DE102015014612A1

DE102015014612A1 - Elektrische Maschinenanordnung

Info

Publication number: DE102015014612A1
Application number: DE102015014612.2A
Authority: DE
Inventors: Christina Schöll
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2016-07-21

Abstract

Elektrische Maschinenanordnung (10), umfassend eine elektrische Maschine (1) mit einem Rotor (2) und einem Stator (3) sowie eine elektronische Regelung (6) zur Ansteuerung des Stators (3), wobei der Stator (3) eine Anzahl von achtzehn oder einem ganzzahligen Vielfachen c von achtzehn Statorspulen (5.1 bis 5.n) umfasst, die mit der elektronischen Regelung (6) elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Regelung (6) drei elektronische Regelmodule (6.1, 6.2, 6.3) umfasst, von denen jedes Ausgänge für jeweils drei zueinander um 120° versetzte Phasen (+U1, +V1, +W1; +U2, +V2, +W2; +U3, +V3, +W3) aufweist, wobei ein Ausgang des ersten Regelmodule (6.1) und ein Ausgang des zweiten Regelmoduls (6.2) untereinander derart phasenverschoben sind, dass die Phase +U1 des ersten Regelmoduls 6.1 zu der Phase +U2 des zweiten Regelmoduls 6.2 ein Phasenunterschied von 20° aufweist. Entsprechend weist die Phase +U1 des ersten Regelmoduls 6.1 zu der Phase +U3 des dritten Regelmoduls 6.3 ein Phasenunterschied von 40° auf. Durch die Phasenverschiebung der Regelmodule (6.1, 6.2, 6.3) untereinander ergibt sich eine neunphasige Ansteuerung des Stators (3), wobei die mit jeweils einer der Phasen (+U1, +V1, +W1; +U2, +V2, +W2; +U3, +V3, +W3) verbundenen Statorspulen (5.1 bis 5.n) abwechselnd mit einer ersten Polarität und mit einer zweiten Polarität angeschlossen oder abwechselnd in unterschiedlichem Drehsinn gewickelt sind, so dass bei jeder zweiten der jeweils mit einer der Phasen (+U1, +V1, +W1; +U2, +V2, +W2; +U3, +V3, +W3) verbundenen Statorspulen (5.1 bis 5.n) eine jeweils negierte Phase (–U1, –V1, –W1; –U2, –V2, –W2; –U3, –V3, –W3) wirkt, wobei je achtzehn aufeinanderfolgende Statorspulen (5.1 bis 5.n) mit dem Anschlussschema +U1|–W3|–U2|–V1|+U3|+V2|+W1|–V3|–W2|–U1|+W3|+U2|+V1|–U3|–V2|–W1|+V3|+W2 angeschlossen sind, wobei die Statorspulen (5.1 bis 5.n) fest mit den elektronischen Regelmodulen (6.1, 6.2, 6.3) verschaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschinenanordnung.
Es ist bekannt, Statoren elektrischer Synchronmaschinen dreiphasig anzusteuern, so dass ein umlaufendes Magnetfeld erzeugt wird, das den Rotor im Motorbetrieb antreiben oder im Generatorbetrieb abbremsen kann. Derartige Synchronmotoren können beispielsweise als Fahrantrieb in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen verwendet werden.
Aus der US 2013/0069496 A1 ist eine Synchronmaschine bekannt, umfassend eine Rotoreinheit und eine Statoreinheit; einen Sockel mit einem Aufnahmeraum; eine Abdeckung mit einer Vorderseite; und eine durch die Vorderseite hindurchgeführte Welle. Die Rotoreinheit weist P Rotormagneten und der Stator weist S Schlitze auf, wobei ein Zahnteil zwischen jeweils benachbarten Schlitzen definiert ist. Eine Spule ist auf das Zahnteil gewickelt, wobei P gleich 38N ist, S gleich 36N ist und wobei N eine natürliche Zahl ist oder wobei P gleich 34M ist, S gleich 36M ist und M eine natürliche Zahl ist. Die Maschine eignet sich für Windkraftgeneratoren und jede andere Maschinenstruktur.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte elektrische Maschinenanordnung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Maschinenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße elektrische Maschinenanordnung umfasst eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator sowie eine elektronische Regelung zur Ansteuerung des Stators, wobei der Stator eine Anzahl von achtzehn oder einem ganzzahligen Vielfachen von achtzehn Statorspulen umfasst, die mit der elektronischen Regelung elektrisch verbunden sind, wobei die elektronische Regelung drei elektronische Regelmodule umfasst, von denen jedes Ausgänge für jeweils drei zueinander um 120° versetzte Phasen aufweist, wobei die Ausgänge der Regelmodule untereinander derart phasenverschoben sind, dass sich eine neunphasige Ansteuerung des Stators ergibt, wobei die mit jeweils einer der Phasen verbundenen Statorspulen abwechselnd mit einer ersten Polarität und mit einer zweiten Polarität angeschlossen oder abwechselnd in unterschiedlichem Drehsinn gewickelt sind, so dass bei jeder zweiten der jeweils mit einer der Phasen verbundenen Statorspulen eine jeweils negierte Phase wirkt, wobei je achtzehn aufeinanderfolgende Statorspulen mit dem Anschlussschema +U1|–W3|–U2|–V1|+U3|+V2|+W1|–V3|–W2|–U1|+W3|+U2|+V1|–U3|–V2|–W1|+V3|+W2 angeschlossen sind, wobei die Statorspulen fest mit den elektronischen Regelmodulen verschaltet sind.
Eine elektrische Maschine mit hoher Polzahl kann besonders hohe Drehmomente aufbringen. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei in Kraftfahrzeugen verwendeten Elektromotoren, die aus Konstruktionsgründen die gleiche Drehzahl wie ein Verbrennungsmotor haben sollen (beispielsweise bei so genannten P1-Hybrid- und P2-Hybridanordnungen). Die elektrische Maschine kann zur Traktion, zur Rekuperation, als Starter des Verbrennungsmotors und als Generator zur Speisung der Fahrzeugelektrik dienen. In diesen Fällen ist die Elektromotorendrehzahl durch die Drehzahl des Verbrennungsmotors vorgegeben. Eine hohe Leistung des Elektromotors ist nur durch ein großes Drehmoment erreichbar.
Bekannte elektrische Maschinen mit hoher Polzahl erzeugen häufig für Personen, beispielsweise Fahrzeuginsassen und Passanten, unangenehme Pfeifgeräusche. Mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine können hingegen Spannungen besser, feiner und genauer an die einzelnen Statorspulen angelegt werden, so dass sich besonders günstige akustische Eigenschaften (NVH – noise vibration harshness) sowie Vorteile bei Effizienz und Leistung ergeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschinenanordnung mit einer elektrischen Maschine, umfassend einen Rotor, einen Stator und eine neunphasige Ansteuerung.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschinenanordnung 10 mit einer elektrischen Maschine 1, umfassend einen Rotor 2 und einen Stator 3.
Der Rotor 2 weist eine Anzahl q von Rotormagneten 4.1 bis 4.q auf. In der dargestellten Ausführungsform sind q = 20 Rotormagneten 4.1 bis 4.q vorgesehen. Einander benachbarte Rotormagneten 4.1 bis 4.q weisen jeweils unterschiedliche Polungen auf, derart, dass beispielsweise ein Nordpol NP eines der Rotormagneten 4.1 radial nach außen und ein entsprechender Südpol SP radial nach innen weisen, wobei bei den beiden dem Rotormagneten 4.1 benachbarten Rotormagneten 4.2 und 4.q der Nordpol NP jeweils radial nach innen und der Südpol SP radial nach außen weist. Auf diese Weise ergeben sich q/2 Polpaare, im vorliegenden Fall also zehn Polpaare.
Die Rotormagneten 4.1 bis 4.q können als Permanentmagnete oder als Elektromagnete ausgebildet sein.
Der Stator 3 weist eine Anzahl von n = c·18 Statorspulen 5.1 bis 5.n auf, wobei der Faktor c eine natürliche Zahl, im gezeigten Beispiel 2 ist. In der dargestellten Ausführungsform sind daher n = 36 Statorspulen 5.1 bis 5.n vorgesehen. Die Statorspulen 5.1 bis 5.n werden durch eine elektronische Regelung 6, umfassend drei elektronische Regelmodule 6.1, 6.2, 6.3 angesteuert, die jeweils eine Leistungselektronik für die elektrische Maschine 1 enthalten.
Das elektronische Regelmodul 6.1 weist drei zueinander um 120° versetzte Phasen +U1, +V1, +W1, von denen jede mit c·2 Statorspulen 5.1 bis 5.n verbunden ist, wobei die mit jeweils einer der Phasen +U1, +V1, +W1 verbundenen Statorspulen 5.1 bis 5.n abwechselnd mit einer ersten Polarität und mit einer zweiten Polarität angeschlossen oder abwechselnd in unterschiedlichem Drehsinn gewickelt sind, so dass bei jeder zweiten der jeweils mit einer der Phasen +U1, +V1, +W1 verbundenen Statorspulen 5.1 bis 5.n tatsächlich eine jeweils negierte Phase –U1, –V1, –W1 anliegt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Statorspulen 5.1 und 5.19 mit der Phase +U1 verbunden, die Statorspulen 5.10 und 5.28 mit der negierten Phase –U1 verbunden, die Statorspulen 5.13 und 5.31 mit der Phase +V1 verbunden, die Statorspulen 5.4 und 5.22 mit der negierten Phase –V1 verbunden, die Statorspulen 5.7 und 5.25 mit der Phase +W1 verbunden und die Statorspulen 5.16 und 5.34 mit der negierten Phase –W1 verbunden.
Das elektronische Regelmodul 6.2 weist drei zueinander um 120° versetzte Phasen +U2, +V2, +W2, von denen jede mit c·2 Statorspulen 5.1 bis 5.n verbunden ist, wobei die mit jeweils einer der Phasen +U2, +V2, +W2 verbundenen Statorspulen 5.1 bis 5.n abwechselnd mit einer ersten Polarität und mit einer zweiten Polarität angeschlossen oder abwechselnd in unterschiedlichem Drehsinn gewickelt sind, so dass bei jeder zweiten der jeweils mit einer der Phasen +U2, +V2, +W2 verbundenen Statorspulen 5.1 bis 5.n tatsächlich eine jeweils negierte Phase –U2, –V2, –W2 anliegt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Statorspulen 5.12 und 5.30 mit der Phase +U2 verbunden, die Statorspulen 5.3 und 5.21 mit der negierten Phase –U2 verbunden, die Statorspulen 5.6 und 5.24 mit der Phase +V2 verbunden, die Statorspulen 5.15 und 5.33 mit der negierten Phase –V2 verbunden, die Statorspulen 5.18 und 5.n mit der Phase +W2 verbunden und die Statorspulen 5.9 und 5.27 mit der negierten Phase –W2 verbunden.
Das elektronische Regelmodul 6.3 weist drei zueinander um 120° versetzte Phasen +U3, +V3, +W3, von denen jede mit c·2 Statorspulen 5.1 bis 5.n verbunden ist, wobei die mit jeweils einer der Phasen +U3, +V3, +W3 verbundenen Statorspulen 5.1 bis 5.n abwechselnd mit einer ersten Polarität und mit einer zweiten Polarität angeschlossen oder abwechselnd in unterschiedlichem Drehsinn gewickelt sind, so dass bei jeder zweiten der jeweils mit einer der Phasen +U3, +V3, +W3 verbundenen Statorspulen 5.1 bis 5.n tatsächlich eine jeweils negierte Phase –U3, –V3, –W3 anliegt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Statorspulen 5.5 und 5.23 mit der Phase +U3 verbunden, die Statorspulen 5.14 und 5.32 mit der negierten Phase –U3 verbunden, die Statorspulen 5.17 und 5.35 mit der Phase +V3 verbunden, die Statorspulen 5.8 und 5.26 mit der negierten Phase –V3 verbunden, die Statorspulen 5.11 und 5.29 mit der Phase +W3 verbunden und die Statorspulen 5.2 und 5.20 mit der negierten Phase –W3 verbunden.
Die Phasen +U1, +V1, +W1, +U2, +V2, +W2, +U3, +V3, +W3 sind mittels entsprechender Verbindungsleitungen und Kontakte von den elektronischen Regelmodulen 6.1, 6.2, 6.3 und deren Leistungselektronik mit der elektrischen Maschine 1 und, beispielsweise über einen entsprechenden Kontaktring, deren Stator 3 mit den jeweiligen Statorspulen 5.1 bis 5.n verbunden. Auf diese Weise ergibt sich eine dauerhafte neunphasige Ansteuerung der elektrischen Maschine 1. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in der Figur keine Verbindungsleitungen zwischen den elektronischen Regelmodulen 6.1, 6.2, 6.3 und den Statorspulen 5.1 bis 5.n dargestellt.
Die Phase +U2 des elektronischen Regelmoduls 6.2 ist gegenüber der Phase +U1 des elektronischen Regelmoduls 6.1 um 20° verschoben. Die Phase +U3 des elektronischen Regelmoduls 6.3 ist gegenüber der Phase +U2 des elektronischen Regelmoduls 6.2 um 20° verschoben.
Damit stehen folgende elektrischen Phasen bei jeweiliger Phasenverschiebung zur Verfügung: +U1: 0°; +V1: 120°; +W1: 240°; +U2: 20°; +V2: 140°; +W2: 260°; +U3: 40°; +V3: 160°; +W3: 280°; –U1: 180°; –V1: 300°; –W1: 60°; –U2: 200°; –V2: 320°; –W2: 80°; –U3: 220°; –V3: 340°; –W3: 100°.
Hierbei ist ersichtlich, dass die Phasen U1, V1, W1, die Phasen U2, V2, W2 und die Phasen U3, V3, W3 eines Regelmoduls 6.1, 6.2, 6.3 jeweils zueinander einen Phasenunterschied von 120° aufweisen und die Phase U1 zu U2 einen Phasenunterschied von 20° und die Phase U1 zu U3 einen Phasenunterschied von 40°. Entsprechend weisen damit auch die anderen Phasen V1 zu V2 und W1 zu W2 einen Phasenunterschied von 20° auf und auch die Phasenunterschiede von V1 zu V3 und von W1 und W3 sind entsprechend 40°.
Die Wahl der Phase U1 bei 0° ist eine willkürliche Auswahl nur zur expliziten Verdeutlichung der Phasenunterschiede und soll als reine Beispielwerte zu verstehen sein.
Jeweils 18 nebeneinander liegende Statorspulen 5.1 bis 5.n werden in folgender Reihenfolge angeschlossen: +U1|–W3|–U2|–V1|+U3|+V2|+W1|–V3|–W2|–U1|+W3|+U2|+V1|–U3|–V2|–W1|+V3|+W2. Diese Reihenfolge wird auch als Anschlussschema bezeichnet.
Die Anzahl n der Statorspulen 5.1 bis 5.n ist ein ganzzahliges Vielfaches c von 18. Das Anschlussschema der Statorspulen 5.1 bis 5.n ist periodisch c mal zu wiederholen. Die Polpaarzahl p der elektrischen Maschine 1 ist p = 5·c. Die Lochzahl der elektrischen Maschine 1 ergibt sich zu 0,2. Der Rotor 2 der elektrischen Maschine 1 hat ebenfalls die magnetische Polpaarzahl p, im gezeigten Beispiel also p = 10, so dass 2·p = 20 Rotormagnete 4.1 bis 4.q verwendet werden.
Die dargestellte Maschinenanordnung 10, insbesondere das Ansteuerschema sowie das Verhältnis von Pol- und Nutenzahl kann sowohl für Rotationsmaschinen als auch für Linearmotoren angewandt werden.
Die elektrische Maschine 1 kann insbesondere als eine Synchronmaschine ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Maschine
2: Rotor
3: Stator
4.1 bis 4.q: Rotormagnet
5.1 bis 5.n: Statorspule
6: elektronische Regelung
6.1, 6.2, 6.3: elektronische Regelmodul
10: elektrische Maschinenanordnung
NP: Nordpol
SP: Südpol
+U1, +U2, +U3, –U1, –U2, –U3: Phase
+V1, +V2, +V3, –V1, –V2, –V3: Phase
+W1, +W2, +W3, –W1, –W2, –W3: Phase

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2013/0069496 A1 [0003]

Claims

Elektrische Maschinenanordnung (10), umfassend eine elektrische Maschine (1) mit einem Rotor (2) und einem Stator (3) sowie eine elektronische Regelung (6) zur Ansteuerung des Stators (3), wobei der Stator (3) eine Anzahl von achtzehn oder einem ganzzahligen Vielfachen c von achtzehn Statorspulen (5.1 bis 5.n) umfasst, die mit der elektronischen Regelung (6) elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Regelung (6) drei elektronische Regelmodule (6.1, 6.2, 6.3) umfasst, von denen jedes Ausgänge für jeweils drei zueinander um 120° versetzte Phasen (+U1, +V1, +W1; +U2, +V2, +W2; +U3, +V3, +W3) aufweist, wobei ein Ausgang des ersten Regelmodule (6.1) und ein Ausgang des zweiten Regelmoduls (6.2) untereinander derart phasenverschoben sind, dass die Phase +U1 des ersten Regelmoduls 6.1 zu der Phase +U2 des zweiten Regelmoduls 6.2 ein Phasenunterschied von 20° aufweist.
Elektrische Maschinenanordnung (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang des ersten Regelmoduls (6.1) und ein Ausgang des dritten Regelmoduls (6.3) untereinander derart phasenverschoben sind, dass die Phase +U1 des ersten Regelmoduls 6.1 zu der Phase +U3 des dritten Regelmoduls 6.3 ein Phasenunterschied von 40° aufweist.
Elektrische Maschinenanordnung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ausgang des ersten Regelmodule (6.1) zu je einem Ausgang des zweiten Regelmoduls (6.2) paarweise (+U1:+U2; +V1:+V2; +W1:+W2) eine Phasenverschiebung von 20° aufweist und jeder Ausgang des ersten Regelmodule (6.1) zu je einem Ausgang des dritten Regelmoduls (6.3) paarweise (+U1:+U3; +V1:+V3; +W1:+W3) eine Phasenverschiebung von 40° aufweist.
Elektrische Maschinenanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine neunphasige Ansteuerung des Stators (3) ergibt, wobei die mit jeweils einer der Phasen (+U1, +V1, +W1; +U2, +V2, +W2; +U3, +V3, +W3) verbundenen Statorspulen (5.1 bis 5.n) abwechselnd mit einer ersten Polarität und mit einer zweiten Polarität angeschlossen oder abwechselnd in unterschiedlichem Drehsinn gewickelt sind, so dass bei jeder zweiten der jeweils mit einer der Phasen (+U1, +V1, +W1; +U2, +V2, +W2; +U3, +V3, +W3) verbundenen Statorspulen (5.1 bis 5.n) eine jeweils negierte Phase (–U1, –V1, –W1; –U2, –V2, –W2; –U3, –V3, –W3) wirkt, wobei je achtzehn aufeinanderfolgende Statorspulen (5.1 bis 5.n) mit dem Anschlussschema +U1|–W3|–U2|–V1|+U3|+V2|+W1|–V3|–W2|–U1|+W3|+U2|+V1|–U3|–V2|–W1|+V3|+W2 angeschlossen sind, wobei die Statorspulen (5.1 bis 5.n) fest mit den elektronischen Regelmodulen (6.1, 6.2, 6.3) verschaltet sind.
Elektrische Maschinenanordnung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass 36 Statorspulen (5.1 bis 5.n) vorgesehen sind und das Anschlussschema +U1|–W3|–U2|–V1|+U3|+V2|+W1|–V3|–W2|–U1|W3|+U2|+V1|–U3|–V2|–W1|+V3|+W2 entsprechend zweimal realisiert wird.
Elektrische Maschinenanordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) eine Anzahl Rotormagnete (4.1 bis 4.q) umfasst, deren Anzahl q so gewählt ist, dass sich eine Polpaarzahl p ergibt, die gleich dem fünffachen des ganzzahligen Vielfachen c ist.
Elektrische Maschinenanordnung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotormagnete (4.1 bis 4.q) als Permanentmagnete oder als Elektromagnete ausgebildet sind.
Elektrische Maschinenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1) als eine Rotationsmaschine oder als eine Linearmaschine ausgebildet ist.