DE102019118145A1 - Electrically commutated, multi-strand motor - Google Patents
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Abstract
Der elektrisch kommutierte, mehrsträngige Motor (10) ist mit einem Stator (12) versehen, der mehrere Wicklungssätze mit jeweils mehreren Wicklungen (U1, V1, W1, U2, V2, W2) aufweist, wobei jeder Wicklungssatz pro Strang jeweils mindestens eine Wicklung (U1, V1, W1, U2, V2, W2) umfasst. Ferner ist der Motor (10) mit einem Pole (18) aufweisenden Rotor (14) versehen, wobei der Stator (12) Zähne (16) aufweist und jeweils mindestens ein Zahn (16) einer Wicklung (U1, V1, W1, U2, V2, W2) zugeordnet sind und wobei die mehreren Wicklungssätze geometrisch gleichmäßig versetzt angeordnet sind, indem die demselben Strang zugeordneten Wicklungen (U1, V1, W1, U2, V2, W2) der mehreren Wicklungssätze jeweils geometrisch gleichmäßig über den Stator (12) verteilt angeordnet sind. Der Motor (10) weist jeweils eine Ansteuereinheit (20) zur zyklischen Ansteuerung der Wicklungen (U1, V1, W1) sowie der Wicklungen (U2, V2, W2) in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehposition des Rotors (14) auf. Inaktive Wicklungen werden von der Ansteuerung getrennt. The electrically commutated, multi-strand motor (10) is provided with a stator (12) which has a plurality of winding sets, each with a plurality of windings (U 1 , V 1 , W 1 , U 2 , V 2 , W 2 ), each winding set per Each strand comprises at least one winding (U 1 , V 1 , W 1 , U 2 , V 2 , W 2 ). The motor (10) is also provided with a rotor (14) having poles (18), the stator (12) having teeth (16) and in each case at least one tooth (16) of a winding (U 1 , V 1 , W 1 , U 2 , V 2 , W 2 ) and the plurality of winding sets are arranged geometrically uniformly offset by the windings assigned to the same strand (U 1 , V 1 , W 1 , U 2 , V 2 , W 2 ) of the plurality Winding sets are each arranged geometrically evenly distributed over the stator (12). The motor (10) has a control unit (20) for the cyclical control of the windings (U 1 , V 1 , W 1 ) and the windings (U 2 , V 2 , W 2 ) depending on the respective rotational position of the rotor (14 ) on. Inactive windings are separated from the control.
Description
Die Erfindung betrifft einen elektrisch kommutierten Motor, der mehrsträngig bzw. mehrphasig ausgeführt ist. Insbesondere betrifft die Erfindung die Nutzung der Motorwicklungen des Stators eines elektrisch kommutierten, mehrphasigen Motors als Redundanz.The invention relates to an electrically commutated motor, which is multi-strand or multi-phase. In particular, the invention relates to the use of the motor windings of the stator of an electrically commutated, multi-phase motor as redundancy.
In verschiedenen Anwendungen ist es erforderlich, den Motor eines Systems im Fehlerfall nicht komplett als Aktor zu verlieren. Das System sollte also weiterhin betreibbar sein, auch wenn dies unter Einbuße der Leistungsfähigkeit erfolgt. Ein übliches Vorgehen ist es insoweit, den Motor-Stator mit einer speziellen, sogenannten redundanten, Wicklung zu versehen. Hierbei werden zwei voneinander unabhängige Wicklungen in den Motor eingezogen, indem jede Wicklung doppelt existiert, wobei ein jedes Wicklungspaar für den Normalbetrieb des Motors vorgesehen ist, während die zweite (redundante) Wicklung als „Reserve“ für einen Fehlerfall vorgehalten wird.In various applications, it is necessary not to completely lose the motor of a system as an actuator in the event of a fault. The system should therefore continue to be operable, even if this is done with a loss of performance. In this regard, it is a common procedure to provide the motor stator with a special, so-called redundant, winding. Here, two independent windings are drawn into the motor, since each winding exists twice, whereby each winding pair is intended for normal operation of the motor, while the second (redundant) winding is kept as a “reserve” for an error.
Der elektrische Kurzschluss innerhalb einer Spule stellt bei Elektromotoren einen der häufigsten Fehlerfälle dar. In einem solchen Fall wird bei Permanentmagnet Synchronmotoren durch Bewegung des Rotors eine Spannung in den Wicklungen induziert, die an der Fehlerstelle kurzgeschlossen wird. Dadurch entstehen hohe Ströme, die den Motor bremsen. In diesem Fall ist es wichtig die Motorphasen von der Ansteuerelektronik trennen zu können. Die Erfindung schlägt hierzu die Verwendung von
Ferner sei zum Stand der Technik auf die weiteren, nachfolgend genannten Druckschriften verwiesen:
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Konzept zur Nutzung der Motorwicklungen eines Elektromotor-Stators für Redundanzzwecke vorzuschlagen. Hierzu wird das Wickelsystem in zwei Redundanzebenen aufgeteilt, wobei stets nur eine Ebene aktiv verwendet wird. Erst im Fehlerfall wird auf die Reserve zurückgegriffen. Die inaktive Ebene wird zu jeder Zeit völlig vom Motor getrennt, so dass keine Rückwirkung auf Grund induzierter Spannungen gegeben ist.The object of the invention is to propose an improved concept for using the motor windings of an electric motor stator for redundancy purposes. For this purpose, the winding system is divided into two levels of redundancy, whereby only one level is actively used at a time. The reserve is only used in the event of an error. The inactive level is completely separated from the motor at all times so that there is no reaction due to induced voltages.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein elektrisch kommutierter, mehrsträngiger, d.h. mehrphasiger Motor vorgeschlagen, der versehen ist mit
- - einem Stator, der mehrere Wicklungssätze mit jeweils mehreren Wicklungen aufweist, wobei jeder Wicklungssatz pro Strang jeweils mindestens eine Wicklung umfasst,
- - einem Pole aufweisenden Rotor,
- - wobei der Stator Zähne aufweist und jeweils mindestens ein Zahn einer Wicklung zugeordnet sind und
- - wobei die mehreren Wicklungssätze geometrisch gleichmäßig versetzt angeordnet sind, indem die demselben Strang zugeordneten Wicklungen der mehreren Wicklungssätze jeweils geometrisch gleichmäßig über den Stator verteilt angeordnet sind, und
- - einer Ansteuereinheiten je Redundanzebene zur zyklischen Ansteuerung der Wicklungen in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehposition des Rotors
- - wobei inaktive Redundanzebenen elektrisch vom Motor getrennt werden und dadurch keinerlei Einfluss auf das entwickelte Drehmoment (weder als Bremsmoment, noch als beschleunigendes Moment) haben.
- a stator which has a plurality of winding sets, each with a plurality of windings, each winding set comprising at least one winding per strand,
- a rotor having poles,
- - The stator has teeth and at least one tooth is assigned to a winding and
- - The plurality of winding sets are arranged geometrically evenly offset, in that the windings associated with the same strand of the plurality of winding sets are each arranged geometrically evenly distributed over the stator, and
- - One control unit per redundancy level for cyclical control of the windings depending on the respective rotational position of the rotor
- - whereby inactive redundancy levels are electrically separated from the motor and therefore have no influence on the developed torque (neither as braking torque nor as accelerating torque).
Zum Verständnis einiger der im Zusammenhang mit der Erfindung verwendeten Begriffe sei Folgendes gesagt:
- - „Strang“ ist bedeutungsgleich mit „Phase“ aufzufassen, bezeichnet also z.B. die drei Phasen U, V bzw. W
- - Drei dieser Phasen (Stränge) bilden gemeinsam einen „Wicklungssatz“
- - Jeder der in einem Wicklungssatz enthaltenen Stränge weist mindestens eine „ Wicklung“ im Sinne einer Spulenwicklung, beziehungsweise Spule auf.
- - “Strand” is to be understood with the same meaning as “phase”, for example it denotes the three phases U, V and W
- - Three of these phases (strands) together form a "winding set"
- - Each of the strands contained in a winding set has at least one “winding” in the sense of a coil winding or coil.
Sinngemäß wird mit der Erfindung also ein elektrisch kommutierter, mehrsträngiger Motor mit mehreren Wicklungssätzen vorgeschlagen, von denen jeder Wicklungssatz so viele Wicklungen aufweist, wie der Motor Stränge bzw. Phasen hat (bei einem dreiphasigen Motor also drei Wicklungen pro Wicklungssatz). Dabei sind pro Wicklungssatz die Wicklungen jeweils gleichmäßig versetzt an dem Stator angeordnet und die mehreren Wicklungssätze sind ihrerseits gleichmäßig versetzt zueinander positioniert, indem die einem Strang zugeordnete Wicklung bzw. Wicklungen eines Wicklungssatzes zwischen den Strängen eines anderen Wicklungssatzes zugeordneten Wicklungen positioniert ist/sind.Analogously, the invention therefore proposes an electrically commutated, multi-strand motor with a plurality of winding sets, of which each winding set has as many windings as the motor has strands or phases (in the case of a three-phase motor, three windings per winding set). The windings for each winding set are each arranged on the stator in an evenly offset manner, and the plurality of winding sets are in turn evenly offset from one another in that the winding or windings of one winding set assigned to one strand is / are positioned between the strands associated with another winding set.
Mit der Erfindung wird also vorgeschlagen, pro Wicklungssatz die Wicklungen jeweils um einen gleichen ersten Winkelversatz versetzt am Stator anzuordnen und die Wicklungssätze untereinander jeweils um einen vom ersten Winkelversatz verschiedenen zweiten Winkelversatz gegeneinander versetzt zu positionieren. Für das Beispiel eines dreiphasigen Motors mit zwei Wicklungssätzen sind also die drei Wicklungen jedes Wicklungssatzes untereinander um 60° versetzt positioniert, während die beiden Wicklungssätze untereinander um 30° versetzt angeordnet sind, so dass jede Wicklung des einen Wicklungssatzes zwischen zwei Wicklungen des anderen Wicklungssatzes angeordnet ist.The invention therefore proposes to arrange the windings for each winding set offset by an identical first angular offset on the stator, and to arrange the winding sets one below the other to position a second angular offset different from the first angular offset in relation to one another. For the example of a three-phase motor with two winding sets, the three windings of each winding set are positioned offset from one another by 60 °, while the two winding sets are arranged offset from one another by 30 °, so that each winding of one winding set is arranged between two windings of the other winding set ,
Der erfindungsgemäße Motor weist an seinem Rotor Pole sowie an seinem Stator Zähne auf. Jeweils mindestens ein Zahn des Stators ist einer Wicklung eines anderen Wicklungssatzes zugeordnet.The motor according to the invention has poles on its rotor and teeth on its stator. At least one tooth of the stator is assigned to a winding of another winding set.
Die Anzahl der Pole und Zähne wird dabei so gewählt, wie es im Stand der Technik bei der Auslegung eines elektrisch kommutierten, mehrphasigen Motors grundsätzlich bekannt ist. Daher wird auf diesen Aspekt an dieser Stelle nicht weiter eingegangen.The number of poles and teeth is selected as is known in the prior art when designing an electrically commutated, multi-phase motor. Therefore, this aspect will not be discussed further at this point.
Erfindungsgemäß wird also der Aspekt der Redundanz durch eine geometrische Verteilung der Wicklungen mehrerer Wicklungssätze gelöst. In diesem Merkmal ist der wesentliche Unterschied der Erfindung zum Stand der Technik zu sehen, aus dem elektrisch kommutierte, mehrphasige Motoren bekannt sind, bei denen die Wicklungen redundanter Wicklungssätze „aufeinanderliegen“.According to the invention, the aspect of redundancy is solved by a geometric distribution of the windings of several winding sets. This feature shows the essential difference between the invention and the prior art, from which electrically commutated, multi-phase motors are known, in which the windings of redundant winding sets “lie one on top of the other”.
In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zu demselben Strang gehörenden Wicklungen der mehreren Wicklungssätze jeweils gemeinsam ansteuerbar oder getrennt ansteuerbar sind wobei inaktive Stränge elektrisch und ggf. mechanisch vom Motor getrennt sind. Eine mechanische Trennung der Stränge erfolgt beispielsweise über von der Ansteuereinheit angesteuerte Relais. Eine weitere Möglichkeit der Trennung ist durch Sperren einer Halbleiterverbindung der Stränge bzw. Wicklungen mit der Ansteuereinheit möglich, wie es beispielsweise in den beiden bereits oben genannten Druckschriften
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Motor kann alternativ in zweierlei verschiedenen Betriebsmodi arbeiten. Sofern keine Wicklung defekt ist, kann die Ansteuereinheit sämtliche Wicklungen sämtlicher Wicklungssätze zyklisch ansteuern, um den Motor zu betreiben. Das bedeutet im Falle des Ausfalls eines Wicklungssatzes, dass der Motor danach immer noch betrieben werden kann, jedoch mit verringertem Leistungsvermögen. Das ist aber für eine Vielzahl von Anwendungen durchaus tolerierbar.The motor proposed according to the invention can alternatively operate in two different operating modes. If no winding is defective, the control unit can cyclically control all windings of all winding sets in order to operate the motor. In the event of a winding set failure, this means that the motor can still be operated afterwards, but with reduced performance. However, this is perfectly tolerable for a large number of applications.
Die Ansteuereinheit steuert die Wicklungen lediglich eines der Wicklungssätze an. Sollte in dieser Situation ein Fehlerfall auftreten, so schaltet die Ansteuereinheit auf die Ansteuerung der Wicklungen eines anderen Wicklungssatzes um und trennt die zuvor aktiven Wicklungen von der Ansteuerung. Dieses Szenario gilt für den Fall, dass zwei Wicklungssätze vorhanden sind. Es ist auch möglich, dass im Normalbetrieb mehrere Wicklungssätze angesteuert werden, wobei dann auch vorteilhafterweise mehrere Redundanzwicklungssätze vorgehalten werden. In diesen Fällen, in denen genauso viele Redundanzwicklungssätze vorhanden sind wie beim Normalbetrieb des Motors angesteuerte Wicklungssätze existieren, kommt es also im Fehlerfall nicht zu einem Leistungsverlust des Motors.The control unit controls the windings of only one of the winding sets. If an error occurs in this situation, the control unit switches to the control of the windings of another winding set and separates the previously active windings from the control. This scenario applies if there are two winding sets. It is also possible for a plurality of winding sets to be actuated in normal operation, in which case a plurality of redundancy winding sets are then advantageously also provided. In these cases, in which there are as many redundancy winding sets as there are controlled winding sets during normal operation of the motor, the motor does not lose power in the event of a fault.
Mischformen der beiden zuvor beschriebenen Betriebsmodi sind auch möglich. So könnte man beispielsweise bei einem Motor mit drei Wicklungssätzen lediglich einen der Wicklungssätze zu Redundanzzwecken vorhalten, so dass bei Ausfall eines der beiden im Normalbetrieb verwendeten Wicklungssätze dieser durch den Redundanzwicklungssatz ersetzt werden kann, um damit wieder die gleiche Leistungsfähigkeit des Motors zur Verfügung zu stellen, wie es im Normalbetrieb des Motors gegeben ist.Mixed forms of the two operating modes described above are also possible. For example, in the case of a motor with three winding sets, one of the winding sets could only be kept for redundancy purposes, so that if one of the two winding sets used in normal operation fails, this can be replaced by the redundancy winding set in order to provide the same motor performance again. as is the case in normal operation of the engine.
Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung besteht also dann darin, dass die Ansteuereinheit im Falle eines Defekts mindestens einer Wicklung dann mindestens eines Wicklungssatzes dessen sämtliche Wicklungen nicht mehr ansteuert.An alternative embodiment of the invention then consists in the control unit no longer controlling all the windings in the event of a defect in at least one winding and then at least one winding set.
Der Fall des Betriebs eines Motors mit Redundanzwicklungen lässt sich dann dadurch beschreiben, dass die Ansteuereinheit die Wicklungen der mehreren Wicklungssätze mit Ausnahme der Wicklung mindestens eines der Wicklungssätze, der somit als Redundanzwicklungssatz fungiert, ansteuert und dass die Ansteuereinheit im Falle eines Defekts mindestens einer Wicklung des mindestens einen angesteuerten Wicklungssatzes dessen sämtliche Wicklungen nicht mehr ansteuert und stattdessen die Wicklungen des Redundanzwicklungssatzes oder zumindest eines der Redundanzwicklungssätze ansteuert (d.h. gegebenenfalls die Wicklungen mindestens eines weiteren Redundanzwicklungssatzes ansteuert).The case of operating a motor with redundancy windings can then be described in that the control unit controls the windings of the plurality of winding sets with the exception of the winding of at least one of the winding sets, which thus functions as a redundancy winding set, and that the control unit in the event of a defect in at least one winding of the at least one controlled winding set whose all windings no longer control and instead controls the windings of the redundancy winding set or at least one of the redundancy winding sets (ie possibly controls the windings of at least one further redundancy winding set).
In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung sei darauf hingewiesen, dass es möglich ist, dass jedem Strang in jedem Wicklungssatz mindestens eine Wicklung und damit mindestens ein Zahn des Stators zugeordnet ist, wobei bei mehreren Wicklungen pro Strang diese sowie deren Zähne am Stator nebeneinander angeordnet sind.In a further expedient embodiment of the invention, it should be pointed out that it is possible for each strand in each winding set to be assigned at least one winding and thus at least one tooth of the stator, with several windings per strand being arranged next to one another and their teeth on the stator.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. The following show in detail:
-
1a und1b Prinzipdarstellungen eines Motor-Blechschnittes mit beispielhaft 18 Zähnen und 10 Polpaaren, wobei durch Schwarz-Darstellung die Bestromung der einzelnen Wicklungen U1, V1 und W1 sowie U2, V2 und W2 zweier Wicklungssätze gezeigt ist, so dass ein Dreiphasensystem entsteht und dieses Dreiphasensystem im späteren Betrieb für das magnetische Drehfeld des Motors, das die Rotormagnete mitzieht, sorgt und gemäß1a sämtliche Wicklungen beider Wicklungssätze bestromt sind, während gemäß1b nur die Wicklungen eines Wicklungssatzes von Strom durchflossen sind (Redundanz),1a and1b Schematic diagrams of a motor sheet metal section with 18 teeth and 10 pole pairs as an example, whereby the black current shows the energization of the individual windings U 1 , V 1 and W 1 and U 2 , V 2 and W 2 of two winding sets, so that a three-phase system is created and this three-phase system in later operation for the magnetic rotating field of the motor, which pulls the rotor magnets, provides and according1a all windings of both winding sets are energized, while according1b only current flows through the windings of a winding set (redundancy), -
2 den Nutenstern für die Konfiguration mit 18 Zähnen und 10 Polpaaren,2 the slot star for the configuration with 18 teeth and 10 pole pairs, -
3 die geometrische Addition der induzierten Spannungen einzelner Nuten zu einem Dreiphasensystem, bei dem drei Stränge U, V, W mit jeweils 120° Phasenversatz entstehen,3 the geometrical addition of the induced voltages of individual slots to a three-phase system, in which three strands U, V, W are created, each with a 120 ° phase offset, -
4 das Wickelschema für den entworfenen Nutenstern und das Dreiphasensystem,4 the winding diagram for the designed slot star and the three-phase system, -
5 das elektrische Ersatzschaltbild für das aus dem Nutenstern abgeleitete Wickelschema,5 the electrical equivalent circuit diagram for the winding diagram derived from the slot star, -
6 das Wickelschema aufgeteilt in die zwei Redundanzsysteme und6 the winding scheme divided into the two redundancy systems and -
7 das Ersatzschaltbild für das abgeleitete Wickelschema gemäß6 , aufgeteilt in zwei Redundanzebenen.7 the equivalent circuit diagram for the derived winding diagram according to6 , divided into two levels of redundancy.
In den
Jeweils mehrere Zähne
Die vorliegende Erfindung nutzt die Konzepte der sogenannten konzentrierten Wicklung, bei der jeder Statorzahn mit einer Spule umwickelt ist. Weist der Motor nun eine geeignete Spulengruppenverteilung und Zahl auf (im vorliegenden Beispiel weist der Motor
Durch dieses Konzept kann ein kommerzieller Brushless-DC-Motor (BLDC-Motor) als Motor mit redundanten Wicklungen verschaltet und betrieben werden.With this concept, a commercial brushless DC motor (BLDC motor) can be connected and operated as a motor with redundant windings.
Die beiden Redundanzebenen werden durch jeweils eine Leistungselektronik angesteuert. Bei zeitlicher Synchronisierung dieser beiden Leistungsstufen, könnten beide Redundanzebenen zusammenarbeiten (siehe in
Um mit der gewählten Konfiguration der Statorwicklungen ein Dreiphasensystem erzeugen zu können, müssen die Einzelspulen der Wicklungen, die sich jeweils um einen Zahn ausbilden, geeignet miteinander verschaltet werden. Hierzu wird bei der Maschinenauslegung häufig ein sogenannter Nutenstern erstellt. Nachdem die erste Nut frei nummeriert worden ist, kann mit oder gegen den Uhrzeigersinn die weitere Nummerierung der Nuten erfolgen. Jede weitere Nut liegt jeweils um den Winkel
Die in den Leitern der jeweiligen Nut induzierte Spannung ist einem Spannungsraumzeiger gleicher räumlicher Richtung und Nummer zuzuordnen. Ziel ist nun eine Verschaltung der Spannungszeiger, so dass ein symmetrisches Dreiphasensystem mit möglichst großen Strangspannungen (Pfeillängen) gebildet wird. Hierbei sind geeignete Zeiger geometrisch zu addieren.
Wenn man nun die Darstellung der
Jede Wicklung umschließt einen Zahn des Statorblechs und stellt somit eine Spule mit Eisenkern dar. Mehrere derartige Spulen bilden eine Wicklung (Phase). Schematisch kann
Die in den
Auch für diese Aufteilung in die beiden Redundanzsysteme lässt sich ein Ersatzschaltbild erstellen, wie es in
Anwendungsgebiete der Erfindung sind:
- - Weltraumanwendungen
- - Sicherheitskritische Anwendungen (wie z.B. Pumpen in Kühlkreisläufen)
- - Comfort Funktion in der Elektromobilität (das Auto bleibt im Fehlerfall nicht komplett liegen)
- - space applications
- - Safety-critical applications (such as pumps in cooling circuits)
- - Comfort function in electromobility (the car does not remain completely in the event of a fault)
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Motorengine
- 1212
- Statorstator
- 1414
- Rotorrotor
- 1616
- Zähneteeth
- 1818
- PolePole
- 2020
- Ansteuereinheitcontrol unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102005044526 A1 [0003, 0013]DE 102005044526 A1 [0003, 0013]
- DE 102013212959 A1 [0003, 0013]DE 102013212959 A1 [0003, 0013]
- DE 102006021354 A1 [0004]DE 102006021354 A1 [0004]
- DE 102015120920 A1 [0004]DE 102015120920 A1 [0004]
- DE 3140034 A1 [0004]DE 3140034 A1 [0004]
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