DE102014222064B4 - Electric machine - Google Patents
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Abstract
Elektrische Maschine (1) mit elektronischer Kommutierung, umfassend:- einen kreiszylindrischen Stator (2) mit beabstandeten Statorzähnen (22), wobei ein Teil der Statorzähne (22) von Statorspulen (3) als Einzelzahnwicklungen umgeben sind, so dass sich in keiner der zwischen den Statorzähnen (22) ausgebildeten Statornuten (23) mehr als ein Spulenseite (31) einer Statorspule (3) befindet, wobei die Statorspulen (3) in mehreren Gruppen unterteilt sind, die über separate Sternpunkte verschaltet sind;- einen Läufer (4), der relativ zum Stator (2) drehbeweglich gelagert ist und durch oberflächenmontierte Permanentmagnete (41) gebildete Läuferpole (42) aufweist;- wobei das Verhältnis der Summe einer radialen Luftspaltbreite (h) in einer d-Achse des Läufers (4) und einer radialen Luftspaltbreite (h) in einer q-Achse des Läufers (4) zu einer Nutöffnungsbreite (W) einer Nutöffnung (25) zwischen 2 und 3 liegt.An electric machine (1) with electronic commutation, comprising: - a circular cylindrical stator (2) with spaced stator teeth (22), wherein a part of the stator teeth (22) of stator coils (3) are surrounded as single tooth windings, so that in any of the more than one coil side (31) of a stator coil (3), the stator coils (3) being subdivided into a plurality of groups, which are interconnected via separate neutral points, - a rotor (4), which is rotatably mounted relative to the stator (2) and has rotor poles (42) formed by surface-mounted permanent magnets (41), the ratio of the sum of a radial air gap width (h) in a d-axis of the rotor (4) and a radial air gap width (H) in a q-axis of the rotor (4) to a Nutöffnungsbreite (W) of a slot opening (25) is between 2 and 3.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere elektronisch kommutierte elektrische Maschinen mit hoher Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz.The invention relates to electrical machines, in particular electronically commutated electrical machines with high reliability and fault tolerance.
Stand der TechnikState of the art
Je nach Einsatzgebiet ist es erforderlich, dass elektrische Maschinen eine besonders hohe Fehlertoleranz aufweisen. Dies ist beispielsweise bei Kraftstoffpumpen von Flugzeugmotoren und bei Lenkmotoren in Kraftfahrzeugen der Fall.Depending on the application, it is necessary that electrical machines have a particularly high fault tolerance. This is the case, for example, in fuel pumps of aircraft engines and in steering motors in motor vehicles.
Fehlertolerante elektrische Maschinen müssen einige Eigenschaften aufweisen, die sie von herkömmlichen elektronisch kommutierten elektrischen Maschinen unterscheiden. Beispielsweise müssen die Phasen der Wicklung zueinander elektrisch isoliert sein und insbesondere durch einen einzelnen Einphasen-Leistungsteil angesteuert werden. Weiterhin können derartige elektrische Maschinen mit einer hohen d-Achsen-Induktanz ausgestattet werden, um bei einem Phasenanschluss-Kurzschluss Kurzschlussströme in einer fehlerhaften Wicklung zu begrenzen.Fault-tolerant electrical machines must have some characteristics that distinguish them from conventional electronically commutated electrical machines. For example, the phases of the winding must be electrically insulated from one another and in particular be driven by a single single-phase power section. Furthermore, such electrical machines can be equipped with a high d-axis inductance to limit short-circuit currents in a faulty winding in a phase connection short circuit.
Ohne magnetische Isolation können Fehlerströme in einer Phase hohe Spannungen in einer oder mehreren der übrigen Phasen bewirken, so dass eine Steuerung dieser Phasen erschwert wird. Insbesondere wird eine solche magnetische Isolation dadurch erreicht, dass in jeder der Statornuten nur eine Phase, d.h. ein Phasenstrang bzw. ein Phasenleiter, angeordnet ist.Without magnetic isolation, fault currents in one phase can cause high voltages in one or more of the remaining phases, making control of these phases difficult. In particular, such magnetic isolation is achieved by having in each of the stator slots only one phase, i. a phase strand or a phase conductor is arranged.
Weiterhin kann bei fehlertoleranten elektrischen Maschinen vorgesehen sein, dass der magnetische Fluss, der durch die Statorspulen erzeugt wird und der durch den Luftspalt zu dem Läuferkörper verläuft, nicht mit anderen Phasen wechselwirkt.Furthermore, in fault-tolerant electrical machines, it may be provided that the magnetic flux generated by the stator coils and passing through the air gap to the rotor body does not interact with other phases.
Mit der
Die
Mit der
Die
Die
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine fehlertolerante elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, die eine geringe Drehmomentenwelligkeit sowie eine geringe Geräuschentwicklung und Vibration aufweist.It is an object of the present invention to provide a fault tolerant electric machine having a low torque ripple and a low noise and vibration.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch die elektrische Maschine nach Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by the electric machine according to
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further embodiments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem Aspekt ist eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
- - einen kreiszylindrischen Stator mit beabstandeten Statorzähnen, wobei ein Teil der Statorzähne von Statorspulen als Einzelzahnwicklungen umgeben sind, so dass sich in keiner der zwischen den Statorzähnen ausgebildeten Statornuten mehr als eine Spulenseite einer Statorspule befindet;
- - einen Läufer, der relativ zum Stator drehbeweglich gelagert ist und durch oberflächenmontierte Permanentmagnete gebildete Läuferpole aufweist; wobei die Statorspulen in mehrere Gruppen unterteilt sind, die über separate Sternpunkte verschaltet sind.
- - A circular cylindrical stator with spaced stator teeth, wherein a part of the stator of stator coils are surrounded as single tooth windings, so that is located in any of the stator teeth formed between the stator more than one coil side of a stator coil;
- - A rotor which is mounted rotatably relative to the stator and having rotor poles formed by surface-mounted permanent magnets; wherein the stator coils are divided into several groups, which are interconnected via separate neutral points.
Eine Idee zur Gestaltung der elektrischen Maschine besteht darin, diese mit einer Statorwicklung mit mehreren Phasen vorzusehen. Die Gruppen von Statorspulen der Statorwicklung sind jeweils über voneinander getrennte Sternpunkte verschaltet. Die Statorspulen sind als Einzelzahnwicklungen um, zueinander nicht unmittelbar benachbarte Statorzähne vorgesehen, so dass sich nur eine Spulenseite in einer Statornut befindet.One idea for designing the electrical machine is to provide it with a multi-phase stator winding. The groups of stator coils of the stator winding are each connected via separate neutral points. The Stator coils are provided as single tooth windings around, not directly adjacent stator teeth, so that only one coil side is located in a stator.
Dadurch können alle Phasenspulen physikalisch voneinander getrennt angeordnet sein, so dass die Möglichkeit eines Phasenkurzschlusses reduziert ist.As a result, all the phase coils can be arranged physically separated from one another, so that the possibility of a phase short circuit is reduced.
Durch die Kombination der getrennten Sternpunkte und durch die vollständig voneinander isolierte Anordnung der Statorspulen kann eine sehr robuste elektrische Maschine bereitgestellt werden, bei der eine besonders hohe Fehlertoleranz erreicht werden kann. Weiterhin ist die thermische Kopplung zwischen den Phasen dadurch deutlich reduziert, dass jeder Statornut nur eine Spulenseite einer Statorspule angeordnet ist.The combination of the separate star points and the completely isolated arrangement of the stator coils, a very robust electric machine can be provided, in which a particularly high fault tolerance can be achieved. Furthermore, the thermal coupling between the phases is significantly reduced in that each stator slot is arranged only one coil side of a stator coil.
Weiterhin kann die Anzahl von Statorzähnen n * 2 * P (n=2, 3...) entsprechen, wobei P die Phasenzahl der elektrischen Maschine 1 ist und wobei die Anzahl der Läuferpole mindestens 8 beträgt.Further, the number of stator teeth may correspond to n * 2 * P (n = 2, 3...), Where P is the phase number of the
Gemäß einer Ausführungsform kann der Läufer einen weichmagnetischen, insbesondere polygonalen Läuferkörper aufweisen, an dessen dem Stator zugewandten Fläche insbesondere brotlaibförmige Permanentmagnete angeordnet sind, die die Läuferpole ausbilden.According to one embodiment, the rotor may have a soft-magnetic, in particular polygonal rotor body, on whose surface facing the stator, in particular, bread-shaped permanent magnets are arranged, which form the rotor poles.
Insbesondere können die Statorspulen einer Gruppe zueinander benachbart sein.In particular, the stator coils of a group may be adjacent to each other.
Weiterhin kann jede Statorspule einer Gruppe zu einer weiteren Statorspule einer weiteren Gruppe benachbart sein.Furthermore, each stator coil of a group may be adjacent to another stator coil of another group.
Ein Verhältnis einer Statornutöffnungsbreite, d.h. Breite der Nutöffnung, zu einer Nutöffnungshöhe kann zwischen 2 und 5, insbesondere zwischen 3 und 4 betragen.A ratio of a stator slot opening width, i. Width of the slot opening, to a Nutöffnungshöhe can be between 2 and 5, in particular between 3 and 4.
Weiterhin können Zahnschaftbreiten von Zahnschäften der (insbesondere aller) nicht mit Statorspulen versehenen Statorzähne gleich oder größer sein als die Zahnschaftbreiten von Zahnschäften der mit Statorspulen versehenen Statorzähne.Furthermore, tooth widths of tooth shanks of the (in particular all) not provided with stator coils stator teeth may be equal to or greater than the Zahnschaftbreiten of tooth shafts of the stator coils provided with stator coils.
Ein Verhältnis des Durchmessers einer Innenausnehmung des Stators zu einem Außendurchmesser des Stators kann zwischen 0,54 und 0,58, insbesondere 0,57 betragen. Dabei bezieht sich der Durchmesser bevorzugt auf den Eisenkern des Stators, der beispielsweise aus einzelnen gestanzeten Blechlamellen zusammengesetzt ist. A ratio of the diameter of an inner recess of the stator to an outer diameter of the stator can be between 0.54 and 0.58, in particular 0.57. In this case, the diameter preferably refers to the iron core of the stator, which is composed for example of individual stamped laminations.
Weiterhin kann das Verhältnis einer Statorjochbreite eines Statorjochs des Stators zu einer Zahnschaftbreite von Zahnschäften der mit Statorspulen versehenen Statorzähne zwischen 0,7 und 0,8, bevorzugt zwischen 0,74 und 0,76, liegen.Further, the ratio of a stator yoke width of a stator yoke of the stator to a tooth width of tooth shafts of the stator coil-provided stator teeth may be between 0.7 and 0.8, preferably between 0.74 and 0.76.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verhältnis der Summe der radialen effektiven Luftspaltbreite in der d-Achse des Läufers und der radialen effektiven Luftspaltbreite in der q-Achse des Läufers zu einer Nutöffnungsbreite (WSO) zwischen 2,2, und 2,8 liegen.According to one embodiment, the ratio of the sum of the radial effective air gap width in the rotor d-axis and the radial effective air gap width in the rotor q-axis to a slot opening width (W SO ) may be between 2.2 and 2.8.
Insbesondere kann das Verhältnis der Hohe hPMe der Permanentmagnete an ihren Rändern zu der Hohe der Permanentmagnete in ihrer Mitte in Umfangsrichtung zwischen 0,3 und 0,6, insbesondere zwischen 0,4 und 0,5 liegen.In particular, the ratio of the height h PMe of the permanent magnets at their edges to the height of the permanent magnets in their middle in the circumferential direction between 0.3 and 0.6, in particular between 0.4 and 0.5.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verhältnis der Randhöhe der Permanentmagnete zur radialen Breite eines Luftspalts zwischen Stator und Läufer an dem Rand der Permanentmagnete zwischen 0,9 und 1,2 betragen.According to one embodiment, the ratio of the edge height of the permanent magnets to the radial width of an air gap between the stator and rotor at the edge of the permanent magnets can be between 0.9 and 1.2.
Es kann vorgesehen sein, dass die Permanentmagnete in Umfangsrichtung ein Verhältnis eines Überdeckungswinkels zu der Polteilung des Läuferpols von zwischen 0,85 und 1 aufweisen.It can be provided that the permanent magnets in the circumferential direction have a ratio of an overlap angle to the pole pitch of the rotor pole of between 0.85 and 1.
Weiterhin kann der Läufer mit einer Schrägung versehen sein.Furthermore, the rotor can be provided with a skew.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine mit einer Wicklungsanordnung; -
2 eine schematische Darstellung der Verschaltung der Statorspule gemäß einer ersten Wicklungsanordnung; -
3 eine schematische Darstellung der Verschaltung der Statorspule gemäß einer zweiten Wicklungsanordnung; -
4 eine Veranschaulichung der Dimensionierungen des Stators und des Läufers der elektrischen Maschine der1 .
-
1 a cross-sectional view of an electrical machine with a winding assembly; -
2 a schematic representation of the interconnection of the stator coil according to a first winding arrangement; -
3 a schematic representation of the interconnection of the stator coil according to a second winding arrangement; -
4 an illustration of the dimensions of the stator and the rotor of theelectric machine 1 ,
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Die Statorzähne
Der Stator
In der Innenausnehmung
Die Statorspulen
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind bei dem ersten Wicklungsdesign, wie in
Durch die oben beschriebene Anordnung der Statorspulen
Bei einem zweiten Wicklungsdesign, das in der schematischen Darstellung der
In
Insbesondere die Ausgestaltung der elektrischen Maschine
Durch das Vorsehen von nur einem Spulenseite
Vorzugsweise weisen die bewickelten und unbewickelten Statorzähne
Durch das Vorsehen von identischen Zahnschaftbreiten WT der bewickelten und unbewickelten Statorzähne
Weiterhin kann auch vorgesehen sein, die Zahnschäfte der unbewickelten Statorzähne 22 breiter auszubilden als die Zahnschäfte der bewickelten Statorzähne
Das Aufteilungsverhältnis des Durchmessers der Innenausnehmung DSB zum Außendurchmesser des Stators DSO beträgt vorzugsweise zwischen 0,54 und 0,58, insbesondere bevorzugt 0,57. Dies betrifft insbesondere eine elektrische Maschine
Das Verhältnis der Statorjochbreite WY zur Statorzahnschaftbreite WT beträgt zwischen 0,7 und 0,8, bevorzugt zwischen 0,74 und 0,76, beispielsweise 0,75. Dies bedeutet ein steiferes Statorjoch
Um sicherzustellen, dass von der Phaseninduktanz nur eine Selbstinduktanzkomponente verbleibt, sollte der gesamte Statorfluss eines bestromten, bewickelten Statorzahns über die Statornut
Der effektiver Luftspalt (oder der effektiver magnetischer Luftspalt) ist der gesamte Spalt (radiale Abstand) zwischen der Innenausnehmung des Stators
Dies erfordert weiterhin relativ dicke oberflächenmontierte Permanentmagnete
Die Permanentmagnete
Da das Drehmoment einer Maschine nur mit dem Luftspaltfluss erzeugt wird, der mit der Wicklung verkettet ist, soll insbesondere der Anteil der Grundwelle des Luftspaltflusses maximiert werden, um eine elektrische Maschine
Das Verhältnis der Randhöhe hPMe (in radialer Richtung) der Permanentmagneten
Das Verhältnis der Randhöhe hPMe der Permanentmagnete
Die Breite der Permanentmagnete
Der Läufer
Claims (14)
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