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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere permanentmagneterregte elektrische Maschinen, die aus mehreren Teilmaschinen aufgebaut sind.
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Technischer Hintergrund
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Der Einsatz von elektrischen Maschinen in sicherheitskritischen Bereichen, wie beispielsweise in der Flugzeug-, Raumfahrt und Automobilindustrie, erfordert eine erhöhte Fehlertoleranz gegenüber Ausfällen oder Fehlfunktionen von Einzelkomponenten. Die meisten Konzepte für elektrische Maschinen basieren auf einem gemeinsamen magnetischen Kreis mit mehreren redundanten Wicklungssystemen, die von einer gemeinsamen Spannungsversorgung oder zur weiteren Erhöhung der Fehlersicherheit mit voneinander getrennten Spannungsversorgungen betrieben werden. Während jedoch solche Konzepte für elektrische Maschinen eine Fehlertoleranz in Bezug auf mögliche elektrische Fehler bereitstellen, können dadurch magnetische Fehler, die beispielsweise aufgrund von fehlerhaften Magneten auftreten können, nicht vollständig neutralisiert werden.
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Weiterhin kann bei Auftreten eines elektrischen Fehlers eine resultierende magnetische Störung in ein fehlerfreies Wicklungssystem eingekoppelt werden. Insbesondere bei Kurzschlussfehlern kann zudem eine thermische Kopplung der redundanten Wicklungssysteme zu einer starken Erwärmung der fehlerfreien Wicklungssysteme führen, wodurch dessen Betriebsverhalten verschlechtert wird.
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Zusätzlich bleibt der Ausfall eines Wicklungssystems im Fehlerfall nicht vollständig ohne Auswirkung auf das Rastmoment der gesamten elektrischen Maschine.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte elektrische Maschine bereitzustellen, die eine erhöhte Zuverlässigkeit aufweist und wobei insbesondere die Auswirkungen bei Ausfall eines Teilsystems verringert sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die elektrische Maschine nach Anspruch 1 sowie durch das Motorsystem gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß einem ersten Aspekt ist eine elektrische Maschine mit einer ersten und einer zweiten axial versetzten Teilmaschine vorgesehen, die zueinander unmittelbar benachbart sind, wobei jede der Teilmaschinen einen Teilstator und einen zugeordneten Teilrotor aufweist, wobei jeder der Teilstatoren mit einer Spaltwicklung aus mehreren Statorspulen ausgebildet ist.
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Eine Idee der obigen elektrischen Maschine besteht darin, diese aus zwei axial nebeneinander angeordneten Teilmaschinen auszubilden, die jeweils als permanentmagneterregte Teilsynchronmaschinen mit mit Spaltwicklungen versehenen Teilstatoren aufgebaut sind. Eine Spaltwicklung entspricht einer Wicklung mit Statorspulen, deren Wicklungsachse tangential verläuft. Durch das Vorsehen von Spaltwicklungen kann ein gemeinsamer Rückschlussbereich beider Teilstatoren vermieden werden. Dadurch kann erreicht werden, dass sowohl der elektrische Kreis als auch der magnetische Kreis voneinander gut separiert bzw. isoliert sind und ein Fehler in einer Teilmaschine keinen oder nur geringen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit der entsprechend anderen Teilmaschine ausübt. Weiterhin können in axialer Richtung zueinander benachbarte Teilmaschinen besonders einfach voneinander thermisch isoliert werden. Auch können die elektrischen Anschlusssysteme für beide Teilmaschinen voneinander getrennt werden, so dass eine vereinfachte Kontaktierung der Teilmaschinen möglich ist.
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Weiterhin kann zwischen den Teilstatoren ein Isolationselement zur magnetischen und/oder thermischen Isolierung angeordnet sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Teilstatoren in einem Gehäuse aufgenommen sind und insbesondere über eine magnetisch nicht-leitende Statorisolation einem weichmagnetisch ausgebildeten Gehäuseabschnitt zugeordnet sind. Insbesondere können die Teilstatoren mit einem Befestigungselement befestigt werden und gleichzeitig an einem weichmagnetisch ausgebildeten zylindrischen Gehäuseabschnitt angeordnet sein.
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Weiterhin können die Statorspulen an den Teilstatoren über separate Kontaktierungsteile kontaktiert sein, wobei insbesondere die Kontaktierungsteile an einer dem jeweils anderen Teilstator gegenüberliegenden Stirnfläche des betreffenden Teilstators angeordnet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform kann jeder der Teilrotoren Rotorpole aufweisen, die durch eine radiale Magnetisierung, vergrabene Permanentmagnete oder durch aufgesetzte Oberflächenmagnete ausgebildet sind.
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Weiterhin kann zwischen den Teilrotoren eine magnetische Trennung, insbesondere mit einem Material mit einer relativen magnetischen Permeabilität kleiner als 10 vorgesehen sein.
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Die Teilstatoren können Statorpole aufweisen, die zueinander um ein Vielfaches des mechanischen Winkel π/SPZ versetzt sind, wobei SPZ der Spulenzahl des Stators der elektrischen Maschine entspricht.
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Es ist weiterhin möglich, dass die Teilrotoren Rotorpole aufweisen, die zueinander um ein Vielfaches des halben Segmentwinkels π/PPZ (Polwinkels) eines Rotorpols versetzt sind.
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Es kann vorgesehen sein, dass Statorspulengruppen, die jeweils benachbarte verschiedenen Phasen zugeordnete Statorspulen umfassen, in Sternschaltung, jeweils mit einem separaten Sternpunkt verschaltet sind. Alternativ können diese Statorspulengruppen jeweils auch in einer separaten Polygonschaltung verschaltet sein. Weiterhin ist auch eine separate Ansteuerung jede der Statorspulen über separate Ansteuerung über eine Inverterschaltung oder eine sogenannte H-Brückenschaltung möglich.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass Statorspulengruppen, die jeweils verschiedenen Phasen zugeordneter Statorspulen umfassen, die in gleichem Winkelversatz an dem jeweiligen Teilstator angeordnet sind, in Sternschaltung mit einem separaten Sternpunkt verschaltet sind.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass Statorspulengruppen einer Teilmaschine in Sternschaltung und Statorspulengruppen einer weiteren Teilmaschine in Polygonschaltung angeschlossen sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit der obigen elektrischen Maschine vorgesehen, wobei für jede der Teilmaschinen ein oder mehrere separate Leistungsteile zur Ansteuerung der Statorspulen der Teilstatoren vorgesehen sind.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine elektrische Maschine mit zwei Teilmaschinen;
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2 eine perspektivische Darstellung eines der Teilstatoren;
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3 eine Darstellung des magnetischen Flusses in einem mehrpoligen Teilrotor;
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4a bis 4c verschiedene Ausgestaltungen der Teilrotoren der elektrischen Maschine der 1;
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5a und 5b Darstellungen der beiden Teilmaschinen im Querschnitt quer zur axialen Richtung mit der Anordnung der Teilrotoren in den jeweiligen Teilstatoren;
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6 eine Darstellung des elektromagnetischen Kreises einer der Teilmaschinen in und das Anschlußschema der Statorspulen in vier separaten Sternschaltungen; und
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7 eine Darstellung eines Motorsystems mit vier zwei separaten Teilmaschinen mit jeweils zwei Spulensystemen pro Teilmaschine mit dazugehörigen separaten Leistungsteilen.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine elektrische Maschine 1 mit einer ersten Teilmaschine 2a und einer zweiten Teilmaschine 2b dargestellt. Grundsätzlich weist der Bezugszeichenteil „a“ auf eine Komponente der ersten Teilmaschine und der Bezugszeichenteil „b“ auf eine Komponente der zweiten Teilmaschine hin.
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Die erste und die zweite Teilmaschine 2a, 2b sind in axialer Richtung zueinander benachbart angeordnet und über eine gemeinsame Motorwelle 3 gekoppelt.
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Die erste und zweite Teilmaschine 2a, 2b sind in einem Gehäuse 4 angeordnet, in dem die Motorwelle 3 über Lager 5 drehbeweglich gehalten ist. Im Inneren des Gehäuses 4 sind zwei im Wesentlichen baugleiche Teilstatoren 6a, 6b vorgesehen.
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Wie in der perspektivischen Darstellung der 2 gezeigt, weisen die Teilstatoren 6a, 6b jeweils einen ringförmigen Statorkörper 61a, 61b auf, der segmentweise mit den Statorspulen 62a, 62b versehen ist. Die Wicklungsachse der Statorspulen 62a, 62b verläuft im wesentlichen tangential bezüglich der ringförmigen Ausgestaltung des jeweiligen Statorkörpers 61a, 61b. Die magnetischen Flußlinien des durch die Statorspulen 62a, 62b erzeugten Magnetfelds verlaufen im Wesentlichen in tangentialer Richtung, bevor sie dann in radialer Richtung den betreffenden Teilstator 6a, 6b in einem benachbarten Statorpol in radialer Richtung umgelenkt verlassen.
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Die Segmente der Statorspulen 62a, 62b überdecken gleiche Winkelsegmente. Die Statorspulen 62a, 62b sind mindestens zwei verschiedenen Phasen (im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Phasen) zugeordnet, wobei gleichen Phasen zugeordnete Statorspulen 62a, 62b nicht benachbart an den Teilstatoren 6a, 6b angeordnet sind. Die den Phasen zugeordneten Statorspulen 62a, 62b sind so angeordnet, dass sich bei einer geeigneten Bestromung ein umlaufendes Magnetfeld ergibt.
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Die Statorkörper 61a, 61b der Teilstatoren 6a, 6b können aus einem weichmagnetischen Material ausgebildet sein und in Segmenten von Spulendrähten aus einem gut leitfähigen Material, insbesondere aus Kupfer, umwickelt sein, so dass Statorspulen 62a, 62b an den Segmenten ausgebildet sind. Die Statorkörper 61a, 61b können aus sog. Soft Magnetic Compostes (SMC) oder aus gestapelten Blechlamellen oder aus gewickelten Bändern gebildet sein.
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Die Teilstatoren 6a, 6b sind im Gehäuse 4 konzentrisch zueinander in axialer Richtung benachbart angeordnet und voneinander durch ein scheibenförmiges Isolationselement 7 voneinander getrennt. Das Isolationselement 7 kann beispielsweise als Zwischenelement, das die durch die Welle 3 bestimmte Motorachse konzentrisch umgibt, ausgebildet sein und mit einem nichtmagnetischen und thermisch gut isolierenden Material ausgebildet sein.
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Die Teilstatoren 6a, 6b werden an einem Gehäuseabschnitt 21, der vorzugsweise weichmagnetisch ausgebildet ist und somit als Rückschlussbereich dienen kann, angeordnet, jedoch von diesen durch eine Statorisolation 8 weitestgehend magnetisch isoliert. Die Statorisolation 8 kann beispielsweise aus einem Material gebildet sein, das eine relative magnetische Permeabilität von kleiner als 10 aufweist, d.h. magnetisch nichtleitend ist.
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Eine Kontaktierung der Statorspulen 62a, 62b an den Teilstatoren 6a, 6b kann über ein erstes bzw. ein zweites Kontaktierungsteil 9a, 9b vorgenommen werden, das in axialer Richtung versetzt an dem jeweiligen Teilstator 6a, 6b angeordnet ist. Dadurch sind die Kontaktierungsteile 9a, 9b mit einem hohen Abstand voneinander angeordnet, so dass eine gegenseitige Beeinflussung aufgrund einer Wärmeentwicklung und/oder elektromagnetischen Beeinflussung ausgeschlossen ist. Zudem kann die Gefahr von Kurzschlüssen elektrischer Zuleitungen für die verschiedenen Teilmaschinen 2a, 2b reduziert werden.
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Die Statorspulen 62a, 62b können über das jeweilige Kontaktierungsteil 9a, 9b mithilfe von Leistungsteilen 21 angesteuert werden, die eine geeignete Bestromung der Statorspulen, insbesondere mit einem geeigneten Kommutierungsmuster, vornimmt.
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Im Inneren der ringförmigen Teilstatoren 6a, 6b sind entsprechend zugeordnete Teilrotoren 10a, 10b vorgesehen. Die Teilrotoren 10a, 10b sind an der Motorwelle 3 angeordnet und weisen jeweils Rotorpole 11 auf, deren Magnetfeld jeweils radial in Richtung der Teilstatoren 6a, 6b gerichtet ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Teilrotoren 10a, 10b jeweils acht Rotorpole 11 auf, die in Umfangsrichtung eine alternierende Polarisierung haben. In 3 ist ein Beispiel eines mehrpoligen Radialmagneten mit einer Halbach-Magnetisierung als ein Beispiel für die Ausbildung der Rotorpole in den Teilrotoren 10a, 10b dargestellt.
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In den 4a bis 4c sind drei weitere mögliche Ausgestaltungen der Teilrotoren 10a, 10b dargestellt. In 4a sind die Rotorpole 11 des Teilrotors 10a, 10b durch eine mehrpolige radiale Magnetisierung ausgebildet. Dagegen sind die Rotorpole 11 in dem Teilrotor 10a, 10b nach 4b durch vergrabene Permanentmagnete 12 und in 4c durch aufgesetzte, so genannte Oberflächenmagnete 13 ausgebildet.
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Zwischen den Teilrotoren 10a, 10b kann eine magnetische Trennung 15, insbesondere mit einem Material mit einer geringen relativen magnetischen Permeabilität von ungefähr eins vorgesehen. Durch die magnetische Trennung 15 (siehe 1) und das Isolationselement 7 sind die erste und zweite Teilmaschine 2a, 2b nahezu vollständig voneinander getrennt.
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Wie in 5a und 5b dargestellt, kann jeder der Teilstatoren 6a, 6b zwölf Statorspulen 62a, 62b aufweisen, die in Statorspulengruppen SG zu jeweils drei benachbarten verschiedenen Phasen zugeordneten Statorspulen 62a, 62b mit jeweils einem eigenen Sternpunkt miteinander verschaltet sein können. Dies ist durch die schematische Ersatzschaltbilddarstellung der 6 veranschaulicht. Mit anderen Worten sind Gruppen mit jeweils einer Phase zugeordneten Statorspulen jeweils über einen separaten Sternpunkt verschaltet.
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Die Teilstatoren 6a, 6b weisen jeweils zwölf unmittelbar benachbarte Statorspulen 62a, 62b auf, die so zueinander angeordnet sind, dass gleichen Phasen zugeordnete Statorspulen an den gleichen Segmentwinkeln angeordnet sind. Wie in 5a und 5b dargestellt, können bei nicht-versetzten Teilstatoren 6a, 6b die Teilrotoren 10a, 10b zueinander um eine halbe Polbreite oder ungeradzahligen Vielfachen davon versetzt angeordnet sein, d.h. um einen mechanischen Winkel von π/PPZ, wobei PPZ dem halben Segmentwinkel eines Rotorpols 11 der elektrischen Maschine 1 entspricht. Der Versatz kann auch ungeradzahlige Vielfache des Winkels π/PPZ betragen.
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Alternativ können die Statorspulen 62a, 62b der beiden Teilstatoren 6a, 6b in Umfangsrichtung auch um eine halbe Segmentbreite eines Statorpols versetzt ausgebildet sein.
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Die den gleichen Phasen zugeordnete Statorspulen 62a, 62b der beiden Teilstatoren 6a, 6b können auch um ein Winkel 2π/4 auf dem Umfang versetzt angeordnet sein.
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In 7 ist schematisch ein Motorsystem 20 mit einer elektrischen Maschine 1 mit Teilstatoren 6a, 6b mit Spaltwicklung dargestellt, die mit vier separaten Leistungsteilen 21 angesteuert werden. Jeder der Teilstatoren 6a, 6b wird dabei von zwei separaten Leistungsteilen 21 mit jeweils zwei separaten Spannungsversorgungen UDC1, UDC2, UDC3, UDC4 angesteuert. In der in 7 gezeigten Ausführungsform eines Motorsystems 20 werden jeweils drei der zwölf Statorspulen 62a, 62b über einen separaten Sternpunkt S zu einer Statorspulengruppe SG verschaltet, so dass vier Sternpunkte S1, S2, S3, S4 ausgebildet werden. Die über einen Sternpunkt verschalteten verschiedenen Phasen zugeordnete Statorspulen 62a, 62b sind in Umfangsrichtung nebeneinander an dem betreffenden Teilstator 6a, 6b angeordnet. Jedes Leistungsteil 21 kann mit verschiedenen Statorspulengruppen verbunden sein, insbesondere kann jedes Leistungsteil 21, mit den Statorspulen gegenüberliegender Statorspulengruppen elektrisch verbunden sein.
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Die beiden Teilstatoren 6a, 6b können versetzt zueinander angeordnet sein, und zwar jeweils um einen Versatzwinkel von einer halben Statorpolbreite. Durch das Vorsehen von separaten Sternpunkten S1, S2, S3, S4 für jedes der Leistungsteile 21 kommt es zu einer vollständigen elektrischen Entkopplung, so dass selbst der Ausfall eines Leistungsteils 21 bzw. eines der Statorspulen 62a, 62b einer durch ein Leistungsteil 21 angesteuerten Statorspulengruppe SG nicht zu einer Beeinträchtigung der Ansteuerung und Funktion der übrigen Leistungsteile 21 einschließlich der damit verbundenen Statorspulengruppen SG führt.
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Durch das Ausbilden der elektrischen Maschine 1 mit voneinander separierten Teilstatoren 6a, 6b, die mit Spaltwicklungen ausgebildet sind, kann die thermische Kopplung zwischen den Teilmaschinen 2a, 2b erheblich reduziert werden, da keine direkte thermische Verbindung z.B. über einen gemeinsamen magnetischen Rückschlussbereich des Stators stattfinden kann. Zudem kann so gewährleistet werden, dass ein Fehler im Magnetsystem einer der Teilmaschinen 2a, 2b die jeweils andere Teilmaschine 2a, 2b nicht beeinflusst, da auch die Teilrotoren 10a, 10b voneinander magnetisch entkoppelt sind.
