DE102016218324A1 - Electric machine and method for operating an electric machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine (1) einen Stator (2) und einen Rotor (3) umfasst, wobei der Stator (2) mindestens drei Statorzähne (SZ1, ..., SZ6) aufweist, wobei jeder Statorzahn (SZ1, ..., SZ6) mit einer Phasenwicklungen (PW1, ..., PW6) umwickelt ist, wobei die Phasenwicklungen (PW1, ..., PW6) in einem Sternpunkt (S) elektrisch verbunden sind, wobei der Rotor (3) mindestens einen Rotorzahn (RZ1, RZ2) aufweist, wobei der mindestens eine Rotorzahn (RZ1, RZ2) derart ausgebildet ist, dass in einem bestromten Zustand der elektrischen Maschine (1) ein magnetischer Widerstand eines magnetischen Kreises (M), der sich über den Rotorzahn (RZ1) und einen Statorzahn (SZ1, ..., SZ6) mit einer bestromten Phasenwicklung (PW1, ..., PW6) schließt, dann minimal ist, wenn sich der magnetische Kreis (M) über einen zu diesem Statorzahn (SZ1, ..., SZ6) benachbarten Statorzahn (SZ1, ..., SZ6) mit einer bestromten Phasenwicklung (PW1, ..., PW6) schließt.The invention relates to an electrical machine and a method for operating an electrical machine, wherein the electric machine (1) comprises a stator (2) and a rotor (3), wherein the stator (2) has at least three stator teeth (SZ1, ... , SZ6), wherein each stator tooth (SZ1, ..., SZ6) is wound with a phase windings (PW1, ..., PW6), the phase windings (PW1, ..., PW6) being wound in a neutral point (S) are electrically connected, wherein the rotor (3) has at least one rotor tooth (RZ1, RZ2), wherein the at least one rotor tooth (RZ1, RZ2) is formed such that in a energized state of the electric machine (1) has a magnetic resistance of a magnetic Circle (M) which closes via the rotor tooth (RZ1) and a stator tooth (SZ1, ..., SZ6) with an energized phase winding (PW1, ..., PW6), then is minimal when the magnetic circuit ( M) via a stator tooth (SZ1, ..., SZ6) adjacent to this stator tooth (SZ1, ..., SZ6) an energized phase winding (PW1, ..., PW6) closes.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine. The invention relates to an electrical machine and a method for operating an electrical machine.
Zum Antrieb von Elektrofahrzeugen dienen in der Regel permanenterregte Synchronmaschinen mit elektronischer Dreiphasen-Sinuskommutierung. Derartige Maschinen weisen insbesondere ein im Vergleich
- a) geringes Gewicht,
- b) geringe Fertigungskosten,
- c) eine hohe Drehmomentdichte und damit geringe Getriebeuntersetzung,
- d) eine hohe Leistungsdichte,
- e) einen geringen Verschleiß sowie
- f) ein geringes Schleppmoment auf, wodurch keine Notwendigkeit von Freilauf oder Kupplung besteht.
- a) low weight,
- b) low production costs,
- c) a high torque density and thus low gear reduction,
- d) a high power density,
- e) low wear as well
- f) a low drag torque, whereby there is no need for freewheel or clutch.
Nachteilig ist die vorhandene sogenannte elektromotorische Gegenkraft, durch die
- 1) eine Begrenzung des Drehzahlbereiches und der Leistung erfolgt,
- 2) eine verminderte Eigensicherheit der elektrischen Maschine besteht,
- 3) permanente Ummagnetisierungsverluste erzeugt werden und
- 4) eine Abhängigkeit von der Verfügbarkeit von Rohstoffen für die Herstellung starker Permanentmagnete besteht.
- 1) there is a limitation of the speed range and the power,
- 2) a reduced intrinsic safety of the electrical machine exists,
- 3) permanent Ummagnetisierungsverluste be generated and
- 4) there is a dependency on the availability of raw materials for the production of strong permanent magnets.
Weiter bekannt sind geschaltete Reluktanzmotoren. Diese weisen unter anderem folgende Eigenschaften auf:
- I. eine geringere Kupfer-Ausnutzung als permanenterregte Maschine, daher geringere gravimetrische und volumetrische Drehmomentdichte, Bauraumprobleme im Fahrzeug,
- II. geringere Ausnutzung des Luftspaltes im Vergleich mit einer permanenterregten Maschine,
- III. im Allgemeinen höhere Lärmentwicklung aufgrund der üblichen Block-Kommutierung,
- IV. geringere Induktivität im unausgerichteten Zustand „unaligned“, erhöhter schaltungstechnischer Aufwand zur Vermeidung von EMV-Problemen,
- V. höhere Zahl von Phasenleitungen im Vergleich mit anderen Motorkonzepten (6 statt 3 Phasenleitungen).
- I. a lower copper utilization as a permanently excited machine, therefore lower gravimetric and volumetric torque density, space problems in the vehicle,
- II. Lower utilization of the air gap in comparison with a permanent-magnet machine,
- III. generally higher noise due to the usual block commutation,
- IV. Lower inductance in the unaligned state "unaligned", increased circuit complexity to avoid EMC problems,
- V. Higher number of phase lines compared to other motor concepts (6 instead of 3 phase lines).
Die
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Es stellt sich das technische Problem, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine zu schaffen, die eine gravimetrische und/oder volumetrische Drehmomentdichte erhöht und einen schaltungstechnischen Aufwand verringert. The technical problem arises of providing an electrical machine and a method for operating an electrical machine, which increases a gravimetric and / or volumetric torque density and reduces a circuit complexity.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. The solution of the technical problem results from the objects with the features of
Vorgeschlagen wird eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator und einen Rotor. Der Stator weist mindestens drei Statorzähne auf. Ein Statorzahn kann hierbei einen Polschuh aufweisen oder ausbilden. It proposes an electric machine. The electric machine comprises a stator and a rotor. The stator has at least three stator teeth. A stator tooth can in this case have or form a pole piece.
Der Stator kann z.B. im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet sein, wobei entlang eines Innenumfangs des Stators mindestens drei, vorzugsweise mehr als drei, Statorzähne vorgesehen sind. Zwei Statorzähne können mindestens eine Statornut begrenzen. Auch kann ein Statorzahn von zwei Statornuten begrenzt sein. Diese Statorzähne können z.B. von einer inneren Mantelfläche des hohlzylinderförmigen Stators abstehen. Der Stator kann insbesondere als Stator einer sogenannten Schenkelpolmaschine ausgebildet sein, wobei ein Schenkelpol einem Statorzahn entspricht. The stator may, for example, be substantially hollow-cylindrical, with at least three, preferably more than three, stator teeth being provided along an inner circumference of the stator. Two Stator teeth can limit at least one stator slot. Also, a stator tooth may be limited by two stator slots. These stator teeth can protrude, for example, from an inner circumferential surface of the hollow cylindrical stator. The stator may in particular be designed as a stator of a so-called salient pole machine, wherein a salient pole corresponds to a stator tooth.
Jeder Statorzahn ist mit einer Phasenwicklung umwickelt. Somit umfasst die elektrischen Maschine Phasenwicklungen. Insbesondere umfasst die elektrische Maschine mindestens drei voneinander verschiedene Phasenwicklungen. Die elektrischen Maschine kann hierbei eine m-phasige Maschine sein, wobei m größer als oder gleich 3 ist und wobei jeder Phase mindestens eine Phasenwicklungen zugeordnet ist. Each stator tooth is wrapped in a phase winding. Thus, the electric machine comprises phase windings. In particular, the electric machine comprises at least three mutually different phase windings. The electric machine can in this case be an m-phase machine, where m is greater than or equal to 3 and wherein each phase is associated with at least one phase windings.
Der einer Phase zugeordnete Statorzahn kann somit einen Statorzahn bezeichnen, der mit einer Phasenwicklung umwickelt ist, die der entsprechenden Phase zugeordnet ist. Einer Phase können auch mehr als eine Phasenwicklung zugeordnet sein, wobei jede dieser Phasenwicklungen voneinander verschiedene Statorzähne umwickelt. Auch kann eine Phasenwicklung mehr als einen Statorzahn umwickeln. The stator tooth associated with a phase may thus designate a stator tooth wound with a phase winding associated with the corresponding phase. One phase may also be associated with more than one phase winding, each of these phase windings wrapping stator teeth different from each other. Also, a phase winding can wrap over more than one stator tooth.
Die Phasenwicklungen können in einem Sternpunkt elektrisch verbunden sein. Die Phasenwicklungen können hierbei insbesondere derart elektrisch verbunden sein, dass die Phasen in einem Sternpunkt elektrischen verbunden sind. Mit anderen Worten sind die Phasenwicklungen bzw. die Phasen in einer Sternschaltung verschaltet. The phase windings can be electrically connected in a neutral point. The phase windings can in this case in particular be electrically connected such that the phases are electrically connected in a neutral point. In other words, the phase windings or the phases are connected in a star connection.
Insbesondere können benachbarte Phasenwicklungen um 360°/m/n versetzt zueinander angeordnet sein. Hierbei kann n die Anzahl der Statorzähne pro Phase bezeichnen. Ein Statorzahn kann einen Pol bilden. Somit kann die Gesamtzahl der statorseitigen Pole m × n sein. Benachbarte Phasenwicklungen können insbesondere entlang des Innenumfangs benachbart zueinander angeordnet sein. Somit können auch Statorzähne, die von diesen benachbarten Statorwicklungen umwickelt sind, um 360°/m/n benachbart zueinander angeordnet sein. Benachbarte Phasenwicklungen können insbesondere Phasenwicklungen sein, die voneinander verschiedenen Phasen zugeordnet sind. Phasenwicklungen können insbesondere derart entlang des Innenumfangs angeordnet sein, dass m Phasenwicklungen, die entlang des Innenumfangs aufeinander folgen, jeweils einer der m Phasen zugeordnet sind. In particular, adjacent phase windings can be arranged offset from one another by 360 ° / m / n. Here, n may denote the number of stator teeth per phase. A stator tooth can form a pole. Thus, the total number of stator poles can be m × n. Adjacent phase windings may be arranged in particular adjacent to each other along the inner circumference. Thus, stator teeth wrapped by these adjacent stator windings may also be arranged at 360 ° / m / n adjacent each other. Neighboring phase windings may in particular be phase windings which are assigned to different phases from one another. In particular, phase windings can be arranged along the inner circumference such that m phase windings that follow one another along the inner circumference are each assigned to one of the m phases.
Die Phasenwicklungen können entsprechend einem Wicklungsschema einer permanent erregten Synchronmaschine angeordnet sein. The phase windings may be arranged according to a winding scheme of a permanent magnet synchronous machine.
Der Rotor weist mindestens einen Rotorzahn auf. Vorzugsweise weist der Rotor mehr als einen Rotorzahn auf. Der Rotor kann z.B. im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet sein, wobei entlang eines Außenumfangs des Rotors der mindestens eine Rotorzahn vorgesehen ist. Der Rotorzahn kann z.B. von einer äußeren Mantelfläche des Rotors abstehen. In diesem Fall können ein Rotorzahn oder mehrere Rotorzähne mindestens eine Rotornut begrenzen. Auch kann ein Rotorzahn von zwei Rotornuten begrenzt sein. Dies ist jedoch nicht zwingend. Der Rotorzahn kann auch als Abschnitt des Rotors ausgebildet sein, dessen Oberfläche einen Teil der Außenfläche des Rotors bildet, wobei der Abschnitt eine vorbestimmte magnetische Leitfähigkeit aufweist. Diese kann insbesondere höher sein als die magnetische Leitfähigkeit eines zentralen Abschnitts des Rotors. The rotor has at least one rotor tooth. Preferably, the rotor has more than one rotor tooth. The rotor may e.g. be formed substantially cylindrical, wherein along an outer circumference of the rotor, the at least one rotor tooth is provided. The rotor tooth can e.g. protrude from an outer surface of the rotor. In this case, one rotor tooth or several rotor teeth can limit at least one rotor groove. Also, a rotor tooth may be limited by two rotor grooves. However, this is not mandatory. The rotor tooth may also be formed as a portion of the rotor whose surface forms part of the outer surface of the rotor, the portion having a predetermined magnetic conductivity. This may in particular be higher than the magnetic conductivity of a central portion of the rotor.
Der Rotor, insbesondere der Rotorzahn, kann aus einem nicht-permanentmagnetischen Material ausgebildet sein. Der Rotorzahn kann vorzugsweise aus einem magnetisch leitfähigem Material ausgebildet sein. Ein Rotorzahn kann einen Rotorpol bilden. The rotor, in particular the rotor tooth, may be formed from a non-permanent magnetic material. The rotor tooth can preferably be formed from a magnetically conductive material. A rotor tooth can form a rotor pole.
Die elektrische Maschine kann als Innenläufermaschine ausgebildet sein. Allerdings ist es auch vorstellbar, die elektrische Maschine als Außenläufermaschine auszubilden. Sowohl Stator als auch Rotor können geblecht ausgebildet sein. The electrical machine can be designed as an internal rotor machine. However, it is also conceivable to design the electrical machine as an external rotor machine. Both stator and rotor may be laminated.
Weiter ist der mindestens eine Rotorzahn derart ausgebildet, dass in einem bestromten Zustand der elektrischen Maschine ein magnetischer Widerstand eines magnetisches Kreises, der sich über den Rotorzahn und einen Statorzahn mit einer bestromten Phasenwicklung schließt, dann minimal ist, wenn sich der magnetische Kreis über einen zu diesem Statorzahn benachbarten Statorzahn mit einer (ebenfalls) bestromten Phasenwicklung schließt. Dieser minimale magnetische Widerstand kann sich insbesondere dann ergeben, wenn sich der Rotor in einer ersten Winkelposition befindet. Der magnetische Kreis schließt sich hierbei über keinen weiteren Rotorzahn. Next, the at least one rotor tooth is formed such that in a current-fed state of the electric machine, a magnetic resistance of a magnetic circuit which closes on the rotor tooth and a stator tooth with a current-carrying phase winding, then is minimal when the magnetic circuit via a to this stator tooth adjacent stator tooth with a (also) energized phase winding closes. This minimum magnetic resistance can arise in particular when the rotor is in a first angular position. The magnetic circuit closes here via no other rotor tooth.
Der magnetische Kreis kann einen geschlossenen Pfad bezeichnen, insbesondere den Verlauf einer Feldlinie, wobei zumindest ein Abschnitt des Pfades jeweils in den Statorzähnen als auch in dem Rotorzahn angeordnet ist. Weitere Abschnitte des Pfades können im Luftspalt und im Statorkörper angeordnet sein. The magnetic circuit may denote a closed path, in particular the course of a field line, wherein at least a portion of the path is arranged respectively in the stator teeth and in the rotor tooth. Further sections of the path can be arranged in the air gap and in the stator body.
Der bestromte Zustand einer Phasenwicklung kann einen Zustand bezeichnen, in dem ein Strom durch die Phasenwicklung fließt. Auch kann der bestromte Zustand einen Zustand bezeichnen, in dem ein Strom durch die Phasenwicklung fließt, dessen Amplitude größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist. Der bestromte Zustand kann insbesondere einen Zustand bezeichnen, der sich zu einem Zeitpunkt eines Blockkommutierungsbetriebs der elektrischen Maschine einstellt. The energized state of a phase winding may indicate a state in which a current flows through the phase winding. Also, the energized state may indicate a state in which a current flows through the phase winding whose amplitude is larger than a predetermined threshold. Specifically, the energized state may designate a state that sets at a timing of a block commutation operation of the electric machine.
Ist die elektrische Maschine eine dreiphasige Maschine, so kann der Blockkommutierungsbetrieb insbesondere ein sogenannter 120°-Rechteckkommutierungsbetrieb sein. Hierbei fließt ein Strom durch Phasenwicklungen, die zwei der drei Phasen zugeordnet sind, während die der verbleibenden Phase zugeordneten Phasenwicklungen stromlos sind. Nach jeweils 60° (elektrisch) wird der Stromfluss auf das nächste Phasenpaar weitergeschaltet. In particular, if the electric machine is a three-phase machine, the block commutation mode may be a so-called 120 ° rectangular commutation mode. In this case, a current flows through phase windings associated with two of the three phases, while the phase windings associated with the remaining phase are de-energized. After every 60 ° (electrical), the current flow is switched to the next phase pair.
Hierbei können verschiedene Bestromungszustände existieren. In verschiedenen Bestromungszuständen können z.B. jeweils verschiedene Phasenwicklungen bestromt werden. Hierdurch sind auch bestromungszustandsabhängig verschiedene Statorzähne mit bestromten Phasenwicklungen umwickelt. In this case, different energization states can exist. In different energizing conditions, e.g. each different phase windings are energized. As a result, different stator teeth are also wound with current-carrying phase windings depending on the state of energization.
Somit kann einem Bestromungszustand eine Winkelposition des Rotors zugeordnet sein, in der vorhergehend erläuterte minimale magnetische Widerstand des magnetisches Kreises, der sich über den Rotorzahn und die Statorzähne mit einer bestromten Phasenwicklung schließt, bereitgestellt wird. Thus, an energization state may be associated with an angular position of the rotor in which previously explained minimum magnetic resistance of the magnetic circuit, which closes via the rotor tooth and the stator teeth with a current-carrying phase winding, is provided.
Die erste Winkelposition kann einem ersten Bestromungszustand zugeordnet sein. Weitere Winkelpositionen können weiteren Bestromungszuständen zugeordnet sein. The first angular position may be associated with a first energizing state. Further angular positions can be assigned to further energization states.
Mit anderen Worten ist der mindestens eine Rotorzahn derart ausgebildet, dass der Rotorzahn, insbesondere in der ersten Winkelposition, den magnetischen Widerstand des magnetischen Kreises, der sich in dem bestromten Zustand über zwei benachbarte Statorzähne mit jeweils bestromten Phasenwicklungen und den mindestens einen Rotorzahn schließt, minimiert. Somit können in der ersten Winkelposition des Rotors die magnetische Widerstände aller davon verschiedenen magnetischen Kreise, die sich in dem bestromten über den ersten bestromten Statorzahn schließen, größer sein. In other words, the at least one rotor tooth is designed such that the rotor tooth, in particular in the first angular position, minimizes the magnetic resistance of the magnetic circuit, which in the energized state via two adjacent stator teeth each with energized phase windings and the at least one rotor tooth , Thus, in the first angular position of the rotor, the magnetic resistances of all the different magnetic circuits closing in the energized one over the first energized stator tooth may be larger.
Somit schließt der Rotorzahn in der ersten Winkelposition die bestromten Phasenwicklungen der benachbarten Statorzähne magnetisch kurz bzw. maximiert ihre magnetische Kopplung bzw. minimiert die Reluktanz zwischen ihnen. Thus, in the first angular position, the rotor tooth magnetically short-circuits the energized phase windings of the adjacent stator teeth or maximizes their magnetic coupling or minimizes the reluctance between them.
Mit noch anderen Worten ist der mindestens eine Rotorzahn derart ausgebildet, dass in der ersten Winkelposition ein Zustand minimaler Reluktanz erreicht wird. In yet other words, the at least one rotor tooth is designed such that a state of minimal reluctance is achieved in the first angular position.
Umfasst die elektrische Maschine mehrere Rotorzähne, so können in der ersten Winkelposition des Rotors die magnetischen Widerstände mehrerer, entsprechender magnetischer Kreise minimal sein. If the electric machine comprises a plurality of rotor teeth, the magnetic resistances of a plurality of corresponding magnetic circuits may be minimal in the first angular position of the rotor.
Die magnetischen Widerstände von weiteren magnetischen Kreisen, die sich über einen Rotorzahn oder einen Abschnitt eines Rotorzahns und einen nicht von dem Rotorzahn verdeckten Statorzahn oder einen Abschnitt eines solchen nicht verdeckten Statorzahns schließen, können hierbei größer als der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises sein, der sich über den Rotorzahn, den ersten Statorzahn und den zu dem ersten Statorzahn benachbarten Statorzahn schließt. Insbesondere können die magnetischen Widerstände von weiteren magnetischen Kreisen, die sich über einen ersten Statorzahn, einen entgegen der Drehrichtung zum ersten Statorzahn unmittelbar benachbarten Statorzahn und einen Rotorzahn schließen, größer sein als der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises, der sich über den Rotorzahn, den ersten Statorzahn und einen in Drehrichtung zum ersten Statorzahn unmittelbar benachbarten Statorzahn schließt. Insbesondere können die magnetischen Widerstände dieser weiteren magnetischen Kreise genau dann maximal sein, wenn der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises, der sich über den Rotorzahn, den ersten Statorzahn und einen in Drehrichtung zum ersten Statorzahn unmittelbar benachbarten Statorzahn schließt, minimal ist. The magnetic resistances of other magnetic circuits, which close over a rotor tooth or a portion of a rotor tooth and a stator tooth not covered by the rotor tooth or a portion of such an uncovered stator tooth, may hereby be greater than the magnetic resistance of the magnetic circuit via the rotor tooth, the first stator tooth and the stator tooth adjacent to the first stator tooth. In particular, the magnetic resistances of other magnetic circuits, which close over a first stator tooth, a counter to the direction of rotation to the first stator tooth immediately adjacent stator tooth and a rotor tooth, may be greater than the magnetic resistance of the magnetic circuit extending over the rotor tooth, the first Statorzahn and in the direction of rotation to the first stator tooth immediately adjacent stator tooth closes. In particular, the magnetic resistances of these other magnetic circuits can be maximum precisely if the magnetic resistance of the magnetic circuit, which closes via the rotor tooth, the first stator tooth and a stator tooth immediately adjacent to the first stator tooth in the direction of rotation, is minimal.
Die elektrische Maschine unterscheidet sich von einer permanent erregten Synchronmaschine dadurch, dass kein Rotor aus permanentmagnetischem Material benötigt wird. Von einer geschalteten Reluktanzmaschine unterscheidet sich die elektrische Maschine dadurch, dass zum Betrieb weniger Phasenleitungen benötigt werden. Bei einer dreiphasigen Maschine werden z.B. nur 3 Phasenleitungen statt der bei einer dreiphasigen Reluktanzmaschine benötigten vier bzw. sechs Phasenleitungen benötigt. Wie nachfolgend noch näher erläutert, ermöglicht die vorgeschlagene Maschine bei vergleichbarem Bauraum eine höhere gravimetrische und volumetrische Drehmomentdichte als die geschaltete Reluktanzmaschine. The electric machine differs from a permanently excited synchronous machine in that no rotor made of permanent magnetic material is needed. From a switched Reluctance machine, the electrical machine differs in that less phase cables are needed to operate. In a three-phase machine, for example, only three phase lines are required instead of the four or six phase lines required in a three-phase reluctance machine. As will be explained in more detail below, the proposed machine allows a higher gravimetric and volumetric torque density with a comparable space than the switched reluctance machine.
Die vorgeschlagene Maschine kann auch als geschalteter Reluktanzmotor in Sternschaltung (SRS) bezeichnet werden. The proposed machine may also be referred to as a switched reluctance motor in star connection (SRS).
Erfindungsgemäß verdeckt eine Oberfläche des mindestens einen Rotorzahns die Polflächen der benachbarten Statorzähne mit bestromten Phasenwicklungen vollständig. Somit verdeckt ein erster Teil der Oberfläche des Rotorzahns die gesamte Polfläche des ersten Statorzahns mit bestromter Phasenwicklung und ein weiterer Teil der Oberfläche des Rotorzahns die gesamte Polfläche des benachbarten Statorzahns mit bestromter Phasenwicklung. Somit kann ein Rotorpol mit Bezug auf einen Statorpol als Doppelpol ausgebildet sein. According to the invention, a surface of the at least one rotor tooth completely covers the pole faces of the adjacent stator teeth with current-fed phase windings. Thus, a first part of the surface of the rotor tooth covers the entire pole face of the first stator tooth with energized phase winding and another part of the surface of the rotor tooth, the entire pole face of the adjacent stator tooth with energized phase winding. Thus, a rotor pole may be formed with respect to a stator pole as a double pole.
Dies kann insbesondere in der ersten Winkelposition der Fall sein. This may be the case, in particular in the first angular position.
Ein verdeckter Abschnitt der Polfläche eines Statorzahns kann einen Abschnitt bezeichnen, dem relativ zum Luftspalt zwischen Stator und Rotor gegenüberliegend ein Abschnitt der Oberfläche des Rotorzahns angeordnet ist. Somit kann eine Luftspaltbreite zwischen dem verdeckten Abschnitt der Polfläche des Statorzahns und dem Rotor minimal sein, wobei die Luftspaltbreite z.B. entlang einer Senkrechten zum verdeckten Abschnitt der Polfläche gemessen wird. A hidden portion of the pole face of a stator tooth may denote a portion opposite to which a portion of the surface of the rotor tooth is located relative to the air gap between stator and rotor. Thus, an air gap width between the hidden portion of the pole face of the stator tooth and the rotor may be minimal, the air gap width being e.g. is measured along a normal to the hidden portion of the pole face.
Das Merkmal, dass eine Oberfläche des mindestens einen Rotorzahns die Polflächen der benachbarten Statorzähne mit bestromten Phasenwicklungen vollständig verdeckt, kann hierbei äquivalent zu dem Merkmal sein, dass der mindestens eine Rotorzahn derart ausgebildet ist, dass in einem bestromten Zustand der elektrischen Maschine ein magnetischer Widerstand eines magnetischen Kreises, der sich über den Rotorzahn und einen ersten Statorzahn mit einer bestromten Phasenwicklung schließt, dann minimal ist, wenn sich der magnetische Kreis über einen zu dem ersten Statorzahn benachbarten Statorzahn mit einer bestromten Phasenwicklung schließt. The feature that a surface of the at least one rotor tooth completely covers the pole faces of the adjacent stator teeth with energized phase windings may hereby be equivalent to the feature that the at least one rotor tooth is designed such that in a energized state of the electrical machine a magnetic resistance of a magnetic circuit, which closes via the rotor tooth and a first stator tooth with a current-carrying phase winding, then is minimal, when the magnetic circuit closes over a stator tooth adjacent to the stator tooth with a current-fed phase winding.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Herstellung der elektrischen Maschine. This results in an advantageous manner a simple production of the electric machine.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Winkel zwischen einer Tangente in einem Punkt, insbesondere in einem beliebigen Punkt oder in jedem Punkt, einer äußeren Mantelfläche eines Statorzahns und einer radialen Nutmittellinie der von der äußeren Mantelfläche begrenzten Statornut einen Wert zwischen 0 (einschließlich) und π/8 (einschließlich) auf. Der Winkel kann insbesondere der Winkel in einer Querschnittsebene sein, die senkrecht zur Rotationsachse des Rotors orientiert ist. In a preferred embodiment, an angle between a tangent at a point, in particular at any point or point, an outer circumferential surface of a stator tooth and a radial groove centerline of the stator groove defined by the outer circumferential surface has a value between 0 (inclusive) and π / 8 (inclusive). The angle may in particular be the angle in a cross-sectional plane which is oriented perpendicular to the axis of rotation of the rotor.
Mit anderen Worten kann der Statorzahn also derart angeordnet und/oder ausgebildet sein, dass der Winkel zwischen der Tangente und der radialen Nutmittellinie einen Wert zwischen 0 und π/8 aufweist. Die Tangente und die radiale Nutmittellinie können in der erläuterten Querschnittsebene angeordnet sein bzw. verlaufen. In other words, the stator tooth can thus be arranged and / or formed such that the angle between the tangent and the radial groove center line has a value between 0 and π / 8. The tangent and the radial groove center line can be arranged or run in the illustrated cross-sectional plane.
Eine Tangente kann hierbei eine Gerade sein, die die äußere Mantelfläche zumindest, jedoch nicht zwingend ausschließlich, in dem Punkt der äußeren Mantelfläche berührt. Weiter kann die Tangente senkrecht zu einer Oberflächennormalen der äußeren Mantelfläche im Berührungspunkt orientiert sein. A tangent may in this case be a straight line which touches the outer lateral surface at least, but not necessarily exclusively, in the point of the outer lateral surface. Furthermore, the tangent can be oriented perpendicular to a surface normal of the outer lateral surface at the contact point.
Ein Statorzahn kann hierbei einen Polkernabschnitt aufweisen. Weiter kann ein Statorzahn auch einen Polschuhabschnitt aufweisen oder ausbilden. Dies ist jedoch nicht zwingend. Ein Polschuhabschnitt kann z.B. einen Abschnitt des Statorzahns bezeichnen, in dem sich eine Breite des Statorzahns in der erläuterten Querschnittsebene hin zur Rotationsachse des Rotors vergrößert. Die Breite kann hierbei eine Breite entlang einer Umfangsrichtung sein. A stator tooth can in this case have a pole core section. Furthermore, a stator tooth can also have or form a pole shoe section. However, this is not mandatory. A pole piece section may e.g. designate a portion of the stator tooth in which a width of the stator tooth increases in the illustrated cross-sectional plane toward the axis of rotation of the rotor. The width may be a width along a circumferential direction.
Die äußere Mantelfläche des Statorzahns kann eine Fläche bezeichnen, die eine Statornut begrenzt. Mit anderen Worten kann die äußere Mantelfläche Teil einer Wandfläche einer Seitenwand der Statornut sein. Die Statornut ist hierbei zwischen zwei benachbarten Statorzähnen angeordnet. The outer surface of the stator tooth may denote a surface defining a stator slot. In other words, the outer circumferential surface may be part of a wall surface of a side wall of the stator groove. The stator is in this case arranged between two adjacent stator teeth.
Die radiale Nutmittellinie der von der äußeren Mantelfläche begrenzten Statornut kann hierbei eine Linie bezeichnen, die sich in Radialrichtung von der Rotationsachse des Rotors zu einem Statorjochabschnitt erstreckt, wobei der Statorjochabschnitt ebenfalls die Statornut begrenzt, insbesondere in der vorhergehend erläuterten Querschnittsebene. Z.B. kann sich die radiale Nutmittellinie von einem Mittelpunkt des Statorjochabschnitts zwischen den beiden benachbarten Statorzähnen zur Rotationsachse des Rotors erstrecken, insbesondere in der vorhergehend erläuterten Querschnittsebene. The radial groove center line of the stator groove bounded by the outer lateral surface may in this case denote a line which extends in the radial direction from the axis of rotation of the rotor to a stator yoke section, wherein the stator yoke section likewise delimits the stator slot, in particular in the cross-sectional plane explained above. For example, the radial groove centerline may extend from a center of the stator yoke portion between the two adjacent stator teeth to the axis of rotation of the rotor, particularly in the cross-sectional plane previously discussed.
Somit kann also der Winkel zwischen einer Tangente in einem beliebigen Punkt der äußeren Mantelfläche des Statorzahns und der radialen Nutmittellinie der von der äußeren Mantelfläche begrenzten Statornut einen Wert zwischen 0 und π/8 aufweisen. Thus, therefore, the angle between a tangent at any point of the outer circumferential surface of the stator tooth and the radial groove center line of the limited by the outer circumferential surface Statornut have a value between 0 and π / 8.
Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein möglichst geringer magnetischer Widerstand des magnetischen Kreises erreicht werden, der sich über den Rotorzahn, den ersten Statorzahn und den zu dem ersten Statorzahn benachbarten Statorzahn schließt. Dies wiederum ermöglicht in vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Entfaltung des Drehmoments bzw. eine Reduktion von Drehmomentschwankungen sowie die Bereitstellung eines hohen Wirkungsgrads. In this way, the lowest possible magnetic resistance of the magnetic circuit can be achieved in an advantageous manner, which closes on the rotor tooth, the first stator tooth and the stator tooth adjacent to the first stator tooth. This in turn advantageously enables a uniform development of the torque or a reduction of torque fluctuations and the provision of a high efficiency.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Phasenwicklungen in einem Sternpunkt elektrisch verbunden. Dies wurde vorhergehend bereits erläutert. Die Verbindung der Phasenwicklungen in einem Sternpunkt ermöglicht in vorteilhafter Weise den Betrieb einer mehrpoligen elektrischen Maschine mit einer minimalen Anzahl von Phasenleitungen. So kann z.B. eine elektrische Maschine mit sechs Statorpolen mit 3 Phasenleitungen betrieben werden. In a further embodiment, the phase windings are electrically connected in a neutral point. This has already been explained above. The connection of the phase windings in a star point advantageously allows the operation of a multi-pole electric machine with a minimum number of phase lines. Thus, e.g. an electric machine with six stator poles are operated with 3 phase cables.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Stator
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine höhere gravimetrische und volumetrische Drehmomentdichte als bei einer geschalteten Reluktanzmaschine gemäß Stand der Technik sowie eine höhere gravimetrische volumetrische Leistungsdichte. This advantageously results in a higher gravimetric and volumetric torque density than in a switched reluctance machine according to the prior art and a higher gravimetric volumetric power density.
In einer weiteren Ausführungsform deckt jeweils einer der 1 × n Rotorzähne ein Winkelsegment von 4π/(3 × n) des Luftspalts und jeweils einer der 3 × n Statorzähne ein Winkelsegment von π/(3 × n) des Luftspalts ab. Ein abgedeckter Abschnitt des Luftspalts zwischen Stator und Rotor kann einen Abschnitt bezeichnen, der zwischen dem jeweiligen Stator- bzw. Rotorzahn und dem jeweils gegenüberliegenden Abschnitt der Oberfläche des Rotors bzw. Stators angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein geringer, insbesondere ein geringstmöglicher, magnetischer Widerstand und somit ein hoher Wirkungsgrad. In a further embodiment, one of the 1 × n rotor teeth each covers an angular segment of 4π / (3 × n) of the air gap and one of the 3 × n stator teeth each covers an angular segment of π / (3 × n) of the air gap. A covered portion of the air gap between the stator and the rotor may denote a portion interposed between the respective stator tooth and rotor and the opposite portion of the surface of the rotor and the stator, respectively. This results in an advantageous manner a low, in particular a lowest possible, magnetic resistance and thus a high efficiency.
In einer weiteren Ausführungsform bilden die Statorzähne jeweils einen Polschuh aus. Dies kann bedeuten, dass sich eine Breite des Statorzahns hin zum freien Ende des Statorzahns vergrößert und/oder am freien Ende maximal ist. Die Breite kann entlang des Umfangs, z.B. entlang eines Innenumfangs des Stators bei einer Innenläufermaschine oder entlang eines Außenumfangs des Stators bei einer Außenläufermaschine erfasst werden. In a further embodiment, the stator teeth each form a pole piece. This may mean that a width of the stator tooth increases towards the free end of the stator tooth and / or is maximum at the free end. The width may be along the circumference, e.g. along an inner circumference of the stator in an inner rotor machine or along an outer circumference of the stator in an external rotor machine are detected.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein höherer Wirkungsgrad aufgrund des geringeren magnetischen Widerstands. This results in an advantageous manner, a higher efficiency due to the lower magnetic resistance.
In einer alternativen Ausführungsform weist der Stator
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine weitere Erhöhung der Drehmomentdichte, insbesondere im Vergleich zu der vorhergehend erläuterten Ausführungsform. This results in an advantageous manner, a further increase in the torque density, in particular in comparison to the previously explained embodiment.
In einer weiteren Ausführungsform deckt jeweils einer der 2 × n Rotorzähne ein Winkelsegment von 2π/(2 × n) des Luftspalts und jeweils einer der 3 × n Statorzähne ein Winkelsegment von 2π/(6 × n) des Luftspalts ab. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine hohe, insbesondere die höchstmögliche, Drehmomentdichte. Diese kann im Vergleich zu einem geschalteten Reluktanzmotor mit gleicher Nutenzahl um 50% höher sein. In a further embodiment, each one of the 2 × n rotor teeth covers an angular segment of 2π / (2 × n) of the air gap and each of the 3 × n stator teeth an angular segment of 2π / (6 × n) of the air gap. This results in an advantageous manner a high, in particular the highest possible, torque density. This can be 50% higher compared to a switched reluctance motor with the same number of slots.
In einer weiteren Ausführungsform bilden die Statorzähne keinen Polschuh aus. Dies kann bedeuten, dass sich eine Breite des Statorzahns hin zum freien Ende des Statorzahns verringert oder konstant bleibt. Alternativ oder kumulativ kann die Breite am freien Ende minimal sein. In a further embodiment, the stator teeth do not form a pole piece. This may mean that a width of the stator tooth towards the free end of the stator tooth is reduced or remains constant. Alternatively or cumulatively, the width at the free end may be minimal.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine kompaktere Bauform. This results in an advantageous manner a more compact design.
Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen, wobei die Phasenwicklungen der elektrischen Maschinen in einem Kommutierungsbetrieb bestromt werden. Vorzugsweise ist der Kommutierungsbetrieb ein Blockkommutierungsbetrieb. Im Blockkommutierungsbetrieb können die Phasenwicklungen mit zeitlich wechselnden Spannungsblöcken spannungsversorgt werden. Alternativ kann der Kommutierungsbetrieb ein Sinuskommutierungsbetrieb sein. Further proposed is a method for operating an electrical machine according to one of the embodiments described in this disclosure, wherein the phase windings of the electrical machines are energized in a commutation mode. Preferably, the commutation operation is a block commutation operation. In block commutation mode, the phase windings can be supplied with time-varying voltage blocks. Alternatively, the commutation operation may be a sine commutation operation.
Im Blockkommutierungsbetrieb werden, je nach Zeitpunkt, die Phasenwicklungen um verschiedene Statorzähne bestromt. In verschiedenen Bestromungszuständen ist der magnetische Widerstand für verschiedene magnetische Kreise minimal, wobei sich die verschiedenen magnetischen Kreise über den mindestens einen Rotorzahn und die Statorzähne mit den entsprechend bestromten Phasenwicklungen schließen. Folgen verschiedene Bestromungszustände zeitlich aufeinander, so wird der Rotor, um die Reluktanz zu minimieren, die Winkelposition verändern. So wird der Rotor von einer ersten Winkelposition im ersten Bestromungszustand in einer weitere Winkelposition rotierten, wenn der Bestromungszustand in einen weiteren Bestromungszustand wechselt, der dieser weitere Winkelposition zugeordnet ist. Mit anderen Worten wird der Rotor in eine bestromungszustandsabhängige Winkelposition rotieren, wobei die Winkelpositionen von verschiedenen Bestromungszuständen voneinander verschieden sind. In block commutation mode, depending on the time, the phase windings are energized by different stator teeth. In different energization states, the magnetic resistance is minimal for different magnetic circuits, with the various magnetic circuits closing via the at least one rotor tooth and the stator teeth with the correspondingly energized phase windings. If different energization states follow one another in time, the rotor will change the angular position in order to minimize the reluctance. Thus, the rotor is rotated from a first angular position in the first Bestromungszustand in a further angular position when the Bestromungs state changes to another Bestromungszustand, which is assigned to this further angular position. In other words, the rotor will rotate to an energized state dependent angular position, the angular positions of different energization states being different from each other.
Nachfolgend werden einige technische Erläuterungen, insbesondere auch zum Vergleich einer permanterregten Synchronmaschine (PMSM), einer geschalteten Reluktanzmaschine (S/R) und einer vorgeschlagenen elektrischen Maschine (SRS) ausgeführt. Some technical explanations are given below, in particular also for comparing a permanent-magnet synchronous machine (PMSM), a switched reluctance machine (S / R) and a proposed electric machine (SRS).
Die nachfolgenden Erläuterungen betreffen ein analytisches Modell, welches benutzt werden kann, um die prinzipiell erreichbare Drehmoment- und Leistungsdichte der verschiedenen Maschinentypen zu vergleichen. The following explanations relate to an analytical model that can be used to compare the achievable torque and power density of the various types of machines.
Zuerst kann die Leistungs- und Drehmomentdichte eines permanenterregten Synchronmotors (PMSM) bestimmt werden. Die maximale Leistungsabgabe eines Elektromotors mit Permanenterregung ergibt sich bei einer gewissen Maximaldrehzahl ωm und einem maximalen Drehmoment M, welches der Motor bei dieser Drehzahl aufbringen kann.
Vereinfachend wird angenommen, dass die maximale Drehzahl ωm erreicht ist, wenn die elektromagnetische Gegenkraft des Motors gleich groß ist wie die Zwischenkreisspannung UZK. Die Gegeninduktion UEMK ergibt sich allgemein aus
Bei einer Phasenwicklung kann man allgemein davon ausgehen, dass gilt
- NZ
- ... die Zahl der Windungen auf dem einzelnen Statorzahn,
- ACore
- ... den magnetisch wirksamer Querschnitt des Eisenkerns
- N Z
- ... the number of turns on the single stator tooth,
- A core
- ... the magnetically effective cross section of the iron core
Die Zeit für die Änderung der magnetischen Flussdichte von Bmax bis –Bmax ergibt sich aus der Ummagnetisierungfrequenz. Diese kann aus der Drehzahl der Maschine und der Polzahl N P des Polrads näherungsweise wie folgt berechnet werden: The time for the change in the magnetic flux density from B max to -B max results from the Ummagnetisierungfrequenz. This can be calculated from the speed of the machine and the number of poles N P of the pole wheel approximately as follows:
Einsetzen von Gleichungen (1.4) und (1.3) in (1.2) ergibt folgende Näherungsformel: d.h. für die maximale Drehzahl gilt: Inserting equations (1.4) and (1.3) in (1.2) yields the following approximation formula: ie for the maximum speed applies:
Für das Drehmoment soll vereinfachend mit der Drehmomentkonstanten gerechnet werden, welche sich aus der Auslegung des PMSM ergibt. Auf die Herleitung eines analytischen Ausdrucks für ki wird verzichtet. Die maximale Leistung der Maschine ergibt sich dann zu: wobei I den Phasenstrom bezeichnet. For the sake of simplification, the torque constant that results from the design of the PMSM is to be calculated for the torque. The derivation of an analytic expression for k i is omitted. The maximum power of the machine then results in: where I denotes the phase current.
Bevor die Verhältnisse im geschalteten Reluktanzmotor betrachtet werden, werden in diesem Abschnitt Überlegungen zur maximal möglichen Stromstärke im Motor angestellt. Analog zum elektrischen Stromkreis gilt: Before considering the conditions in the switched reluctance motor, this section will consider the maximum possible current in the motor. The same applies to the electrical circuit:
Dabei wird mit Vm die sogenannte magnetische Spannung bezeichnet und mit Rm der magnetische Widerstand. Es gilt allgemein:
Und speziell wenn der magnetische Kreis in Sättigung geht:
- lair
- ... Breite des Luftspalts,
- Nw
- ... Zahl der Windungen im magnetischen Kreis,
- APole
- ... Polfläche,
- µ0
- ... Permeabilität des Vakuums,
- µr
- ... relative Permeabilität des Statorzahnmaterials.
- l air
- ... width of the air gap,
- N w
- ... number of turns in the magnetic circuit,
- A pole
- ... pole surface,
- μ 0
- ... permeability of the vacuum,
- μ r
- ... relative permeability of the stator tooth material.
Bei einem geschalteten Reluktanzmotor ist die Polfläche genau so groß wie der magnetisch wirksame Querschnitt des Statorzahns. Bei einer Maschine mit Polschuhen ist das im Allgemeinen nicht so. Daher wird ein Faktor Cm eingeführt, welcher das Verhältnis zwischen Fläche des Polschuhs und dem magnetisch wirksamen Querschnitt Acore bestimmt. In a switched reluctance motor, the pole face is exactly as large as the magnetically effective cross section of the stator tooth. This is generally not the case with a machine with pole pieces. Therefore, a factor C m is introduced which determines the relationship between the area of the pole piece and the magnetically active area A core .
Gleichungen (2.2), (2.3) und (2.4) eingesetzt in (2.1) ergeben: Equations (2.2), (2.3) and (2.4) inserted in (2.1) show:
Mittels Gleichung (2.5) können die Polfläche und der magnetisch wirksame Querschnitt aus der Gleichung eliminiert werden: Equation (2.5) allows the pole face and the magnetically effective cross section to be eliminated from the equation:
Umstellen nach der elektromagnetischen Spannung ergibt für die maximal mögliche magnetische Spannung: Switching to the electromagnetic voltage results in the maximum possible magnetic tension:
Nachfolgend wir der geschaltete Reluktanzmotor betrachtet, der auch als geschaltete Reluktanzmaschine bezeichnet werden kann. Insbesondere wird die Berechnung für das maximale Drehmoment und die maximale Drehzahl für einen geschalteten Reluktanzmotor abgeleitet. Considered below is the switched reluctance motor, which may also be referred to as a switched reluctance machine. In particular, the calculation for the maximum torque and the maximum speed for a switched reluctance motor is derived.
Für das Drehmoment gilt wegen der Erhaltung der magnetischen Co-Energie: wobei L die Induktivität, NN die Zahl der Nuten und dφ die Änderung des Rotorwinkels/Arbeitsschritt bezeichnen. Die Zahl der Nuten kann gleich der Zahl der Statorzähne sein. For the torque applies because of the conservation of the magnetic co-energy: where L is the inductance, N N is the number of slots, and dφ is the change in rotor angle / operation. The number of grooves can be equal to the number of stator teeth.
In Näherung gilt, dass As an approximation, that
Wobei das Kürzel „aligned“ den Zustand des geschlossenen magnetischen Kreises und „unaligned“ den Zustand des offenen magnetischen Kreises bezeichnen. NZ ist die Zahl der Statorzähne, RmSR ist der magnetische Widerstand des S/R-Motors im Zustand aligned und φSR ist Rotorwinkel des S/R-Motors. Where the symbol "aligned" designates the condition of the closed magnetic circuit and "unaligned" the condition of the open magnetic circuit. N Z is the number of stator teeth, R mSR is the magnetic resistance of the S / R motor in the aligned state, and φ SR is the rotor angle of the S / R motor.
Einsetzen der Gleichung (3.4) in Gleichung (3.3) ergibt: Substituting equation (3.4) into equation (3.3) yields:
Einsetzen der Gleichung (3.5) in Gleichung (3.2) und (3.1) ergibt Substituting equation (3.5) into equation (3.2) and (3.1)
Unter Berücksichtigung von Gleichung (2.6) folgt für das maximale Drehmoment der Maschine: Taking into account equation (2.6), the maximum torque of the machine follows:
Eine kompaktere Darstellung von Gleichung (3.7) lässt sich durch einsetzen von Gleichung (2.4) herleiten: A more compact representation of equation (3.7) can be derived by using equation (2.4):
Es wird von der idealisierten Annahme ausgegangen, dass die Polfläche das gesamte Winkelsegment abdeckt. Daher gilt: It is based on the idealized assumption that the pole face covers the entire angle segment. Therefore:
Wobei rls den Radius des Luftspalts und ls die Länge des Stators bezeichnen. Where r ls is the radius of the air gap and l s is the length of the stator.
Weiterhin gilt Furthermore, applies
Eingesetzt in (3.8) folgt Inserted in (3.8) follows
Es gilt: CmSR = 1, sodass nach kürzen folgender Ausdruck entsteht: The following applies: C mSR = 1, so that the following expression results after shortening:
Zur Berechnung der maximalen Drehzahl wird wieder von Gleichungen (1.2) und (1.3) ausgegangen. Statt (1.4) ergibt sich bei einem S/R-Motor ein anderer Ausdruck. Dabei ist zu berücksichtigen, dass beim S/R Motor die Zahl der Nuten und nicht der Pole für die Ummagnetisierungsgeschwindigkeit maßgeblich ist. Immer wenn eine Phasenwicklung bestromt wird, bewegt sich der Rotor um (2NN)–1 Umdrehungen weiter. Dies geschieht innerhalb einer Zeit ∆t und umso schneller, je höher die Drehzahl des Motors ist. Statt (1.4) gilt daher für die Zeit für die Ummagnetisierung von 0 bis Bmax: To calculate the maximum speed, equations (1.2) and (1.3) are again assumed. Instead of (1.4), there is another expression for an S / R engine. It should be noted that with the S / R motor, the number of slots and not the pole is decisive for the re-magnetization speed. Whenever a phase winding is energized, the rotor continues to move -1 revolutions about (2N N). This happens within a time Δt and the faster, the higher the speed of the motor is. Instead of (1.4), therefore, the time for the remagnetization from 0 to B max applies:
Da im Gegensatz zu Gleichung (1.5) in einem S/R Motor die magnetische Flussdichte nicht von –Bmax bis Bmax steigt sondern nur von 0 bis Bmax, folgt statt Gleichung (1.5): Since, in contrast to equation (1.5) in an S / R motor, the magnetic flux density of not -B max and B max increases but only from 0 to B max, following instead of Equation (1.5):
Für die Maximaldrehzahl des Motors ergibt sich statt Gleichung (1.6): For the maximum speed of the motor, instead of equation (1.6):
Gleichung (3.14) kann weiter vereinfacht werden, indem der magnetisch wirksame Querschnitt Acore mittels Gleichung (3.9) ausgedrückt wird: Equation (3.14) can be further simplified by expressing the magnetically effective cross-section A core by equation (3.9):
Für die maximale Leistung gilt unter Berücksichtigung von Gleichung (3.11) For the maximum power, taking into account equation (3.11)
In der Praxis hängen NN und cwSR zusammen. Da die vom Umrichter gelieferte maximale Stromstärke begrenzt ist, sieht das Wickelschema i.d.R. vor, alle Zahnwicklungen einer Phase in Reihe zu schalten, sodass gilt: Aus Gleichung (3.15) ist ersichtlich, dass die Möglichkeiten zur Leistungssteigerung eines S/R Motors ganz allgemein begrenzt sind. Konstruktive Maßnahmen wie eine Vergrößerung der Statortiefe, eine Erhöhung der Zahl der Nuten oder des Luftspaltradius sind allein geeignet das maximale Drehmoment, nicht jedoch die Leistung zu erhöhen. Die Möglichkeiten zur Erhöhung der Leistung beschränken sich auf:
- 1. Eine Vergrößerung des Luftspaltes, was mit einer Verringerung des Wirkungsgrades einhergeht,
- 2. eine Erhöhung der Zwischenkreisspannung,
- 3. eine Änderung des Wickelschemas (Beeinflussung von cwSR und/oder NZ) und entsprechend Verwendung eines Umrichters, der größere Phasenströme liefern kann.
- 1. An enlargement of the air gap, which is associated with a reduction in the efficiency,
- 2. an increase in the intermediate circuit voltage,
- 3. A change in the winding scheme (influencing c wSR and / or N Z ) and according to the use of an inverter that can deliver larger phase currents .
Hinsichtlich 3. ist zu beachten, dass Umrichter und Motorspule einen Tiefsetzsteller bilden. Dessen Drossel hat im Fall des S/R-Motors im Zustand „unaligned“ eine extrem geringe Induktivität, was Folgendes nach sich zieht:
- – In Kombination mit großen Stromstärken sind EMV-Probleme zu erwarten.
- – Ein Tiefsetzsteller eine Anordnung zur Spannungswandlung, welche die Drossel als Energiespeicher nutzt. Ist die Induktivität der Spule zu gering um die notwendige Energie zu speichern, so erfordert es das Wirkprinzip des Tiefsetzstellers, die Schaltfrequenz zu erhöhen, was die zu erwartenden EMV-Probleme verstärkt. Zudem sinkt der Wirkungsgrad des Tiefsetzstellers, da jeder Schaltvorgang Schaltverluste im Umrichter erzeugt.
- - In combination with high currents, EMC problems are to be expected.
- - A buck converter an arrangement for voltage conversion, which uses the throttle as energy storage. If the inductance of the coil is too low to store the necessary energy, it requires the operating principle of the step-down converter to increase the switching frequency, which amplifies the expected EMC problems. In addition, the efficiency of the step-down converter decreases because each switching process generates switching losses in the converter.
Eine weitere Implikation aus Gleichung (3.15) ist, dass beispielsweise die Länge des Stators und damit das Gewicht des Motors nicht direkt die maximale Leistungsabgabe des Motors beeinflusst. So kann die gravimetrische Leistungsdichte durch Verringerung der Länge des Stators erhöht werden, wobei der Motor jeweils weniger Drehmoment liefert, aber eine höhere Drehzahl erreicht. Die Möglichkeiten sind hierbei dadurch begrenzt, dass die Ummagnetisierungsverluste mit steigender Drehzahl überproportional zunehmen und dass das Untersetzungsverhältnis in der Praxis nicht beliebig groß gewählt werden kann. Another implication of Equation (3.15) is that, for example, the length of the stator and thus the weight of the motor does not directly affect the maximum power output of the motor. Thus, the gravimetric power density can be increased by reducing the length of the stator, with the motor delivering less torque each but achieving a higher speed. The possibilities here are limited by the fact that the re-magnetization losses increase disproportionately with increasing speed and that the reduction ratio can not be chosen arbitrarily large in practice.
Um die Ummagnetisierungsverluste berücksichtigen zu können, wird von folgender Näherungsformel ausgegangen: wobei
- fcore
- ... Ummagnetisierungsfrequenz
- f core
- ... re-magnetization frequency
Die Ummagnetisierungsfrequenz steigt mit der Zahl der Pole und der Drehzahl des Motors wobei
- mFe
- ... Masse des Kernmaterials, welches von der Ummagnetisierung betroffen ist
- k1,5T
- ... Verlustziffer des verwendeten Kernmaterials bei 1,5 Tesla
- m Fe
- ... mass of the core material, which is affected by the magnetization reversal
- k 1.5T
- ... Loss number of the core material used at 1.5 Tesla
Für die Masse des Kernmaterials wird folgende Schätzformel benutzt:
- rA
- ... Außendurchmesser des Stators
- r A
- ... outer diameter of the stator
Der der magnetisch wirksame Querschnitt Acore bzw. der Eisenquerschnitt kann wiederum mittels (3.9) ausgedrückt werden: The magnetically active cross section A core or the iron cross section can in turn be expressed by (3.9):
Eingesetzt in Gleichung (3.16) ergibt sich: Substituted in equation (3.16) we get:
Nun wird ein SRS Motor mit sechs Nuten und zwei Doppelpolen betrachtet. Der Rotor-Doppelpol verdeckt beim SRS-Prinzip jeweils zwei benachbarte Statorzähne des Stators. Now consider an SRS engine with six slots and two double poles. The rotor double pole conceals two adjacent stator teeth of the stator in the SRS principle.
Da beim SRS-Motor gleichzeitig zwei magnetische Kreise geschlossen werden, unterscheiden sich Gleichung (4.1) und Gleichung (3.1) um den Faktor 2. Since two magnetic circuits are closed simultaneously in the SRS motor, equation (4.1) and equation (3.1) differ by a factor of two.
Bei gleicher Nutenzahl gilt: With the same number of slots, the following applies:
Um Lunaligned zu bestimmen, werden die zu den Phasenwicklungen der benachbarten Statorzähne (Wicklung A und Wicklung C) gehörenden magnetischen Kreise separat betrachtet. Es entstehen Teilsystem 1 (Wicklung A) und Teilsystem 2 (Wicklung C). In order to determine L unaligned , the magnetic circuits belonging to the phase windings of the adjacent stator teeth (winding A and winding C) are considered separately. This results in subsystem 1 (winding A) and subsystem 2 (winding C).
Teilsystem 1 und Teilsystem 2 sind elektrisch in Reihe geschaltet und magnetisch parallel geschaltet. Aufgrund der elektrischen Reihenschaltung ergibt sich:
Gleichung (3.12) und Gleichung (3.9) eingesetzt in Gleichung (3.8) ergibt: Equation (3.12) and Equation (3.9) used in Equation (3.8) gives:
Gleichung (4.6) eingesetzt in Gleichung (4.1) ergibt: Equation (4.6) inserted in equation (4.1) yields:
Um wiederum mittels Gleichung (2.6) eine kompaktere Form erreichen zu können, ist zu kürzen und mit dem Faktor 4/4 zu erweitern: In order to be able to achieve a more compact form by means of equation (2.6), we have to shorten it and expand it by a factor of 4/4:
Aufgrund der etwa doppelt so großen Polfläche wird angenommen: Due to the approximately twice the pole surface, it is assumed:
Mittels der Gleichungen (4.3) und (4.9) kann Gleichung (4.8) in eine Form gebracht werden, welche den direkten Vergleich mit dem S/R Motor ermöglicht: By means of equations (4.3) and (4.9), equation (4.8) can be brought into a form which allows the direct comparison with the S / R motor:
Eine kompaktere Darstellung von Gleichung (4.8) lässt sich wiederum mit Hilfe von Gleichung (2.4) gewinnen: A more compact representation of Equation (4.8) can again be obtained by means of Equation (2.4):
Es wird von der idealisierten Annahme ausgegangen, dass die Polfläche das gesamte Winkelsegment abdeckt. Daher gilt: weiterhin gilt It is based on the idealized assumption that the pole face covers the entire angle segment. Therefore: continues to apply
Eingesetzt in Gleichung (4.11) folgt Substituted in equation (4.11) follows
Kürzen ergibt: Shortening yields:
Vergleicht man Gleichungen (3.11) und (4.14) so erkennt man, dass das Drehmoment des SRS bei gleicher Nutenzahl höher ist als das Drehmoment des S/R Motors, solange
Eine geeignete Wahl ist beispielsweise CmSRS = 0,9. Als Maximalwert ist CmSRS = 1 anzunehmen. Bei geeigneter Wahl von CmSRS = 0,9 wird ein um 21,5% höheres Drehmoment erzeugt als beim S/R Motor mit gleicher Nutenzahl. Beim Maximalwert CmSRS = 1 ergibt sich eine Steigerung um maximal 50%. A suitable choice is, for example, C mSRS = 0.9. The maximum value is C mSRS = 1. With a suitable choice of C mSRS = 0.9 a 21.5% higher torque is generated than with the S / R motor with the same number of slots. At the maximum value C = 1 MSRS to an increase of up to 50% yields.
Zur Berechnung der maximalen Drehzahl wird wieder von Gleichung (1.2) und (1.3) ausgegangen. Statt Gleichung (1.4) ergibt sich bei einem SRS Motor ein anderer Ausdruck. Dabei ist wiederum zu berücksichtigen, dass beim SRS Motor die Zahl der Nuten und nicht der Pole für die Ummagnetisierungsgeschwindigkeit maßgeblich ist. To calculate the maximum speed, the equation (1.2) and (1.3) are used again. Instead of equation (1.4), another expression results for an SRS engine. It must be remembered that the number of slots in the SRS motor and not the pole is decisive for the rate of magnet reversal.
Immer wenn eine Motorspule bestromt wird, bewegt sich der Rotor um NN –1 Umdrehungen weiter, d.h. doppelt so schnell wie beim S/R Motor. Wiederum Whenever a motor coil is energized, the rotor moves to N -1 N turns on, that is to say twice as fast as the S / R motor. In turn
geschieht dies innerhalb einer Zeit ∆t und umso schneller, je höher die Drehzahl des Motors ist: this happens within a time Δt and the faster, the higher the speed of the motor:
Nun werden in Sternschaltung jeweils zwei Phasenwicklungen verschiedener Phasen in Reihe vom Phasenstrom durchflossen. Deren elektromagnetische Gegenkraft ist daher zu summieren. Es werden wiederum die vorhergehend erläuterten Teilsystem 1 und Teilsystem 2 betrachtet. Die magnetische Flussdichte steigt im Teilsystem 1 von Bmax/2 auf Bmax, während sie in Teilsystem 2 von 0 auf Bmax steigt. Für einen SRS Motor mit sechs Nuten bzw. 6 Statorzähnen ergibt sich: cwSRS64 = 4, weil die elektromagnetische Gegenkraft in vier Zähnen induziert wird. Da in den zwei der vier Statorzähnen – und zwar denjenigen, die Teilsystem 1 zugeordnet sind – die magnetische Flussdichte nur halb so schnell zunimmt wie in den anderen beiden Statorzähnen, welche Teilsystem 2 zugeordnet sind, muss zusätzlich ein Korrekturfaktor von ¾ eingeführt werden. Statt Gleichung (3.13) folgt daher Now, in phase connection, two phase windings of different phases flow through the phase current in series. Their electromagnetic counterforce is therefore to sum. Again, the previously discussed
Für die Maximaldrehzahl des Motors ergibt sich statt (2.9): For the maximum speed of the motor, instead of (2.9):
Um einen direkten Vergleich zwischen der Maximaldrehzahl des S/R und des SRS Motors zu ermöglichen, wird von folgenden Annahmen ausgegangen:
- – aufgrund der Sternschaltung gilt: cwSRS = 2cwSR
- – für den magnetisch wirksamen Querschnitt gilt: ACoreSRS = 2CmACoreSR
- – der Luftspaltradius soll gleich bleiben (nach Optimierung ist der Luftspaltradius eines S/R Motors im Vergleich zu einem SRS-Motor größer, insbesondere bei kleiner Nutenzahl)
- - due to the star connection: c wSRS = 2c wSR
- - for the magnetically effective cross section: A CoreSRS = 2C m A CoreSR
- - The air gap radius should remain the same (after optimization, the air gap radius of an S / R engine is larger compared to an SRS engine, especially with a small number of slots)
Der Vergleich der Gleichungen (4.20) und (3.9) ergibt The comparison of equations (4.20) and (3.9) yields
Gleichung (4.20) kann weiter vereinfacht werden, indem mittels (3.9) und der Beziehung ACoreSRS = 2CmACoreSR der magnetisch wirksame Querschnitt ersetzt wird: Equation (4.20) can be further simplified by replacing the magnetically effective cross-section using (3.9) and the relationship A CoreSRS = 2C m A CoreSR :
Für die maximale Leistung ergibt sich mit Gleichungen (4.21) und (4.14) folgender Ausdruck For the maximum power, equations (4.21) and (4.14) give the following expression
Der direkte Vergleich mit Gleichung (3.15) unter Berücksichtigung von cwSRS = 2cwSR ergibt: The direct comparison with equation (3.15) taking into account c wSRS = 2c wSR yields:
Gleichung (4.23) macht deutlich, dass ein SRS Motor abhängig von Cm eine geringere maximale Leistung abgibt als ein S/R-Motor. Equation (4.23) shows that an SRS engine outputs less maximum power than an S / R engine, depending on C m .
Nimmt man an, dass die Erhöhung der Leistungsdichte durch Erhöhung der Drehzahl erfolgt, ist zu berücksichtigen, dass die maximale Leistung im Vergleich zum S/R Motor bei einer geringeren Drehzahl abgegeben wird. Eine geringere Drehzahl führt zu einer geringeren Ummagnetisierungsfrequenz, wobei der Proportionalitätsfaktor die Polzahl ist. Aufgrund der geringeren Polzahl ist die Ummagnetisierungsfrequenz beim SRS 6x/2x besonders niedrig. Assuming that the increase in power density occurs by increasing the speed, it should be noted that the maximum power is delivered at a lower speed compared to the S / R motor. A lower speed leads to a lower Ummagnetisierungsfrequenz, wherein the proportionality factor is the number of poles. Due to the smaller number of poles, the magnetic reversal frequency is particularly low with the SRS 6x / 2x.
Dies gibt einen großen Spielraum zur Verbesserung der Leistungsdichte, da die Ummagnetisierungsfrequenz überproportional in die Eisenverluste eingeht. Somit kann bei einem SRS mit 6 Statorzähnen und 4 Rotorzähnen (SRS 6/4) eine höhere Leistungsdichte erreicht werden als beim S/R Motor. This gives a large margin for improving the power density, since the Ummagnetisierungsfrequenz enters disproportionately in the iron losses. Thus, with an SRS with 6 stator teeth and 4 rotor teeth (SRS 6/4), a higher power density can be achieved than with the S / R motor.
Eine Erhöhung der Leistungsdichte kann durch zwei Maßnahmen erfolgen, die gleichzeitig durchzuführen sind: Verwendung eines Umrichters mit mit größerer Stromtragfähigkeit, Verringerung der Zahl der Windungen pro Zahn (NZ). An increase in power density can be achieved by two measures that must be carried out simultaneously: using a converter with greater ampacity, reducing the number of turns per tooth (N Z ).
Im Gegensatz zum S/R-Motor ist die minimale Induktivität des SRS jeweils halb so groß wie dessen maximale Phaseninduktivität. Im Vergleich zum S/R Motor sind keine EMV Probleme zu erwarten. In contrast to the S / R motor, the minimum inductance of the SRS is half of its maximum phase inductance. Compared to the S / R engine no EMC problems are to be expected.
Bezüglich der Ummagnetisierungsverluste ergibt sich wiederum basierend auf Gleichung (3.16), dass im Vergleich zum S/R Motor ein SRS mit 6 Statorzähnen und 2 Rotorzähnen (SRS 6/2) aufgrund der geringeren Polzahl mit halb so hoher Ummagnetisierungsfrequenz arbeitet. Jedoch ist die Polfläche doppelt so groß. Somit ist die Masse des von Ummagnetisierung betroffenen Kernmaterials doppelt so groß:
Der magnetisch wirksame Querschnitt, der auch als Eisenquerschnitt bezeichnet werden kann, kann mittels Gleichung (3.9) und ACoreSRS = 2CmACoreSR ausgedrückt werden: The magnetically effective cross section, which can also be referred to as iron cross section, can be expressed by equation (3.9) and A CoreSRS = 2C m A CoreSR :
Eingesetzt in Gleichung (3.16) ergibt sich Substituted in equation (3.16)
Nachfolgend wird eine vorgeschlagene elektrische Maschine mit 6 Statorzähnen und 4 Rotorzähnen (SRS 6/4) betrachtet. Bei dieser Bauform kann wie beim S/R Motor Cm = 1 gewählt werden, was zu einer um 50% höheren Drehmomentdichte und gleichen Leistungsdichte führt. Wie beim S/R-Motor ist jedoch auch die Ummagnetisierungsfrequenz doppelt so hoch. In the following a proposed electric machine with 6 stator teeth and 4 rotor teeth (SRS 6/4) is considered. With this design, as with the S / R motor, C m = 1 can be selected, resulting in a 50% higher torque density and the same power density. However, as with the S / R motor, the reversal frequency is twice as high.
Wiederum kann von Gleichung (4.8) ausgegangen werden: Again, it can be assumed from equation (4.8):
Beim SRS 6/4 ändern sich gegenüber dem SRS 6/2 der magnetische Widerstand und der Drehwinkel pro Arbeitsschritt: aufgrund der geringeren Polfläche verdoppelt sich der magnetische Widerstand, aufgrund der halb so großen Schrittweite halbiert sich ∆φSRS. With the SRS 6/4, the magnetic resistance and the angle of rotation per work step change compared to the SRS 6/2: due to the smaller pole area, the magnetic resistance is doubled, due to half the step size, Δφ SRS is halved.
Beide Effekte kompensieren sich, sodass für das maximale Drehmoment weiterhin Gleichung (4.14) gilt. Mit Cm = 1 ist das maximale Drehmoment eines SRS 6/4 genau 50% höher als das maximale Drehmoment eines S/R 6/4 Motors. Both effects compensate each other so that the maximum torque continues to be Equation (4.14). With C m = 1, the maximum torque of an SRS 6/4 is exactly 50% higher than the maximum torque of an S / R 6/4 engine.
Da beim SRS gleichzeitig zwei magnetische Kreise geschlossen werden, deren induzierte Spannung sich in Reihenschaltung addiert (cwSRS = 2cwSR), kann zur Berechnung der gegen EMK Gleichung (3.13) analog Gleichung (4.19) verwendet werden: Since the SRS simultaneously closes two magnetic circuits whose induced voltage is added in series (c wSRS = 2c wSR ), the following equation (4.19) can be used for the calculation of the EMF equation (3.13):
Unter Berücksichtigung von Gleichung (3.9) ergibt sich statt Gleichung (4.21): Taking equation (3.9) into account, equation (4.21) yields:
Für die maximale Leistung folgt aus Gleichungen (4.14) und (5.1): For the maximum power follows from equations (4.14) and (5.1):
Die maximale Leistung ist also bei ansonsten gleichen Parametern beim SRS 6x/4x genau so groß wie beim S/R Motor. The maximum power is therefore the same for the SRS 6x / 4x with the same parameters as for the S / R motor.
Nimmt man an, dass die Erhöhung der Leistungsdichte durch Erhöhung der Drehzahl erfolgt, ist zu berücksichtigen, dass die maximale Leistung im Vergleich zum S/R Motor bei einer um 1/3 geringeren Drehzahl abgegeben wird. Eine geringere Drehzahl und damit geringere Ummagnetisierungsfrequenz geben mehr Spielraum zur Verbesserung der Leistungsdichte, da die Ummagnetisierungsfrequenz überproportional in die Eisenverluste eingeht. Somit kann bei einem SRS 6/4 eine höhere Leistungsdichte erreicht werden als beim S/R Motor, aber eine geringere als beim SRS 6/2. Assuming that the increase in power density is achieved by increasing the speed, it should be noted that the maximum power compared to the S / R motor is delivered at a 1/3 lower speed. A lower speed and thus lower Ummagnetisierungsfrequenz give more scope to improve the power density, since the Ummagnetisierungsfrequenz enters disproportionately in the iron losses. Thus, with a SRS 6/4, a higher power density can be achieved than with the S / R motor, but less than with the SRS 6/2.
Für die Ummagnetisierungsverluste wird wieder von Gleichung (3.16) ausgegangen. Eine Auszählung der Ummagnetisierungsvorgänge zeigt, dass die Ummagnetisierungsfrequenz genauso hoch ist, wie beim S/R Motor, sodass die entsprechenden Eisenverluste näherungsweise gleich groß sind: For the Ummagnetisierungsverluste is again assumed by equation (3.16). A count of the re-magnetization processes shows that the re-magnetization frequency is just as high as in the S / R engine, so that the corresponding iron losses are approximately equal:
Folgend werden Motorauslegungen in verschiedenen Technologien PMSM, S/R und SRS miteinander verglichen. In the following, motor designs in different technologies PMSM, S / R and SRS are compared.
Ausgangssituation kann eine Antriebslösung für ein Elektrofahrzeug auf Basis eines PMSM mit folgenden Parametern bilden:
- – Maximales Drehmoment: 40 Nm
- – Maximale Leistung: 7,5kW
- – Maximale Drehzahl: 1700/Min
- – Der Bauraum ist wie folgt festgelegt: Außendurchmesser Stator: 180mm; Länge Stator: 75mm
- – Die Motoren werden an einer Zwischenkreisspannung von 48V betrieben.
- – Der Umrichter liefert einen maximalen Phasenstrom von 240A.
- - Maximum torque: 40 Nm
- - Maximum power: 7,5kW
- - Maximum speed: 1700 / min
- - The installation space is defined as follows: Outer diameter Stator: 180mm; Length of stator: 75mm
- - The motors are operated at a DC link voltage of 48V.
- - The inverter supplies a maximum phase current of 240A.
Die Auslegung der Motoren erfordert eine geeignete Wahl des Luftspaltradius. Dieser ist so zu wählen, dass in den Nuten genügend Platz für die Phasenwicklungen bleibt. Der Luftspaltradius wurde Näherungsweise mittels eines Berechnungstableaus bestimmt, welches hier nicht aufgeführt wird. Zusätzlich wurde ein Puffer einbezogen, um die fertigungstechnische Realisierbarkeit sicherzustellen. Ergebnis der Bestimmung von rls wird in der Tabelle aufgeführt, was die Auslegung rechnerisch nachvollziehbar macht. Der Maximalstrom jeder Auslegung wird jeweils angepasst, sodass die Sättigungsflussdichte Bmax = 1,2T erreicht wird. Eine Referenzauslegung eines PMSM mit 18 Nuten bzw. 18 Statorzähnen und 16 Polen bzw. 16 Rotorzähnen liegt vor. The design of the motors requires a suitable choice of the air gap radius. This should be chosen so that there is enough space in the slots for the phase windings. The air gap radius was approximately determined by means of a calculation table, which is not listed here. In addition, a buffer was included to ensure manufacturing feasibility. The result of the determination of r ls is listed in the table, which makes the design computationally comprehensible. The maximum current of each design is adjusted in each case so that the saturation flux density B max = 1.2T is reached. A reference design of a PMSM with 18 slots or 18 stator teeth and 16 poles or 16 rotor teeth is available.
In Tabelle 1 sind verschiedene Motortypen dargestellt. Dabei bezeichnet die erste Zahl bei der Motortypbezeichnung die Anzahl der Statorzähne (Anzahl der Nuten) und die zweite Zahl die Anzahl der Rotorzähne (Anzahl der Pole). Tabelle 1: Drehmoment und Leistung verschiedener Motorauslegungen
Aus Tabelle 1 ergibt sich, dass mittels des SRS Prinzips der Abstand zwischen PMSM und geschaltetem Reluktanzmotor hinsichtlich der Drehmomentdichte verringert wird. Ein S/R Motor mit 18 Nuten erreicht 32% des Drehmoments eines PMSM, ein SRS 18/12 erreicht 48% des Drehmoments eines vergleichbaren PMSM. Die Maximaldrehzahlen liegen jeweils höher als beim vergleichbaren PMSM. Bei vergleichbarer Maximaldrehzahl wird mittels eines geschalteten Reluktanzmotors (S/R oder SRS) ein maximales Drehmoment von 75% im Vergleich zum PMSM erreicht. Beim SRS 6x/2x ist das maximale Drehmoment geringer, da gilt: Cm < 1. Folgende Nutenzahlen müssen jeweils realisiert werden:
- – S/R Motor: 42 Nuten
- – SRS 6/2: 30 Nuten
- – SRS 6/4: 27 Nuten
- - S / R engine: 42 slots
- - SRS 6/2: 30 slots
- - SRS 6/4: 27 slots
Ein SRS 36/24 erreicht dieselbe volumetrische Drehmomentdichte wie der Referenzmotor mit 18 Nuten in PMSM-Technologie. Die zu erwartende gravimetrische Drehmomentdichte ist geringer als bei einem PMSM, da doppelt so viele Kupferwicklungen vorgesehen werden müssen. An SRS 36/24 achieves the same volumetric torque density as the 18-slot reference motor in PMSM technology. The expected gravimetric torque density is lower than with a PMSM, since twice as many copper windings must be provided.
Um den Referenzmotor zu ersetzen, muss die Leistungsdichte der Antriebslösung erhöht werden. Dies ist durch Verwendung eines Umrichters mit erhöhter Stromtragfähigkeit möglich (siehe Tabelle 2). To replace the reference motor, increase the power density of the drive solution. This is possible by using an inverter with increased current carrying capacity (see Table 2).
Tabelle 2 Eine Modifizierung des Wicklungsschemas am SRS 36/20 und Erhöhung der Stromtragfähigkeit führen zu gleichem Leistungs- und Drehmomentniveau wie bei PMSM 18/16
Für den gegebenen Motor in PMSM-Technologie soll die Leistungsdichte erhöht werden. Aufgrund von Bauraum und Kühlung können hierbei folgende Randbedingungen gelten: der Statordurchmesser soll gleich bleiben, allein die Länge des Stators soll verändert werden.
- – Um das Zieldrehmoment zu erreichen soll ein Untersetzungsgetriebe Verwendung finden.
- – Die maximale Drehzahl des Motors soll 15000/Min nicht überschreiten, um die zusätzlichen Aufwände für Lagerung und Lüftung gering zu halten.
- – Aufgrund des passiven Kühlungskonzeptes sollen die
Eisenverluste im Motor 4% der Maximalleistung des Motors nicht überschreiten. - – Damit alle betrachteten Varianten dasselbe Leistungsniveau erreichen, wird für alle S/R und SRS ein Umrichter mit erhöhter Stromtragfähigkeit verwendet. Die Zahl der Wicklungen beträgt damit bei PMSM, SRS und S/R NZ = 3.
- - To achieve the target torque to find a reduction gear use.
- - The maximum speed of the motor should not exceed 15000 / min in order to keep the additional costs for storage and ventilation low.
- - Due to the passive cooling concept, the iron losses in the motor should not exceed 4% of the maximum power of the motor.
- - For all S / R and SRS, a converter with increased current carrying capacity is used to ensure that all variants considered achieve the same level of performance. The number of windings is thus at PMSM, SRS and S / RN Z = 3.
Tabelle 3 führt Referenzauslegungen der Motoren in PMSM, S/R und SRS Technologie sowie die möglichen Steigerungen der Leistungsdichte auf. Als Schätzmaß für die Steigerung der Leistungsdichte wird die Statorlänge herangezogen. So wird beispielsweise eine mögliche Verkürzung des Stators um den Faktor zwei als mögliche Verdopplung der gravimetrischen und volumetrischen Leistungsdichte des Motors bewertet. Tabelle 3: Erhöhung der gravimetrischen und volumetrischen Leistungsdichte Table 3 lists motor design recommendations in PMSM, S / R, and SRS technology, as well as possible increases in power density. As an estimate of the increase in power density, the stator length is used. Thus, for example, a possible shortening of the stator by a factor of two is evaluated as a possible doubling of the gravimetric and volumetric power density of the engine. Table 3: Increase in gravimetric and volumetric power density
In Tabelle 3 ist ersichtlich, dass unter den gegebenen Randbedingungen die Möglichkeiten zur Erhöhung der Leistungsdichte bei einem PMSM-Motor bei > 800% liegen, bei einem S/R Motor bei lediglich 20%. Ein SRS 6/2 Motor (SRS 36/12) erreicht mögliche Steigerungen von 600% und stellt daher einen aussichtsreichen Ansatz zur Erhöhung der Leistungsdichte von geschalteten Reluktanzmotoren dar. In Table 3 it can be seen that under the given boundary conditions the possibilities for increasing the power density for a PMSM engine are> 800%, for an S / R engine only 20%. An SRS 6/2 engine (SRS 36/12) achieves potential increases of 600% and is therefore a promising approach for increasing the power density of switched reluctance motors.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments. The figures show:
Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen. Hereinafter, like reference numerals designate elements having the same or similar technical features.
Die erste Phasenwicklung PW1 und die vierte Phasenwicklung PW4 sind einer ersten Phase P1 zugeordnet. Die zweite Phasenwicklung PW2 und die fünfte Phasenwicklung PW5 sind einer zweiten Phasen P2 zugeordnet. Die dritte Phasenwicklung PW3 und die sechste Phasenwicklung PW6 sind einer dritten Phase P3 zugeordnet. The first phase winding PW1 and the fourth phase winding PW4 are assigned to a first phase P1. The second phase winding PW2 and the fifth phase winding PW5 are associated with a second phase P2. The third phase winding PW3 and the sixth phase winding PW6 are assigned to a third phase P3.
Die Phasen P1, P2, P3 und die ihnen zugeordneten Phasenwicklungen PW1, ..., PW6 sind in einem Sternpunkt S elektrisch verbunden. The phases P1, P2, P3 and their associated phase windings PW1, ..., PW6 are electrically connected in a neutral point S.
In
Der Rotor
In
Weiter sind in
Die bestromten Phasen P1, P3 bilden zwei Teilsysteme. Diese sind elektrisch in Reihe und magnetisch parallel geschaltet. Das erste magnetische Teilsystem umfasst magnetische Kreise, die sich über den ersten Statorzahn SZ1 und den sechsten Statorzahn SZ6 schließen, sowie magnetische Kreise, die sich über den ersten Statorzahn SZ1 und den zweiten Statorzahn SZ2 schließen. Welchen dieser magnetischen Kreise das erste Teilsystem umfasst, hängt von der Winkelposition des Rotors
Das zweite magnetische Teilsystem umfasst magnetische Kreise, die sich über den sechsten Statorzahn SZ6 und den ersten Statorzahn SZ1 schließen, sowie magnetische Kreise, die sich über den sechsten Statorzahn SZ6 und den fünften Statorzahn SZ5 schließen. The second magnetic subsystem includes magnetic circuits that close over the sixth stator tooth SZ6 and the first stator tooth SZ1, and magnetic circuits that close over the sixth stator tooth SZ6 and the fifth stator tooth SZ5.
In diesem zweiten Bestromungszustand wird die zweite Phase P2 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW2, PW5 bestromt. Weiter wird die dritte Phase P3 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW3, PW6 bestromt. Der Stromfluss und seine Richtung ist durch Pfeile I angedeutet. Die erste Phase P1 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW1, PW4 sind nicht bestromt. In this second Bestromungszustand the second phase P2 and thus its associated phase windings PW2, PW5 is energized. Next, the third phase P3 and thus its associated phase windings PW3, PW6 is energized. The current flow and its direction is indicated by arrows I. The first phase P1 and thus its associated phase windings PW1, PW4 are not energized.
Der Rotor
In
In diesem dritten Bestromungszustand wird die zweite Phase P2 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW2, PW5 bestromt. Weiter wird die erste Phase P1 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW1, PW4 bestromt. Der Stromfluss und seine Richtung ist durch Pfeile I angedeutet. Die dritte Phase P3 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW3, PW6 sind nicht bestromt. In this third Bestromungszustand the second phase P2 and thus its associated phase windings PW2, PW5 is energized. Furthermore, the first phase P1 and thus the phase windings PW1, PW4 assigned to it are energized. The current flow and its direction is indicated by arrows I. The third phase P3 and thus its associated phase windings PW3, PW6 are not energized.
Der Rotor
In
In diesem vierten Bestromungszustand wird die dritte Phase P3 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW3, PW6 bestromt. Weiter wird die erste Phase P1 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW1, PW4 bestromt. Der Stromfluss und seine Richtung ist durch Pfeile I angedeutet. Die zweiten Phase P2 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW2, PW5 sind nicht bestromt. In this fourth Bestromungszustand the third phase P3 and thus its associated phase windings PW3, PW6 is energized. Furthermore, the first phase P1 and thus the phase windings PW1, PW4 assigned to it are energized. The current flow and its direction is indicated by arrows I. The second phase P2 and thus its associated phase windings PW2, PW5 are not energized.
Der Rotor
In
In diesem fünften Bestromungszustand wird die dritte Phase P3 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW3, PW6 bestromt. Weiter wird die zweite Phase P2 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW2, PW5 bestromt. Der Stromfluss und seine Richtung ist durch Pfeile I angedeutet. Die erste Phase P1 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW1, PW4 sind nicht bestromt. In this fifth Bestromungszustand the third phase P3 and thus its associated phase windings PW3, PW6 is energized. Furthermore, the second phase P2 and thus the phase windings PW2, PW5 assigned to it are energized. The current flow and its direction is indicated by arrows I. The first phase P1 and thus its associated phase windings PW1, PW4 are not energized.
Der Rotor
In
In diesem sechsten Bestromungszustand wird die erste Phase P1 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW1, PW4 bestromt. Weiter wird die zweite Phase P2 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW2, PW5 bestromt. Der Stromfluss und seine Richtung ist durch Pfeile I angedeutet. Die dritte Phase P3 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW3, PW6 sind nicht bestromt. In this sixth Bestromungszustand the first phase P1 and thus its associated phase windings PW1, PW4 is energized. Furthermore, the second phase P2 and thus the phase windings PW2, PW5 assigned to it are energized. The current flow and its direction is indicated by arrows I. The third phase P3 and thus its associated phase windings PW3, PW6 are not energized.
Der Rotor
In
Zeitlich nach dem sechsten Bestromungszustand kann die elektrische Maschine
Beim Übergang von einer Winkelposition zur nächsten Winkelposition kann der Rotor
Der Rotor
Die erste Phasenwicklung PW1 und die vierte Phasenwicklung PW4 sind einer ersten Phase P1 zugeordnet. Die zweite Phasenwicklung PW2 und die vierte fünfte Phasenwicklung PW5 sind einer zweiten Phasen P2 zugeordnet. Die dritte Phasenwicklung PW3 und die sechste Phasenwicklung PW6 sind einer dritten Phase P3 zugeordnet. The first phase winding PW1 and the fourth phase winding PW4 are assigned to a first phase P1. The second phase winding PW2 and the fourth fifth phase winding PW5 are a second phase P2 assigned. The third phase winding PW3 and the sixth phase winding PW6 are assigned to a third phase P3.
Die Phasen P1, P2, P3 und die ihnen zugeordneten Phasenwicklungen PW1, ..., PW6 sind in einem Sternpunkt S elektrisch verbunden. The phases P1, P2, P3 and their associated phase windings PW1, ..., PW6 are electrically connected in a neutral point S.
In
Der Rotor
In
Weiter sind in
In diesem zweiten Bestromungszustand wird die zweite Phase P2 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW2, PW5 bestromt. Weiter wird die dritte Phase P3 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW3, PW6 bestromt. Der Stromfluss und seine Richtung ist durch Pfeile I angedeutet. Die erste Phase P1 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW1, PW4 sind nicht bestromt. In this second Bestromungszustand the second phase P2 and thus its associated phase windings PW2, PW5 is energized. Next, the third phase P3 and thus its associated phase windings PW3, PW6 is energized. The current flow and its direction is indicated by arrows I. The first phase P1 and thus its associated phase windings PW1, PW4 are not energized.
Der Rotor
In
In diesem dritten Bestromungszustand wird die zweite Phase P2 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW2, PW5 bestromt. Weiter wird die erste Phase P1 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW1, PW4 bestromt. Der Stromfluss und seine Richtung ist durch Pfeile I angedeutet. Die dritte Phase P3 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW3, PW6 sind nicht bestromt. In this third Bestromungszustand the second phase P2 and thus its associated phase windings PW2, PW5 is energized. Furthermore, the first phase P1 and thus the phase windings PW1, PW4 assigned to it are energized. The current flow and its direction is indicated by arrows I. The third phase P3 and thus its associated phase windings PW3, PW6 are not energized.
Der Rotor
In
Zeitlich nach dem dritten Bestromungszustand kann die elektrische Maschine
Beim Übergang von einer Winkelposition zur nächsten Winkelposition kann der Rotor
Die vorgeschlagene elektrische Maschine
Jeder der Statorzähne SZ1, ..., SZ6 weist einen Polschuh auf bzw. bildet einen solchen aus. Insbesondere weist jeder Statorzahn SZ1, ..., SZ6 einen Polkernabschnitt
Weiter dargestellt sind äußeren Mantelflächen
Weiter dargestellt ist ein Punkt P der äußeren Mantelfläche
In dem in
Weiter dargestellt sind äußeren Mantelflächen
Weiter dargestellt ist ein Punkt P der äußeren Mantelfläche
Die Tangente T entspricht in dem in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- JP 2003-180059 A [0008] JP 2003-180059 A [0008]
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: PATENTANWAELTE BRESSEL UND PARTNER MBB, DE |
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R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R016 | Response to examination communication |