flux density (cf. Boehm; electrical machines; Vogel Verlag 4th ed. 1996 ).

Für Elektromotoren mit Magnetpolen an Stator und Rotor bleibt die Polfläche A konstant. Daher kann man Gleichung Gl. 1 ändern in: u_q = N·A·dB/dt (Gl. 2) For electric motors with magnetic poles on the stator and rotor, the pole face A remains constant. Therefore, equation Eq. 1 change to: u _q = N · A · dB / dt (Eq. 2)

Man erkennt, daß die Zeitspanne dt zur Umpolung eines Poles entscheidend ist für die Höhe des Spannungsbedarfs. Halbiert man dt, verdoppelt also die Frequenz, so verdoppelt man die Spannung u_q It can be seen that the time span dt for pole reversal is decisive for the magnitude of the voltage requirement. Halving dt, ie doubling the frequency doubles the voltage u _q

Die Spannungsgleichung der Spule soll anhand der Transformatorenhauptgleichung erläutert werden. (vgl. W. BIENECK; Elektro T – Grundlagen der Elektrotechnik; Holland + Josenhans, Stuttgart 1996 )The voltage equation of the coil should be explained using the main transformer equation. (see. W. BIENECK; Elektro T - Fundamentals of Electrical Engineering; Holland + Josenhans, Stuttgart 1996 )

Beim Transformatoren wird die Transformatorenhauptgleichung so hergeleitet:
Der Augenblickswert des Magnetflusses zum Zeitpunk t wird: Φ = –B'·A_Fe·cosωt (Gl. 3) mit

B': = Induktion, Maximalwert
A_Fe: = Eisenquerschnitt
ω: = Winkelgeschwindigkeit
t: = Zeitpunktswert

For transformers, the transformer main equation is derived as follows:
The instantaneous value of the magnetic flux at the time t is:

Φ = -B '· A _Fe · cosωt (Eq. 3)

With

B ': = Induction, maximum value
A _Fe: = Iron cross section
ω: = Angular velocity
t: = Time value

Der Augenblickswert der Spannung wird daher: U₀ = N₁·dΦ/dt = –N₁·B'·A_Fe·dcosωt/dt The instantaneous value of the voltage is therefore: U ₀ = N ₁ × dΦ / dt = -N ₁ × B '× A _Fe × dcosωt / dt

Mit N = Wicklungszahl und daraus: u₀ = 2π·f'N₁·B'·A_Fe·sinωt (Gl. 4) mit f = Frequenz
daraus wird dann der Effektivwert der Spannung U₀ = 2π/2^0,5·N₁·f·B'·A_Fe = = 4,44·N₁·f·B'·A_Fe (Transformatorenhauptgleichung) (Gl. 5) With N = number of turns and from this: u ₀ = 2π · f'N ₁ · B '· A _Fe · sinωt (Eq. 4) with f = frequency
this then becomes the rms value of the voltage U ₀ = 2π / 2 ^0.5 · N ₁ · f · B '· A _Fe = 4.44 · N ₁ · f · B' · A _Fe (main transformer equation) (Equation 5)

Wie wir erkennen ist der Effektivwert (Gl. 5) ein Durchschnittswert. Bei einem Motor wirken aber die Zeitpunktwerte während einer Frequenzschwingung mit (Gl. 4)As we can see, the RMS value (equation 5) is an average value. In the case of a motor, however, the instantaneous values during a frequency oscillation act (equation 4)

Die Erfindung und ihre Steuerung wird anhand der 1–8 erläutert.The invention and its control is based on the 1 - 8th explained.

Man betrachte zunächst nun in 1 den Grund für die Drehung eines Elektromotors mit Magnetpolen an Läufer und Stator. Zwischen zwei Gleichpolen an Läufer (100) und Stator (200) werden die Magnetlinien (201) zu den Rändern und damit zum Gegenpol verdrängt. Man erkennt, dass damit am Läufer die Magnetlinien immer in dieselbe Richtung ziehen.First, look in now 1 the reason for the rotation of an electric motor with magnetic poles on rotor and stator. Between two equal poles to runners ( 100 ) and stator ( 200 ) the magnetic lines ( 201 ) to the edges and thus displaced to the opposite pole. It can be seen that the magnetic lines always move in the same direction on the runner.

2 wird ein erfindungsgemäßer Elektromotor gezeigt, bei welchem zwei parallele Läuferräder mit entgegengesetzten Polen (32, 34) nebeneinander drehen und mit parallel zur Drehachse gelegten Spulen mit Eisenkern (31), deren Polbreite die Länge 1/n·l; n ∊ N; l = Länge eines Läuferpols (32, 34) sind und mit n separat angesteuerten Wicklungen (33) um jeden n-ten Eisenkern (31), wobei diese Wicklungen so ausgeführt werden, dass bei je zwei an der Wicklung aufeinander folgenden Eisenkernen die magnetischen Durchflutungen entgegengesetzt sind. 2 an electric motor according to the invention is shown in which two parallel rotor wheels with opposite poles ( 32 . 34 ) rotate side by side and with parallel to the axis of rotation placed coils with iron core ( 31 ) whose pole width is 1 / n · l long; n ∈ N; l = length of a rotor pole ( 32 . 34 ) and with n separately driven windings ( 33 ) around every nth iron core ( 31 ), wherein these windings are carried out in such a way that, with two iron cores succeeding each other on the winding, the magnetic fluxes are opposite.

3 zeigt zur Vergleichbarkeit der Berechnung das Laufbild eines konventionellen 4-poligen E-Motors mit einem Innenläufer (12) mit Permanentpolen, einem Aussenläufer (11) mit Permanentpolen und elektromagnetisch angesteuerten Polen (21) zwischen beiden Läufern. Man erkennt, dass die maximale magnetische Durchflutung der elektromagnetischen Pole dann gegeben ist, wenn der Polwechselspalt (13) in der Mitte eines elektromagnetischen Pols ist. (ganz links) und 0 ist, wenn die Polwechselspalte übereinander liegen. (Laufbild halbrechts) und die magnetische Durchflutung sich dann umdreht.. 3 shows the running picture of a conventional 4-pole e-motor with an internal rotor (FIG. 12 ) with permanent poles, an external rotor ( 11 ) with permanent poles and electromagnetically driven poles ( 21 ) between both runners. It can be seen that the maximum magnetic flux of the electromagnetic poles is given when the pole-changing gap ( 13 ) in the middle of an electromagnetic pole. (far left) and 0 if the pole change gaps are on top of each other. (Motion picture half right) and the magnetic flux then turns ..

Wie in 4 gezeigt ist, ist die mittlere (effektive) Durchflutung eines Poles ((sin90 + sin60)/2 + (sin60 + sin30)/2 + (sin30 + sin0)/2)/3 = 0,622·B'As in 4 is the mean (effective) flux through a pole ((sin90 + sin60) / 2 + (sin60 + sin30) / 2 + (sin30 + sin0) / 2) / 3 = 0.622 · B '

Die effektive Zugkraft am Luftspalt ist dann (Anzahl der Polwechselspalte)·0,622·B' = 8·0,622·B' = = 4,976·B' ≈ 5·B'The effective tensile force at the air gap is then (number of pole change gaps) x 0.622 x B '= 8 x 0.622 x B' = 4.976 x B 'x 5 x B'

In 5 und 6 ist der Aufbau und die Steuerung des erfindungsgemäßen Motors gezeigt. Wie in 3 ist hier ein Aussenläufer mit Permanentmagnetpolen (32) und ein Innenläufer mit Permanentmagnetpolen (34) und zwischenliegenden elektromagnetischen Polen (31). Im Gegensatz zum konventionellen Elektromotor haben wir pro Permanentpol 4 elektromagnetische Pole (a, b, c, d). Dabei ist die Durchflutung dieser Pole so angesteuert, dass sie um eine achtel Schwingung (45°) zueinander versetzt sind. D. h. jeder 4. Pol hangt am gleichen Wicklungsstrang, ist aber entgegengesetzt zum vorhergehenden Pol am gleichen Strang in der Magentisierung orientiert. Gehen wir von einem Pol c (oben links) mit der Durchflutung sin0·B' im Uhrzeigersinn weiter, dann hat der Pol b die Durchflutung sin45·B', der Pol a sin90·B, der Pol d sin 135·B', der Pol c sin180·B', der Pol b die Durchflutung sin225·B', der Pol a sin270·B', der Pol d sin315·B' und der Pol c wieder sin0·B'. Die Pole a, b, c, d werden immer dann umgesteuert, wenn sich die Polwechselkante des Läufers über ihnen befindet.In 5 and 6 the construction and the control of the motor according to the invention is shown. As in 3 Here is an external rotor with permanent magnet poles ( 32 ) and an internal rotor with permanent magnet poles ( 34 ) and intermediate electromagnetic poles ( 31 ). In contrast to the conventional electric motor, we have 4 electromagnetic poles per pole (a, b, c, d). The flooding of these poles is controlled so that they are offset by a achtel vibration (45 °) to each other. Ie. every 4th pole hangs on the same winding strand, but is oriented opposite to the previous pole on the same strand in the magentization. If we continue from a pole c (top left) with the flux sin0 · B 'in the clockwise direction, then the pole b has the flux sin45 · B', the pole a sin90 · B, the pole d sin 135 · B ' Pol c sin180 · B ', the pole b the flux sin225 · B', the pole a sin270 · B ', the pole d sin315 · B' and the pole c again sin0 · B '. The poles a, b, c, d are always reversed when the pole changing edge of the rotor is above them.

7 ist das Laufbild eines erfindungsgemäßen Motors gezeigt, Man erkennt, dass die Polwechselkanten der Läufer immer sich immer über einem Pol mit nahezu Maximaldurchflutung befindet, dass also man bei 4 Polwechselkanten der Läufer an diesen die mittlere Zugkraft 4·(sin90 + sin65)/2 = 3,81·B' hat. 7 It is seen that the pole changing edges of the rotor is always always above a pole with almost maximum flux, so that at 4 pole changing edges of the rotor at this the average tensile force 4 · (sin90 + sin65) / 2 = 3.81 · B 'has.

8 zeigt nun ein verfeinertes Laufbild. Dies wird zur Berechnung der Wirkkräfte unter einem Läuferpol genutzt. Unter jedem Läuferpol sind 4 Polkanten des Stators, an denen ein Durchflutungsgefälle und damit eine Ablenkung der Magnetlinien zum stärker durchfluteten Magnetpol erfolgt. Da sich die Durchflutungsabfolge alle 25° wiederholt, untersuchen wir nur das Polakantengefälle auf den 25 Grad, auf denen sich der Polwechselspalt des Läufers von der Mitte eines Pols zu einem Polwechselspalt des Stators bewegt. 1 P2/P3 P3/P4 P4/P1 Summe 2 Oben links 0,354 0,354 0,146 0,854 3 Oben rechts - 0,365 0,203 0,559 4 Unten links - 0,369 0,229 0,598 5 Unten rechts - 0,374 0,262 0,636 6 (Z2 + Z3)/2 - - - 0,7065 7 (Z3 + Z4)/2 - - - 0,5785 8 (Z4 + Z5)/2 - - - 0,617 8th now shows a refined motion picture. This is used to calculate the effective forces under a rotor pole. Under each rotor pole are 4 pole edges of the stator, where a flooding gradient and thus a deflection of the magnetic lines to the stronger flooded magnetic pole takes place. Since the sequence of fluxes repeats every 25 °, we examine only the pole edge gradient to the 25 degrees at which the pole change gap of the rotor moves from the center of a pole to a pole change gap of the stator. 1 P2 / P3 P3 / P4 P4 / P1 total 2 Top left 0.354 0.354 0.146 0.854 3 Top right - 0.365 0,203 0,559 4 Bottom left - 0.369 0.229 0,598 5 Bottom right - 0.374 0,262 0.636 6 (Z2 + Z3) / 2 - - - .7065 7 (Z3 + Z4) / 2 - - - .5785 8th (Z4 + Z5) / 2 - - - 0.617

Damit ist die mittlere Zugkraft unter einem Läuferpol (0,7065 + 0,5785 + 0,617)/3 = 0,634. Bei vier Läuferpolen also 4·0,634 = 2,536Thus, the mean tensile force under a rotor pole is (0.7065 + 0.5785 + 0.617) / 3 = 0.634. With four rotor poles, therefore, 4 · 0.634 = 2.536

Insgesamt hat der erfindungsgemäße Motor die Zugkraft (3,81 + 2,536)·B' = 6,346·B'. Beim erfindungsgemäßen Motor erhöht sich damit die Drehkraft auf das 6,346/5 = 1,269 um 26,9%.Overall, the motor according to the invention has the tensile force (3.81 + 2.536) · B '= 6.346 · B'. In the engine according to the invention, the torque increases to 6.466 / 5 = 1.269 by 26.9%.

Nun wollen wir die Leistungsaufnahme der beiden Motoren bei identischen B' = μ₀·μ_r·H berechnen.Now we want to calculate the power consumption of the two motors with identical B '= μ ₀ · μ _r · H.

Für eine kurze Spule gilt die Formel H₀ = I₀·N/(l² + d²)^0,5 For a short coil, the formula H ₀ = I ₀ * N / (I ² + d ² ) ^0.5

Beim alten Motor ist die Polfläche das Vierfache der Polfläche des erfindungsgemäßen Motors.In the old engine, the pole face is four times the pole face of the motor according to the invention.

Der Durchmesser d_alt = 2·d_erf.The diameter d _alt = 2 · d _erf .

Die Polfäche des Altmotors sei 1600 = r² _alt die des erfindungsgemäßen Motors also 400 = r² _erf The Polfäche of the old engine is 1600 = r ² _old that of the engine according to the invention therefore 400 = r ² _erf

Dann wird d_alt = 80, d_erf = 40.Then d _old = 80, d _erf = 40.

Die Länge l = 10 sei bei beiden Spulen identisch. N_alt·I₀/(10² + 80²)^0,5 = H₀ = N_erf·I₀/(10² + 40²)^0,5 ⇒ N_alt/80,62 = N_erf/41,23 ⇒ N_alt = 1,955·N_erf The length l = 10 is identical for both coils. N _old · I ₀ / (10 ² + 80 ² ) ^0.5 = H ₀ = N _satisfy ₀ / (10 ² + 40 ² ) ^0.5 ⇒ N _old / 80.62 = N _erf / 41.23 ⇒ N _alt = 1.955 · N _erf

Bei identischem I₀ in den Wicklungen folgt mit Hilfe der Transformatorenhauptgleichung für einen Pol: U_alt(1) = 4,44·N_alt·f·B'·1600 = 4,44·1,955·N_erf·f·B'·1600 = 3128·(4,44·N_erf·f·B') With identical I ₀ in the windings follows with the help of the transformer main equation for a pole: U _old (1) = 4.44 × N _old × f × B '× 1600 = 4.44 × 1.955 × N _erf × f × B' × 1600 = 3128 × (4.44 × N _erf · f × B ') )

Bei 4 Polen ist also P_alt = I₀·4·3128·(4,44·N_erf·f·B') = I₀·12512·(4,44·N_erf·f·B') At 4 poles is so P _alt = I ₀ · 4 · 3128 · (4.44 · N _erf · f · B ') = I ₀ · 12512 · (4.44 · N _erf · f · B')

Für einen Pol des erfindungsgemäßen Motors wird die Transformatorenhauptgleichung wird U_erf(1) = 4,44·N_alt·f·B'·400 = 4,44·N_erf·f·B'·400 = 400·(4,44·N_erf·f·B') bei 4 in Reihe geschalteten Polen wird die Spannung das 4-fache für einen Wicklungsstrang also bei I₀ in der Wicklung wird P_einzel = 4·(I₀·400·(4,44·N_erf·f·B') = I₀·1600·(4,44·N_erf·f·B') For one pole of the motor according to the invention becomes the main transformer equation U _erf (1) = 4.44 × N _old × f × B '× 400 = 4.44 × N _erf × f × B' × 400 = 400 × (4.44 × N _erf · f × B ') with 4 poles connected in series, the voltage will become 4 times for one winding strand, ie at I ₀ in the winding P _individual = 4 * (I ₀ * 400 * (4.44 * N _erf * f 'B') = I ₀ * 1600 * (4.44 * N _erf · f * B ')

Bei 4 Wicklungssträngen wird die elektrische Gesamtleistung: P_erf = 4·I₀·1600·(4,44·N_erf·f·B') = 6400·I₀·(4,44·N_erf·f·B') With 4 winding strands the total electrical power is: P _erf = 4 · I ₀ · 1600 · (4.44 · N _erf · f · B ') = 6400 · I ₀ · (4.44 · N _erf · f · B')

Dadurch wird P_erf/P_alt = 6400·I₀·(4,44·N_erf·f·B')/I₀·12512·(4,44·N_erf·f·B') = 6400/12512 = 0,5115 This will P _erf / P _old = 6400 * I ₀ * (4.44 * N _erf · f * B ') / I ₀ * 12512 * (4.44 * N _erf · f * B') = 6400/12512 = 0, 5115

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 60307466 T2 [0002]
DE 102012005149 A1 [0003]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Boehm; electrical machines; Vogel Verlag 4th ed. 1996 [0006]
W. BIENECK; Elektro T - Fundamentals of Electrical Engineering; Holland + Josenhans, Stuttgart 1996 [0009]

Claims

Electric motor with m first magnetic poles constant flux direction (permanent poles or electrically excited unipolar magnetic poles) to runners or stator and n · j second electrically commutated magnetic poles on stator or rotor, characterized in that the first magnetic poles ( 32 . 34 ;) at the air gap the number m, m ε N, m = even number; and the second, electrically commutatable magnetic poles ( 31 ) have the number k = m · j with k, j ∈ N, j> 1 and with j separate electrical conductors around each j-th electrically commutatable pole, which are switched on or off separately.

Electric motor according to claim 1, additionally characterized in that the pole length of j second magnetic poles ( 31 ) is equal to the length of a first magnetic pole ( 32 . 34 )

Electric motor according to claim 1 or 2, additionally characterized in that the j separate conductor strands ( 33 ) with which in each case m poles k _i , ( 31 ) i = 1 ... j be switched so that in each case two adjacent poles on this conductor strand have an opposite magnetic orientation identical flooding strength.

Electric motor according to one of the claims 1-3, additionally characterized in that the polarity reversal of the conductor strands i, i = 1 ... j at a given engine speed at equal intervals dt takes place.

Electric motor under claim 4, additionally characterized in that the polarity reversal of the conductor strand i, i = 1 ... j arranged second magnetic poles ( 31 ) always takes place when the pole edge ( 13 ) of the first magnetic poles ( 9 ) moved over it.

Electric motor according to one of the claims 1-5, additionally characterized in that the motor has two separate rings of first magnetic poles ( 32 . 34 ), to which the two pole ends of the second magnetic poles ( 31 ) Act

Electric motor according to one of the claims 1-6, additionally characterized in that the motor is connected to a conventional generator and drives it, so that it generates a higher voltage than it consumes.