DE102017204382A1 - Elektronisch kommutierte elektrische Maschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Statoranordnung (2) für eine elektrische Maschine, umfassend:- ein zylindrisches Statorjoch (21) mit davon abstehenden Hauptstatorzähnen (22a) und Abstandsstatorzähnen (22b), wobei mehrere Statorzahngruppen (G) aus mehreren benachbarten Hauptstatorzähnen (22a) jeweils durch einen Abstandsstatorzahn (22b) voneinander getrennt sind;- mehrere separate Wicklungseinheiten (28) mit jeweils einer Anzahl von Phasensträngen, die jeweils eine oder mehrere Phasenspulen (26) aufweisen, wobei die Wicklungseinheiten (28) jeweils einer der Statorzahngruppen (G) zugeordnet und an dieser angeordnet sind.

Description

• Technisches Gebiet
• Die Erfindung betrifft elektronisch kommutierte elektrische Maschinen, insbesondere elektrische Maschinen mit Maßnahmen für eine erhöhte Fehlertoleranz.
• Technischer Hintergrund
• Elektronisch kommutierte elektrische Maschinen, insbesondere permanentmagneterregte elektrische Maschinen, können für eine erhöhte Robustheit gegen elektrische Fehler mit mehreren separaten Wicklungseinheiten ausgebildet sein. Die Wicklungseinheiten umfassen jeweils separate Phasenstränge mit jeweils einer oder mehreren Phasenspulen. Die separaten Wicklungseinheiten werden jeweils durch getrennte Leistungsmodule angesteuert, um eine hohe elektrische Isolation bereitzustellen und dadurch ein hohes Maß an Robustheit gegen Fehler zu erhalten. Dies gilt insbesondere für elektrische Maschinen, bei denen die Phasenstränge der einzelnen Wicklungseinheiten nicht verteilt, sondern segmentweise an einem Stator der elektrischen Maschine angeordnet sind.
• Durch die Anordnung an dem Stator sind die separaten mehrphasigen Wicklungseinheiten zwar elektrisch, nicht jedoch magnetisch und thermisch voneinander isoliert, wodurch sich die Fehlertoleranz der elektrischen Maschine auf Kurzschlussfehler innerhalb einer der Wicklungseinheiten beschränkt. Darüber hinaus kann ein unkontrollierbarer Kurzschlussstrom in einer der fehlerhaften Wicklungseinheiten einen magnetischen Fluss erzeugen, der sich in eine der benachbarten fehlerfreien Wicklungseinheiten einkoppelt und die Steuerung bzw. Regelung der Phasenströme in der fehlerfreien Wicklungseinheit erschwert. Dies kann potenziell den Betrieb der elektrischen Maschine gefährden.
• Weiterhin kann ein Kurzschlussstrom hohe ohmsche Verluste in der fehlerhaften Wicklungseinheit hervorrufen, wodurch die thermische Integrität der benachbarten fehlerfreien Wicklungseinheiten aufgrund fehlender thermischer Isolierungen zwischen den Wicklungseinheiten beeinträchtigt werden kann.
• Aus dem Stand der Technik ist eine dreiphasige elektrische Maschine bekannt, die vier Wicklungseinheiten aufweisen, die jeweils einem Viertelsegment der Statoranordnung zugeordnet sind. Die elektrische Maschine weist zwölf Nuten und acht Rotorpole auf, so dass die jeweiligen Wicklungseinheiten jeweils mit drei Statorzähnen ausgebildet sind, so dass jede der Statorspulen einer Phase zugeordnet ist. Die vier einzelnen Wicklungseinheiten werden durch vier separate dreiphasige Leistungsmodule in Form von Dreiphasenwandlern mit elektrischer Energie versorgt, um die für die Fehlertoleranz notwendige elektrische Isolierung zwischen den Wicklungseinheiten zur Verfügung zu stellen. Jedoch sind bei dieser Maschinentopologie die vier Wicklungseinheiten nicht magnetisch und thermisch voneinander isoliert, und Phasenstränge benachbarter Wicklungseinheiten liegen in einer gemeinsamen Statornut, so dass ein Kurzschluss zwischen den Phasensträngen zweier Wicklungseinheiten zum Ausfall von zwei der Wicklungseinheiten führen kann.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine fehlertolerante, elektronisch kommutierte elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, bei der die Robustheit gegenüber Fehlern in einer der Wicklungseinheiten verbessert ist.
• Offenbarung der Erfindung
• Diese Aufgabe wird durch die Statoranordnung für eine elektrische Maschine nach Anspruch 1 sowie durch die elektrische Maschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
• Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Statoranordnung für eine elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
• - ein zylindrisches Statorjoch mit davon abstehenden Hauptstatorzähnen und Abstandsstatorzähnen, wobei mehrere Statorzahngruppen aus mehreren zueinander benachbarten Hauptstatorzähnen jeweils durch einen Abstandsstatorzahn voneinander getrennt sind;
• - mehrere separate Wicklungseinheiten mit jeweils einer Anzahl von Phasensträngen, die jeweils eine oder mehrere Phasenspulen aufweisen, wobei die Wicklungseinheiten jeweils einer der Statorzahngruppen der Statoranordnung zugeordnet und an dieser angeordnet sind.
• Eine Idee der obigen Statoranordnung besteht darin, mehrere separate Wicklungseinheiten mit jeweils einer Anzahl von Phasensträngen, die jeweils eine oder mehrere Phasenspulen aufweisen, jeweils segmentweise an Statorzahngruppen der Statoranordnung anzuordnen, so dass die separaten Wicklungseinheiten zueinander benachbart an der Statoranordnung vorgesehen sind. Die Wicklungseinheiten überlappen sich nicht, so dass Phasenspulen verschiedener Wicklungseinheiten nicht in einer gemeinsamen Statornut angeordnet sind. Daher ist bei einem elektrischen Kurzschluss in einer der Wicklungseinheiten die elektrische Integrität der anderen Wicklungseinheiten nicht beeinträchtigt. Zwischen den den einzelnen Wicklungseinheiten zugeordneten Statorzahngruppen ist ein Abstandsstatorzahn vorgesehen, der eine von den Statorzähnen der Statorzahngruppen abweichende Geometrie aufweist. Auf diese Weise kann eine verbesserte thermische und magnetische Entkopplung erreicht werden.
• Weiterhin kann die Breite der Zahnschäfte der Abstandsstatorzähne gleich oder größer sein als die Breite der Hauptstatorzähne. Insbesondere können die Abstandsstatorzähne und die Hauptstatorzähne jeweils Zahnköpfe aufweisen, die bezüglich des Zahnschaftes in Umfangsrichtung verbreitert sind.
• Es kann vorgesehen sein, dass bei einer elektrischen Maschine mit einer Polpaarzahl O und einer Anzahl N von separaten Wicklungseinheiten ein Abstandsstatorzahnwinkel α_ST, d.h. der Winkelbereich der durch einen der Abstandsstatorzähne überdeckt wird, 360° (1/N - 1/O) beträgt.
• Weiterhin kann bei einer elektrischen Maschine mit einer Polpaarzahl O, einer Phasenzahl P und einer Anzahl N von separaten Wicklungseinheiten ein Hauptstatorzahnwinkel α_MT, d.h. der Winkelbereich der durch einen der Hauptstatorzähne überdeckt wird, 360° / (O P) betragen.
• Es kann vorgesehen sein, dass bei einer elektrischen Maschine mit einer Polpaarzahl von 5, vier separaten Wicklungseinheiten und einer Phasenzahl von 3 ein Abstandsstatorzahnwinkel α_ST, d.h. der Winkelbereich der durch einen der Abstandsstatorzähne überdeckt wird, 1/2 α_P entspricht, wobei α_P einem Polwinkel eines Läuferpols entspricht.
• Gemäß einer Ausführungsform kann bei einer elektrischen Maschine mit einer Polpaarzahl von 5, vier separaten Wicklungseinheiten und einer Phasenzahl von 3 ein Hauptstatorzahnwinkel α_MT, d.h. der Winkelbereich der durch einen der Hauptstatorzähne überdeckt wird, 2/3 α_P entsprechen, wobei α_P einem Polwinkel eines Läuferpols entspricht.
• Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine mit der obigen Statoranordnung und einem Läufer mit Läuferpolen vorgesehen.
• Weiterhin kann die Polpaarzahl des Läufers fünf entsprechen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit der obigen elektrischen Maschine und mit Leistungsmodulen vorgesehen, die jeweils zur Ansteuerung einer oder mehrerer der Wicklungseinheiten ausgebildet sind.
• Weiterhin können die Leistungsmodule ausgebildet oder ansteuerbar sein, um die Wicklungseinheiten mit einem Phasenversatz der Phasenströme anzusteuern.
• Figurenliste
• Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine Querschnittsdarstellung durch eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine;
• 2 einen Ausschnitt durch die elektrische Maschine der 1 zur Veranschaulichung der Dimensionierung der Statorzähne der Statoranordnung der elektrischen Maschine;
• 3 eine schematische Darstellung einer Ansteuerung der elektrischen Maschine mit separaten Leistungsmodulen;
• 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Verläufe der Phasenströme einer der Wicklungseinheiten; und
• 5 eine Darstellung des Momentenverlaufs über dem Drehwinkel.
• Beschreibung von Ausführungsformen
• In 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine beispielhafte permanentmagneterregte elektrische Maschine 1 dargestellt. Die elektrische Maschine weist eine Statoranordnung 2 und einen Läufer 3 auf. Die Statoranordnung 2 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist eine ebenfalls zylindrische Innenausnehmung 4 auf, in der der Läufer 3 drehbeweglich angeordnet ist.
• Die Statoranordnung 2 weist ein zylindrisches Statorjoch 21 auf, von dem gleichmäßig beabstandete Statorzähne 22 nach innen abstehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind 16 Statorzähne 22 vorgesehen. Die Statorzähne 22 umfassen Hauptstatorzähne 22a und Abstandsstatorzähne 22b. Jeder der Statorzähne 22a, 22b ist mit einem von dem Statorjoch 21 abstehenden Zahnschaft 23 vorgesehen, an dessen nach innen abstehenden Ende ein Zahnkopf 24 angeordnet ist. Die Zahnköpfe 24 stellen über die Breite der Zahnschäfte 23 überstehende Zahnkopfabschnitte dar, die den Statorzahn 22 an dessen Ende verbreitern, und bilden die zylindrische Kontur der Innenausnehmung 4.
• Der Läufer 3 ist mit einem Läuferkörper 31 und mit die Läuferpole 32 ausbildenden Permanentmagneten 33 vorgesehen. Die Permanentmagnete 33 sind als aufgesetzte Oberflächenmagnete vorgesehen, die an ihren den Statorzähnen zugewandten Flächen eine Konturierung, beispielsweise eine Richterkontur oder dergleichen aufweisen. In alternativen Ausführungsformen kann der Läufer 3 auch mit vergrabenen Permanentmagneten ausgebildet sein.
• Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist die elektrische Maschine 1 sechzehn Statorzähne 22 und zehn Läuferpole 32 auf. Die sechzehn Statorzähne 22 umfassen vier Statorzahngruppen von benachbarten Hauptstatorzähnen 22a, die jeweils durch einen der Abstandsstatorzähne 22b voneinander getrennt sind.
• Die Hauptstatorzähne 22a einer Statorzahngruppe G sind jeweils mit einer Statorspule 26 umwickelt, die einer Phase bzw. einem Phasenstrang zugeordnet sind. Die Statorspulen 26 einer der Statorzahngruppen G bilden eine Wicklungseinheit 28. Die Statorspulen 26 einer Statorzahngruppe G sind jeweils unterschiedlichen Phasen zugeordnet, so dass in den gezeigten Ausführungsbeispielen an den Statorzähnen 22a einer Statorzahngruppe G Statorspulen 26 für drei Phasen angeordnet sind. Der Abstandsstatorzahn 22b zwischen zwei benachbarten Statorzahngruppen G ermöglicht es, dass die einander unmittelbar benachbarten Statorspulen 26 von zwei benachbarten Statorzahngruppen G nicht in derselben Statornut 25 liegen, so dass Kurzschlüsse zwischen den Statorspulen von verschiedenen Wicklungseinheiten nicht auftreten können.
• In 2 ist in einer Detailansicht der elektrischen Maschine 1 die Dimensionierung des Abstandsstatorzahns 22b, der Hauptstatorzähne 22a und der Läuferpole 32 veranschaulicht. Die Hauptstatorzahnbreite w_MT, d.h. die Breite der Hauptstatorzähne 22a in Umfangsrichtung, ist dabei gleich oder kleiner als die Abstandsstatorzahnbreite w_ST, d.h. die Breite der Abstandsstatorzähne 22b in Umfangsrichtung (dies ist in 1 - 3 nicht maßstabgetreu eingezeichnet): $${\text{W}}_{\text{MT}}<={\text{W}}_{\text{ST}}$$

  
• Dies ermöglicht es, beim Betrieb der elektrischen Maschine eine magnetische Sättigung in dem Abstandsstatorzahn 22b zu vermeiden.
• Die Statorzähne 22 sind mit ihrer Mittenachse nicht gleichmäßig voneinander beabstandet und bilden zwischen ihnen Statornuten 25 aus.
• Insbesondere sind Hauptzahnabstände α_H zwischen den Mittenachsen der Hauptstatorzähne 22a größer als die Abstandszahnabstände α_A zwischen der Mittenachse eines Hauptstatorzahns und der Mittenachse eines benachbarten Abstandsstatorzahns 22b. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel betragen die Hauptzahnabstände α_H (Winkelabstand) 24° und Abstandszahnabstände α_A 21°. Allgemein gilt $${\mathrm{\alpha }}_{\text{H}}=360°/\left(\text{N}\left(\text{P}+1\right)\right)+\Delta \text{A}$$

  

  $${\mathrm{\alpha }}_{\text{A}}=360°/\left(\text{N}\left(\text{P}+1\right)\right)-\Delta \text{A}\left(\text{P-1}\right)/2$$

  

  einer Anzahl N von separaten Wicklungseinheiten und P der Phasenzahl jeder der Wicklungseinheiten entspricht. ΔA entspricht einem wählbaren Unterschiedsabstand der im Bereich bis 10 % von 360°/N gewählt werden kann.
• Weiterhin beträgt der elektrische Hauptstatorzahnwinkel α_MT, d.h. der Winkelbereich der durch einen der Hauptstatorzähne 22a überdeckt wird, gemessen zwischen den Mitten der Nutöffnungen der den betreffenden Hauptstatorzahn 22a begrenzenden Statornuten 25, 120° elektrischem Lagewinkel, wobei der elektrische Lagewinkel als 360° durch die Polpaarzahl des Läufers 3 definiert ist.
• Weiterhin soll gelten: α_MT = 2/3 α_P, wobei α_P dem Läuferpolwinkel, d.h. den Winkelbereich, der ein Läuferpol überdeckt, entspricht.
• Weiterhin soll der Abstandsstatorzahnwinkel α_ST, d.h. der Winkelbereich der durch einen der Abstandsstatorzähne 22b überdeckt wird, gemessen von den Mitten der Nutöffnungen der benachbarten Statornuten 25 , 90° elektrischer Winkellage entsprechen, was eine Hälfte der eines Läuferpolwinkels α_P entspricht: $${\mathrm{\alpha }}_{\text{ST}}=1/2{\mathrm{\alpha }}_{\text{P}}$$

  
• Allgemein gilt für eine elektrische Maschine mit einer Polpaarzahl von O, einer Anzahl N von separaten Wicklungseinheiten für den Abstandsstatorzahnwinkel α_ST $${\mathrm{\alpha }}_{\text{ST}}=360°\left(1/\text{N-1/O}\right).$$

  
• Entsprechend gilt für den mechanischen Hauptstatorzahnwinkel α_MT eines der Hauptstatorzähne 22a $${\mathrm{\alpha }}_{\text{MT}}=360°/\left(\text{O P}\right),$$

  

  wobei P der Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine entspricht.
• In 3 ist eine schematische Darstellung einer Ansteuerung der elektrischen Maschine der 1 dargestellt. Man erkennt, dass die drei Phasen jeder der Wicklungseinheiten 28 durch ein separates Leistungsmodul 5 angesteuert werden. Dabei können die Phasenstränge jeder der Wicklungseinheiten 28 entweder in einer Stern- oder einer Polygonschaltung verschaltet werden.
• Die Wicklungseinheiten, die diametral einander gegenüberliegen, werden mit dreiphasigen Ansteuerströmen, wie sie beispielsweise in dem Diagramm der 4 dargestellt sind, angesteuert, die zueinander um 90° von den Ansteuerströmen einer Ansteuerung der übrigen beiden Wicklungseinheiten 28, die ebenfalls einander gegenüberliegen, versetzt sind. Beispielsweise können für die Ansteuerung der Wicklungseinheiten W1 und W3 folgende Stromverläufe über dem elektrischen Lagewinkel θ vorgesehen werden: $$i_A=I\text{ sin}\left(\theta \right)$$

  

  $$i_B=I\text{ sin}\left(\theta +120°\right)$$

  

  $$i_C=I\text{ sin}\left(\theta -120°\right)$$

  

  wobei die Stromverläufe der Wicklungseinheiten W2 und W4 wie folgt angesteuert werden. $$i_A=I\text{ sin}\left(\theta +90°\right)$$

  

  $$i_B=I\text{ sin}\left(\theta -150°\right)$$

  

  $$i_C=I\text{ sin}\left(\theta -30°\right)$$

  
• In 5 ist der normalisierte Drehmomentenverlauf über einen Bereich von elektrischen Lagewinkeln dargestellt für die Fälle, dass nur die Wicklungseinheiten W1 und W3 und nur die Wicklungseinheiten W2 und W4 angesteuert werden, und für den Fall, dass alle vier Wicklungseinheiten mit der 90° zueinander versetzten Phasenströmung angesteuert werden. Dadurch kann das Drehmomentenrippel der elektrischen Maschine erheblich, für das vorliegende Ausführungsbeispiel von 13,5% auf 1,9% des durchschnittlichen Drehmoments, reduziert werden.

Claims (11)

1. Statoranordnung (2) für eine elektrische Maschine, umfassend: - ein zylindrisches Statorjoch (21) mit davon abstehenden Hauptstatorzähnen (22a) und Abstandsstatorzähnen (22b), wobei mehrere Statorzahngruppen (G) aus mehreren benachbarten Hauptstatorzähnen (22a) jeweils durch einen Abstandsstatorzahn (22b) voneinander getrennt sind; - mehrere separate Wicklungseinheiten (28) mit jeweils einer Anzahl von Phasensträngen, die jeweils eine oder mehrere Phasenspulen (26) aufweisen, wobei die Wicklungseinheiten (28) jeweils einer der Statorzahngruppen (G) zugeordnet und an dieser angeordnet sind.
2. Statoranordnung (2) nach Anspruch 1, wobei die Breite von Zahnschäfte (23) der Abstandsstatorzähne (22b) gleich oder größer ist als die Breite von Zahnschäften (23) der Hauptstatorzähne (22a).
3. Statoranordnung (2) nach Anspruch 2, wobei die Abstandsstatorzähne (22b) und die Hauptstatorzähne (22a) jeweils Zahnköpfe (24) aufweisen, die bezüglich der Zahnschäfte (23) in Umfangsrichtung verbreitert sind, wobei insbesondere der Zahnkopfüberstand in Umfangsrichtung bei den Hauptstatorzähnen (22a) größer ist als bei den Abstandsstatorzähnen (22b).
4. Statoranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei einer Polpaarzahl O und einer Anzahl N von separaten Wicklungseinheiten ein Abstandsstatorzahnwinkel α_ST, d.h. der Winkelbereich der durch einen der Abstandsstatorzähne (22b) überdeckt wird, 360° (1/N - 1/O) beträgt.
5. Statoranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei bei einer Polpaarzahl O, einer Phasenzahl P und einer Anzahl N von separaten Wicklungseinheiten (28) ein Hauptstatorzahnwinkel α_MT, d.h. der Winkelbereich der durch einen der Hauptstatorzähne (22b) überdeckt wird, 360° / (O * P) beträgt.
6. Statoranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Hauptzahnabstände α_H zwischen den Mittenachsen der Hauptstatorzähne (22a) größer sind, als die Abstandszahnabstände α_A zwischen der Mittenachse eines Hauptstatorzahns (22a) und der Mittenachse eines benachbarten Abstandsstatorzahns (22b), und insbesondere die Hauptzahnabstände α_H (Winkelabstand) 24° und die Abstandszahnabstände (Winkelabstand) α_A 21° betragen.
7. Elektrische Maschine (1) mit einer Statoranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und einem Läufer (3) mit Läuferpolen.
8. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 7, wobei bei einer Polpaarzahl von 5, vier separaten Wicklungseinheiten (28) und einer Phasenzahl von 3 ein Abstandsstatorzahnwinkel α_ST, d.h. der Winkelbereich der durch einen der Abstandsstatorzähne (22b) überdeckt wird, 1/2 α_P entspricht, wobei α_P einem Polwinkel eines Läuferpols entspricht.
9. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei bei einer Polpaarzahl von 5, vier separaten Wicklungseinheiten und einer Phasenzahl von 3 ein Hauptstatorzahnwinkel α_MT , d.h. der Winkelbereich der durch einen der Hauptstatorzähne überdeckt wird, 2/3 α_P entspricht, wobei α_P einem Polwinkel eines Läuferpols entspricht.
10. Motorsystem mit einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9 und mit Leistungsmodulen (5), die jeweils zur Ansteuerung einer oder mehrerer der Wicklungseinheiten (28) ausgebildet sind.
11. Motorsystem nach Anspruch 10, wobei die Leistungsmodule (5) ausgebildet sind oder ansteuerbar sind, um die Wicklungseinheiten (28) mit einem Phasenversatz der Phasenströme anzusteuern.

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