DE102020130423A1

DE102020130423A1 - Dual winding motor

Info

Publication number: DE102020130423A1
Application number: DE102020130423.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lindner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-11-18
Filing date: 2020-11-18
Publication date: 2022-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (1) für eine dynamoelektrische Maschine (10), wobei der Stator (1) Statorzähne (2) und Nuten zwischen den Statorzähnen (2) sowie mindestens ein erstes und zweites, zum ersten Wicklungssystem redundantes Wicklungssystem (3, 4) aufweist, wobei die beiden Wicklungssysteme (3, 4) dazu ausgelegt sind, unabhängig voneinander ein Drehfeld zum Antrieb eines Rotors (5) zu erzeugen, wobei die Wicklungssysteme (3, 4) Zahnspulen (6) aufweisen, die die Statorzähne (2) konzentrisch umgeben und derart in den Nuten angeordnet sind, dass jeweils eine Spulenseite einander benachbarter Zahnspulen gemeinsam eine Nut füllen. Die Zuverlässigkeit dieser redundant ausgelegten elektrischen Maschine wird ferner durch Zwischenzähne (7) weiter erhöht, die zumindest einen Teil der Nuten im Wesentlichen mittig in eine erste und zweite Halbnut (8, 9) aufteilen, wobei in jeder dieser durch den Zwischenzahn (7) geteilten Nuten eine Spulenseite einer Zahnspule (6) des ersten Wicklungssystems (3) in der ersten Halbnut (8) angeordnet ist und eine Spulenseite einer Zahnspule (6) des zweiten Wicklungssystems (4) in der zweiten Halbnut (9) angeordnet ist.The invention relates to a stator (1) for a dynamoelectric machine (10), the stator (1) having stator teeth (2) and slots between the stator teeth (2) and at least one first and second winding system (3, 4th ), wherein the two winding systems (3, 4) are designed to generate a rotary field independently of one another for driving a rotor (5), the winding systems (3, 4) having toothed coils (6) which the stator teeth (2) surrounded concentrically and arranged in the grooves in such a way that one coil side of adjacent toothed coils together fill a groove. The reliability of this redundantly designed electrical machine is further increased by intermediate teeth (7), which divide at least part of the slots substantially centrally into first and second half-slots (8, 9), each of which is divided by the intermediate tooth (7). Slots one coil side of a toothed coil (6) of the first winding system (3) is arranged in the first half slot (8) and one coil side of a toothed coil (6) of the second winding system (4) is arranged in the second half slot (9).

Description

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine dynamoelektrische Maschine mit zwei redundanten Wicklungssystemen. Ferner betrifft die Erfindung eine dynamoelektrische Maschine mit einem derartigen Stator.The invention relates to a stator for a dynamoelectric machine with two redundant winding systems. Furthermore, the invention relates to a dynamoelectric machine with such a stator.

Die Erfindung kann überall dort vorteilhaft zum Einsatz kommen, wo erhöhte Anforderungen an die Ausfallsicherheit elektrischer Maschinen gestellt werden. Typisches Beispiel hierfür sind Aktuatoren in Fahrzeugen, die sicherheitsrelevante Aufgaben übernehmen. Bei sogenannten Steer-by-Wire-Systemen wird beispielsweise die mechanische Kopplung zwischen Lenkrad und Lenkstange vollständig aufgehoben. Der Lenkeinschlag wird stattdessen von elektrischen Aktuatoren bewirkt, die dem gewünschten Lenkeinschlag entsprechende und von einem Controller berechnete Drehmoment- und Positionsvorgaben umsetzen. Ein Ausfall des Elektromotors kann in einem solchen System Personenschäden verursachen und ist somit durch redundante Auslegung der fehleranfälligsten Komponenten zu vermeiden.The invention can be used to advantage wherever there are increased demands on the fail-safety of electrical machines. A typical example of this are actuators in vehicles that take on safety-related tasks. In so-called steer-by-wire systems, for example, the mechanical coupling between the steering wheel and the steering rod is completely eliminated. Instead, the steering angle is effected by electric actuators, which implement torque and position specifications that correspond to the desired steering angle and are calculated by a controller. A failure of the electric motor can cause personal injury in such a system and can therefore be avoided by redundant design of the most error-prone components.

In diesem Zusammenhang ist aus der CN1 1 1055919A ein sogenannter Dual-Winding-Motor für ein Steer-by-Wire-System eines Personenfahrzeugs bekannt. Die Ausfallsicherheit in einem derartigen System wird dadurch erhöht, dass der Motor mit zwei redundant ausgelegten Wicklungssystemen ausgeführt wird, von denen jedes allein für sich genommen die Antriebsaufgabe erfüllen kann, wenn eines der Wicklungssysteme ausfällt.In this context, from the CN1 1 1055919A a so-called dual-winding motor for a steer-by-wire system of a passenger vehicle is known. The reliability in such a system is increased in that the motor is designed with two redundantly designed winding systems, each of which alone can fulfill the drive task if one of the winding systems fails.

Durch die Bestückung einer elektrischen Maschine mit mindestens zwei mehrphasigen Wicklungssystemen lassen sich grundsätzlich die Anforderungen an die funktionale Sicherheit und die Fehlertoleranz der Aktoren erfüllen. In der Regel geschieht dies durch die Installation von zwei dreiphasigen Wicklungssystemen mit separatem Sternpunkt im Stator solcher Maschinen. Durch die elektrische Trennung dieser dreiphasigen Wicklungssysteme erlauben diese Maschinen im Fehlerfall, sofern nicht ein Ausfall des Gesamtsystems vorliegt, einen Weiterbetrieb des Aktors mit nur einem Wicklungssystem.By equipping an electrical machine with at least two multi-phase winding systems, the requirements for functional safety and fault tolerance of the actuators can basically be met. This is usually done by installing two three-phase winding systems with a separate star point in the stator of such machines. The electrical separation of these three-phase winding systems allows these machines to continue operating the actuator with only one winding system in the event of a fault, provided the entire system does not fail.

Die zwei redundanten Wicklungssysteme benutzen in der Regel einen gemeinsamen magnetischen Kreis, sodass sie beispielsweise durch das Joch des Stators magnetisch miteinander gekoppelt sind. Durch die Verwendung eines gemeinsamen magnetischen Kreises kann der Platzbedarf derartig redundant ausgelegter elektrischer Maschinen reduziert werden.The two redundant winding systems usually use a common magnetic circuit, so that they are magnetically coupled to one another, for example by the yoke of the stator. By using a common magnetic circuit, the space requirement of such redundantly designed electrical machines can be reduced.

Bei elektrischen Maschinen unterscheidet man verteilte und konzentrierte Wicklungen. Bei einer sogenannten Zahnspulenwicklung handelt es sich um eine konzentrierte Wicklung, bei der jeweils eine einzelne Phasenspule konzentrisch um genau einen Statorzahn gewickelt wird. Beidseitig in Umfangsrichtung eines einzelnen Statorzahnes befinden sich axial ausgedehnte Nuten, in denen jeweils eine Spulenseite der Phasenspule angeordnet ist. Bei einer sogenannten Einschichtwicklung befindet sich in jeder Statornut jeweils nur eine Spulenseite. Spulenseiten benachbarter Phasenspulen sind in diesem Fall stets durch einen Statorzahn voneinander getrennt.In electrical machines, a distinction is made between distributed and concentrated windings. A so-called tooth coil winding is a concentrated winding in which a single phase coil is wound concentrically around exactly one stator tooth. On both sides in the circumferential direction of an individual stator tooth there are axially extended slots, in each of which one coil side of the phase coil is arranged. In a so-called single-layer winding, there is only one coil side in each stator slot. In this case, the coil sides of adjacent phase coils are always separated from one another by a stator tooth.

Im Unterschied hierzu befinden sich bei sogenannten Mehrschichtwicklungen stets mindestens zwei Spulenseiten in einer Nut. Die beiden in einer gemeinsamen Nut angeordneten Spulenseiten sind zwei unterschiedlichen, aber benachbarten Phasenspulen zugeordnet.In contrast to this, in the case of so-called multi-layer windings, there are always at least two coil sides in one slot. The two coil sides arranged in a common slot are assigned to two different but adjacent phase coils.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kompakten Aufbau fehlersicherer elektrischer Maschinen mit redundanter Wicklungsauslegung zu ermöglichen.The invention is based on the object of enabling a compact design of fail-safe electrical machines with a redundant winding design.

Diese Aufgabe wird durch einen Stator einer dynamoelektrischen Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.This object is achieved by a stator of a dynamoelectric machine having the features according to patent claim 1. Advantageous embodiments of the invention can be found in the dependent patent claims.

Der erfindungsgemäße Stator umfasst zunächst Statorzähne und Nuten zwischen den Statorzähnen. Zur Erhöhung der Fehlersicherheit der dynamoelektrischen Maschine besitzt der Stator mindestens ein erstes Wicklungssystem und mindestens ein zweites Wicklungssystem, welches zum ersten Wicklungssystem redundant ist. Es handelt sich mithin um einen Dual-Winding-Stator, da beide Wicklungssysteme dazu ausgelegt sind, unabhängig voneinander ein Drehfeld zum Antrieb eines Rotors der dynamoelektrischen Maschine zu erzeugen. Somit funktioniert der Motor innerhalb der dynamoelektrischen Maschine sowohl lediglich mit dem ersten Wicklungssystem als auch lediglich mit dem zweiten Wicklungssystem. Der Betrieb des Stators mit nur einem der Wicklungssysteme stellt insbesondere einen Notbetrieb dar, mit dem Gefahrensituationen vermieden werden können. Im Normalbetrieb der dynamoelektrischen Maschine sind insbesondere beide Wicklungssysteme in Betrieb. Beide Wicklungssysteme sind als konzentrierte Wicklungen ausgebildet, die Zahnspulen aufweisen, die in den Nuten angeordnet sind und die Statorzähne konzentrisch umgeben. Hierbei sind beide Wicklungssysteme als Mehrschichtwicklung ausgebildet. Die Zahnspulen sind somit derart in den Nuten angeordnet, dass jeweils eine Spulenseite einander benachbarter Zahnspulen gemeinsam eine Nut füllen. Der Vorteil einer derartigen Mehrschichtwicklung im Vergleich zu einer Einschichtwicklung ist der insgesamt höhere Kupferfüllgrad des Stators. Hierdurch ergibt sich im Vergleich zur Einschichtwicklung eine höhere Maschinenleistung, da der Platzbedarf der zusätzlichen Statorzähne bei einer Einschichtwicklung, der die Phasenspulen voneinander trennt, entfällt.The stator according to the invention initially comprises stator teeth and slots between the stator teeth. To increase the fail-safety of the dynamoelectric machine, the stator has at least one first winding system and at least one second winding system, which is redundant to the first winding system. It is therefore a dual-winding stator, since both winding systems are designed to generate a rotary field independently of one another to drive a rotor of the dynamoelectric machine. Thus, the motor within the dynamoelectric machine functions both with only the first winding system and only with the second winding system. The operation of the stator with only one of the winding systems represents in particular an emergency operation with which dangerous situations can be avoided. In normal operation of the dynamoelectric machine, in particular both winding systems are in operation. Both winding systems are designed as concentrated windings that have toothed coils that are arranged in the slots and concentrically surround the stator teeth. Both winding systems are designed as multi-layer windings. The toothed coils are thus arranged in the slots in such a way that one coil side is next to the other barter tooth coils fill a slot together. The advantage of such a multi-layer winding compared to a single-layer winding is the overall higher degree of copper filling of the stator. This results in a higher machine output compared to single-layer windings, since the space required for the additional stator teeth in a single-layer winding, which separates the phase coils from one another, is eliminated.

Durch die redundante Auslegung des Stators mit zwei voneinander unabhängigen Wicklungssystemen sind Zahnspulen des ersten Wicklungssystems unmittelbar benachbart zu Zahnspulen des zweiten Wicklungssystems. Die Zahnspulen der beiden Wicklungssysteme sind vorteilhafterweise gleichmäßig über den Stator verteilt, damit bei Ausfall eines Wicklungssystems ein funktionsfähiges Wicklungssystem verbleibt, mit dem ein Drehfeld im Luftspalt der Maschine erzeugbar ist. Der Erfindung liegt nunmehr die Erkenntnis zugrunde, dass die Nachbarschaft von Zahnspulen der unterschiedlichen Wicklungssysteme eine unerwünschte magnetische Kopplung der beiden Wicklungssysteme zur Folge haben kann. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass beide Wicklungssysteme einen gemeinsamen Magnetkreis, insbesondere ein gemeinsames Statorblechpaket, benutzen. Wenn nun eines der beiden Wicklungssysteme fehlerhaft arbeitet, kann hierdurch ohne weitere Maßnahmen ein unerwünschter Einfluss auf das fehlerfrei arbeitende Wicklungssystem entstehen, der den ordnungsgemäßen Betrieb im Fehlerfall negativ beeinflusst. Erfindungsgemäß wird jedoch dieser unerwünschte Einfluss durch Zwischenzähne vermieden, die zumindest einen Teil der Nuten im Wesentlichen mittig in eine erste und zweite Halbnut aufteilen. In jeder dieser durch den Zwischenzahn geteilten Nuten befindet sich eine Spulenseite einer Zahnspule des ersten Wicklungssystems in der ersten Halbnut und eine Spulenseite einer Zahnspule des zweiten Wicklungssystems in der zweiten Halbnut. Auf diese Art und Weise gelingt es bei der hier angewendeten Mehrschichtwicklung die magnetische Kopplung der beiden Wicklungssysteme zu vermeiden oder zumindest weitgehend zu reduzieren. Denn der erfindungsgemäße Zwischenzahn stellt einen alternativen Pfad für den magnetischen Fluss des räumlich benachbarten Wicklungssystems zur Verfügung. Wenn beispielsweise nur das erste Wicklungssystem in Betrieb ist und das zweite Wicklungssystem ausgefallen ist, schließen sich die Magnetfeldlinien des vom ersten Wicklungssystem erzeugten magnetischen Flusses über die Zwischenzähne, anstatt den Jochbereich des zweiten Wicklungssystems zu durchsetzen. Die Störanfälligkeit des Systems wird deutlich reduziert unter Beibehaltung eines hohen Kupferfüllfaktors im Stator, der eine hohe Energiedichte der Maschine und damit ein kompaktes System ermöglicht.Due to the redundant design of the stator with two independent winding systems, tooth coils of the first winding system are directly adjacent to tooth coils of the second winding system. The toothed coils of the two winding systems are advantageously evenly distributed over the stator, so that if one winding system fails, a functional winding system remains with which a rotating field can be generated in the air gap of the machine. The invention is now based on the finding that the proximity of toothed coils of the different winding systems can result in undesirable magnetic coupling of the two winding systems. This is due in particular to the fact that both winding systems use a common magnetic circuit, in particular a common laminated core of stators. If one of the two winding systems is now working incorrectly, this can, without further measures, have an undesirable effect on the winding system that is working correctly, which negatively influences proper operation in the event of a fault. According to the invention, however, this undesired influence is avoided by intermediate teeth, which divide at least part of the grooves essentially in the middle into a first and second half-groove. In each of these slots divided by the intermediate tooth, there is a coil side of a tooth coil of the first winding system in the first half slot and a coil side of a tooth coil of the second winding system in the second half slot. In this way, with the multi-layer winding used here, the magnetic coupling of the two winding systems can be avoided or at least largely reduced. This is because the intermediate tooth according to the invention provides an alternative path for the magnetic flux of the spatially adjacent winding system. If, for example, only the first winding system is in operation and the second winding system has failed, the magnetic field lines of the magnetic flux generated by the first winding system close via the intermediate teeth instead of penetrating the yoke area of the second winding system. The system's susceptibility to failure is significantly reduced while maintaining a high copper fill factor in the stator, which enables a high energy density of the machine and thus a compact system.

Die beiden Wicklungssysteme können jeweils dreiphasig ausgebildet sein. Denkbar sind aber auch Ausführungsformen der Erfindung, bei denen höherphasige Wicklungssysteme verwendet werden. Es können auch mehr als zwei Wicklungssysteme zur Erhöhung der Redundanz zum Einsatz kommen. Hierbei ist auch nicht zwingend erforderlich, dass alle Wicklungssysteme die gleiche Phasenzahl aufweisen.The two winding systems can each have a three-phase design. However, embodiments of the invention in which higher-phase winding systems are used are also conceivable. More than two winding systems can also be used to increase redundancy. It is also not absolutely necessary here for all winding systems to have the same number of phases.

Um die Auswirkung der Zwischenzähne auf das maximal von der Maschine erzielbare Drehmoment möglichst gering zu halten, können die Zwischenzähne eine maximale Breite in Umfangsrichtung aufweisen, die kleiner als 10 % der Breite der Statorzähne in Umfangsrichtung ist. Die Zwischenzähne haben lediglich die Aufgabe, einen Bypass für den magnetischen Fluss eines der Wicklungssysteme bereitzustellen, wenn ein anderes Wicklungssystem mit benachbarten Phasenspulen ausfällt. Für diese Aufgabe muss deutlich weniger Querschnittsfläche für die Zähne bereitgestellt werden als für die „normalen“ von den Zahnspulen konzentrisch umgebenen Statorzähne.In order to minimize the effect of the intermediate teeth on the maximum torque that can be achieved by the machine, the intermediate teeth can have a maximum circumferential width that is less than 10% of the circumferential width of the stator teeth. The intermediate teeth only have the task of providing a bypass for the magnetic flux of one of the winding systems if another winding system with adjacent phase coils fails. For this task, significantly less cross-sectional area has to be provided for the teeth than for the "normal" stator teeth concentrically surrounded by the tooth coils.

Prinzipiell könnten die Zwischenzähne in allen Nuten des Stators angeordnete werden. Dies ist jedoch zur Erfüllung ihrer Aufgabe nicht notwendig. Demnach bietet sich eine Ausgestaltung der Erfindung an, bei der die Zwischenzähne ausschließlich in den Nuten angeordnet sind, in denen sowohl eine Spulenseite einer Zahnspule des ersten Wicklungssystems als auch eine Spulenseite einer Zahnspule des zweiten Wicklungssystems liegen.In principle, the intermediate teeth could be arranged in all slots of the stator. However, this is not necessary to fulfill their task. An embodiment of the invention is therefore appropriate in which the intermediate teeth are arranged exclusively in the slots in which both a coil side of a toothed coil of the first winding system and a coil side of a toothed coil of the second winding system lie.

Mithilfe eines Stators nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen lässt sich eine besonders kompakte und gleichzeitig fehlersichere dynamoelektrische Maschine realisieren. Typisches Anwendungsfeld einer solchen Maschine kann ein Aktuator für ein Fahrzeug sein. Als Beispiele seien hier Lenkungsaktuatoren für ein Steer-by-Wire-System und fehlersichere Bremsaktuatoren für ein Brake-by-Wire-System genannt.A particularly compact and at the same time fail-safe dynamoelectric machine can be implemented with the aid of a stator according to one of the previously described embodiments. A typical field of application for such a machine can be an actuator for a vehicle. Examples include steering actuators for a steer-by-wire system and fail-safe brake actuators for a brake-by-wire system.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Beispiele näher erläutert. Funktional gleiche Elemente sind in den Figuren prinzipiell mit denselben Bezugszeichen benannt.The invention is explained in more detail below with reference to the examples shown in the figures. In principle, functionally identical elements are given the same reference symbols in the figures.

Es zeigen:

1 einen axialen Querschnitt einer aus dem Stand der Technik bekannten dynamoelektrischen Maschine mit zwei voneinander unabhängigen Wicklungssystemen,
2 die dynamoelektrische Maschine nach 1 in einer alternativen Darstellung mit Kennzeichnung der zwei Wicklungssysteme,
3 eine Verteilung des magnetischen Flusses innerhalb der dynamoelektrischen Maschine nach 1, wenn nur eine Phase eines der Wicklungssysteme bestromt ist,
4 einen axialen Querschnitt durch eine dynamoelektrische Maschine nach einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Flussverteilung bei Bestromung nur eines von zwei Wicklungssystemen, die durch einen Zwischenzahn getrennt sind,
5 den Verlauf der magnetischen Kopplung zwischen den beiden Wicklungssystemen der dynamoelektrischen Maschine nach 4 in Abhängigkeit der Breite der Zwischenzähne und
6 den Verlauf des Drehmomentes der dynamoelektrischen Maschine nach 4 in Abhängigkeit der Breite der Zwischenzähne.

Show it:

1 an axial cross section of a dynamoelectric machine known from the prior art with two independent winding systems,
2 the dynamo-electric machine 1 in an alternative representation with identification of the two winding systems,
3 a distribution of the magnetic flux within the dynamoelectric machine 1 , if only one phase of one of the winding systems is energized,
4 an axial cross-section through a dynamoelectric machine according to an embodiment of the invention with a flux distribution when energizing only one of two winding systems that are separated by an intermediate tooth,
5 the course of the magnetic coupling between the two winding systems of the dynamoelectric machine 4 depending on the width of the intermediate teeth and
6 the course of the torque of the dynamoelectric machine 4 depending on the width of the intermediate teeth.

1 zeigt einen axialen Querschnitt einer aus dem Stand der Technik bekannten dynamoelektrischen Maschine 10 mit zwei voneinander unabhängigen Wicklungssystemen 3, 4. Die beiden Wicklungssysteme 3, 4 sind in 2 deutlich gekennzeichnet, auf die im Folgenden ebenfalls Bezug genommen wird. 1 shows an axial cross-section of a dynamoelectric machine 10 known from the prior art with two independent winding systems 3, 4. The two winding systems 3, 4 are in 2 clearly marked, to which reference is also made below.

Unabhängig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass ein Rotor 5 der dynamoelektrischen Maschine 10 auch lediglich durch ein erstes Wicklungssystem 3 der beiden Wicklungssysteme 3, 4 angetrieben werden kann, wenn das zweite Wicklungssystem 4 ausfällt. Umgekehrt kann der Rotor 5 auch lediglich durch das zweite Wicklungssystem 4 angetrieben werden, sofern das erste Wicklungssystem 3 ausfällt. Demnach handelt es sich um eine redundante Auslegung der Wicklungssysteme, die einen Einsatz der elektrischen Maschine 10 in sicherheitsrelevanten Aktorikaufgaben ermöglicht. Beide Wicklungssysteme 3, 4 sind Teil eines gemeinsamen Stators 1. Der Stator 1, in dem dargestellten Beispiel ein außenliegender Stator 1, besitzt über seinen Innenumfang verteilte Statorzähne 2. Zwischen den Statorzähnen befinden sich Nuten zur Aufnahme von Zahnspulen 6 der beiden Wicklungssysteme 3, 4. Jede Zahnspule 6 umschließt konzentrisch einen Statorzahn 2.In this context, independent means that a rotor 5 of the dynamoelectric machine 10 can also only be driven by a first winding system 3 of the two winding systems 3, 4 if the second winding system 4 fails. Conversely, the rotor 5 can also only be driven by the second winding system 4 if the first winding system 3 fails. Accordingly, there is a redundant design of the winding systems, which enables use of the electrical machine 10 in safety-relevant actuator tasks. Both winding systems 3, 4 are part of a common stator 1. The stator 1, in the example shown an external stator 1, has stator teeth 2 distributed over its inner circumference. Between the stator teeth there are slots for receiving toothed coils 6 of the two winding systems 3, 4 Each tooth coil 6 concentrically encloses a stator tooth 2.

Beide Wicklungssysteme 3, 4 sind dreiphasig ausgebildet. Jede Phase jedes Wicklungssystems 3, 4 umfasst zwei benachbarte Zahnspulen 6. Diese Paare von Zahnspulen 6 sind für jedes Wicklungssystem 3, 4 umfangsseitig 120 Grad voneinander beabstandet. An ein Paar von Zahnspulen 6 des ersten Wicklungssystems 3 einer ersten Phase schließt sich ein Paar von Zahnspulen 6 des zweiten Wicklungssystems 4 der gleichen Phase umfangsseitig an. Dieser Aufbau setzt sich über den gesamten Stator fort, wie in 2 zu erkennen ist. Demnach befindet sich jedes Paar von Zahnspulen 6 des ersten Wicklungssystems 3 immer in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem Paar von Zahnspulen 6 des zweiten Wicklungssystems 4.Both winding systems 3, 4 are three-phase. Each phase of each winding system 3, 4 comprises two adjacent toothed coils 6. These pairs of toothed coils 6 are circumferentially spaced 120 degrees apart for each winding system 3, 4. A pair of toothed coils 6 of the first winding system 3 of a first phase is followed on the circumference by a pair of toothed coils 6 of the second winding system 4 of the same phase. This build-up continues throughout the stator, as in 2 can be seen. Accordingly, each pair of toothed coils 6 of the first winding system 3 is always in the immediate vicinity of a pair of toothed coils 6 of the second winding system 4.

Alle Zahnspulen 6 des Stators 1 teilen sich den gleichen Statorkörper, bei dem es sich um ein Statorblechpaket aus hochpermeablem Material handelt. Dieser die Statorzähne 2 und ein Statorjoch umfassende Statorkörper wird von beiden Wicklungssystemen 3, 4 geteilt. Darüber hinaus handelt es sich bei den Wicklungssystemen 3, 4 um sogenannte Mehrschichtwicklungssysteme. Das heißt, in jeder Nut befinden sich mindestens zwei Spulenhälften, eine rechte Spulenhälfte einer Zahnspule und eine linke Spulenhälfte einer rechtsseitig benachbarten Zahnspule 6. Durch die Auslegung mit einer Mehrschichtwicklung wird der Kupferfüllfaktor des Stators 1 relativ hoch, sodass mit der dynamoelektrischen Maschine 10 eine hohe Energiedichte erzielt werden kann.All tooth coils 6 of the stator 1 share the same stator body, which is a laminated stator core made of highly permeable material. This stator body, which includes the stator teeth 2 and a stator yoke, is shared by the two winding systems 3 , 4 . In addition, the winding systems 3, 4 are so-called multi-layer winding systems. This means that there are at least two coil halves in each slot, a right-hand coil half of a toothed coil and a left-hand coil half of a toothed coil 6 adjacent to the right. Due to the design with a multi-layer winding, the copper fill factor of the stator 1 is relatively high, so that the dynamoelectric machine 10 has a high energy density can be achieved.

Der Rotor 5 ist umfangsseitig mit Permanentmagneten 11 bestückt. Diese erzeugen im Luftspalt zwischen Rotor 5 und Stator 1 ein Rotorfeld, welches mit dem durch die Zahnspulen 6 erzeugten Feld in Wechselwirkung tritt.The rotor 5 is equipped with permanent magnets 11 on the circumference. These generate a rotor field in the air gap between the rotor 5 and the stator 1, which interacts with the field generated by the toothed coils 6.

Die dargestellte dynamoelektrische Maschine 10 wird auch als Dual-Winding-Motor bezeichnet. Ein solcher Dual-Winding-Motor wird in der Regel in sicherheitskritischen Anwendungen benutzt, wie beispielsweise als Antriebsmotor für einen Lenkungsaktuator in einer Steer-by-Wire-Anwendung. Durch die Auslegung mit zwei voneinander unabhängigen Wicklungssystemen 3, 4, die in der Regel auch jeweils einen eigenen Sternpunkt aufweisen, soll sichergestellt sein, dass bei Ausfall eines der Wicklungssysteme 3, 4 ein Betrieb durch das verbleibende Wicklungssystem gewährleistet bleibt. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass zwar die beiden Wicklungssysteme 3, 4 voneinander - elektrisch betrachtet - unabhängig sind. Jedoch sind beide Wicklungssysteme 3, 4 auf dem gleichen Statorkern angeordnet und teilen daher dasselbe Flussleitsystem. Welche Folgen dies im Falle des Ausfalls eines der Wicklungssysteme 3, 4 hat, ist in 3 erkennbar, die eine Verteilung des magnetischen Flusses innerhalb der dynamoelektrischen Maschine nach 1 zeigt, wenn nur eine Phase eines der Wicklungssysteme 3, 4 bestromt ist. In diesem Fall sind genau zwei Zahnspulen 6 der einen aktiven Phase des ersten Wicklungssystems 3 bestromt, während alle anderen Zahnspulen 6 stromlos sind. Wie zu erkennen ist, schließen sich die magnetischen Feldlinien der Zahnspulen 6 nicht nur innerhalb der von den aktiven Zahnspulen 6 umgebenen Statorzähne 2, sondern auch über umfangsseitig rechts und links hiervon angeordnete Statorzähne 6, die dem zweiten Wicklungssystem 4 zugeordnet sind. Ebenso wird auch der Bereich des Joches mit Magnetfeldlinien durchsetzt, der dem nicht aktiven zweiten Wicklungssystem 4 zugehörig ist. Durch diese magnetische Kopplung des ersten und zweiten Wicklungssystems 3, 4 kann das fehlerhafte zweite Wicklungssystem 4 einen unerwünschten Einfluss auf das gesunde erste Wicklungssystem 3 haben. Hierdurch kann der ordnungsgemäße Betrieb mit nur einem Wicklungssystem 3, 4 im Fehlerfall negativ beeinflusst werden.The dynamoelectric machine 10 shown is also referred to as a dual-winding motor. Such a dual-winding motor is typically used in safety-critical applications, such as driving a steering actuator in a steer-by-wire application. The design with two mutually independent winding systems 3, 4, which usually each have their own star point, is intended to ensure that if one of the winding systems 3, 4 fails, operation is guaranteed by the remaining winding system. However, it must be taken into account here that the two winding systems 3, 4 are independent of one another—from an electrical point of view. However, both winding systems 3, 4 are arranged on the same stator core and therefore share the same flux guide system. The consequences of this in the event of the failure of one of the winding systems 3, 4 are described in 3 recognizable, according to a distribution of the magnetic flux within the dynamoelectric machine 1 shows when only one phase of one of the winding systems 3, 4 is energized. In this case, exactly two toothed coils 6 of one active phase of the first winding system 3 are energized, while all other toothed coils 6 are currentless. As can be seen, the magnetic field lines of the toothed coils 6 close not only within the stator teeth 2 surrounded by the active toothed coils 6, but also via stator teeth 6 arranged circumferentially to the right and left thereof, which are assigned to the second winding system 4. Likewise, the area of Joches interspersed with magnetic field lines, which is associated with the non-active second winding system 4. As a result of this magnetic coupling of the first and second winding system 3, 4, the faulty second winding system 4 can have an undesirable effect on the healthy first winding system 3. As a result, proper operation with only one winding system 3, 4 can be adversely affected in the event of a fault.

4 zeigt einen axialen Querschnitt durch eine dynamoelektrische Maschine 10 nach einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Flussverteilung bei Bestromung nur eines von zwei Wicklungssystemen 3, 4, die durch einen Zwischenzahn 7 getrennt sind. Der prinzipielle Aufbau der dargestellten Maschine 10 entspricht dem Aufbau, der in den 1 bis 3 dargestellt ist. Der einzige Unterschied besteht nunmehr darin, dass dort, wo Zahnspulen 6 unterschiedlicher Wicklungssysteme 3, 4 aneinandergrenzen, die in diesem Grenzbereich liegenden Nuten durch einen Zwischenzahn 7 in eine erste Halbnut 8 und eine zweite Halbnut 9 unterteilt werden. Wenn nun in der ersten Halbnut 8 eine Spulenseite des ersten Wicklungssystems 3 angeordnet ist, liegt in der zweiten Halbnut 9 eine Spulenseite des zweiten Wicklungssystems 4. Wenn umgekehrt in der ersten Halbnut 8 eine Spulenseite des zweiten Wicklungssystems 4 angeordnet ist, ist in der zweiten Halbnut 9 eine Spulenseite des ersten Wicklungssystems 3 angeordnet. Der Zwischenzahn 7 hat die Aufgabe, die Wicklungssysteme 3, 4 magnetisch voneinander zu trennen. Er stellt einen Bypass für den magnetischen Fluss dar, der ohne den Zwischenzahn 7 in das jeweils andere Wicklungssystem 3, 4 einkoppeln würde. Hierdurch kann die unerwünschte Beeinflussung der Wicklungssysteme 3, 4 vermieden werden. Dies gilt insbesondere im Fehlerfall, wenn nur eines der Wicklungssysteme 3, 4 aktiv ist. Eine Einkopplung des magnetischen Flusses vom aktiven Wicklungssystem 3, 4 in das nicht aktive Wicklungssystem 3, 4 wird vermieden, da der vom aktiven Wicklungssystem erzeugte magnetische Fluss sich im Randbereich der jeweiligen Zahnspulenpaare über den Zwischenzahn 7 im Randbereich schließt. 4 shows an axial cross-section through a dynamo-electric machine 10 according to an embodiment of the invention with a flux distribution when energized only one of two winding systems 3, 4, which are separated by an intermediate tooth 7. The basic structure of the machine 10 shown corresponds to the structure in the 1 until 3 is shown. The only difference now is that where toothed coils 6 of different winding systems 3, 4 adjoin one another, the slots located in this border area are divided by an intermediate tooth 7 into a first half-slot 8 and a second half-slot 9. If a coil side of the first winding system 3 is now arranged in the first half-slot 8, a coil side of the second winding system 4 is in the second half-slot 9. Conversely, if a coil side of the second winding system 4 is arranged in the first half-slot 8, it is in the second half-slot 9 a coil side of the first winding system 3 is arranged. The intermediate tooth 7 has the task of magnetically separating the winding systems 3, 4 from one another. It represents a bypass for the magnetic flux, which would couple into the other winding system 3, 4 without the intermediate tooth 7. As a result, the undesired influence on the winding systems 3, 4 can be avoided. This applies in particular in the event of a fault when only one of the winding systems 3, 4 is active. Coupling of the magnetic flux from the active winding system 3, 4 into the inactive winding system 3, 4 is avoided, since the magnetic flux generated by the active winding system closes in the edge area of the respective toothed coil pairs via the intermediate tooth 7 in the edge area.

Wie in 5 zu erkennen ist, ist bereits ein vergleichsweise dünner Zwischenzahn 7 ausreichend, um die magnetische Kopplung zwischen den beiden Wicklungssystemen 3, 4 deutlich zu reduzieren. In 5 ist der Verlauf der magnetischen Kopplung zwischen den beiden Wicklungssystemen 3, 4 der dynamoelektrischen Maschine 10 nach 4 in Abhängigkeit der Breite dieser Zwischenzähne 7 dargestellt. In Ergänzung hierzu ist in 6 der Verlauf des Drehmomentes der dynamoelektrischen Maschine 10 nach 4 in Abhängigkeit der Breite der Zwischenzähne 7 dargestellt. Hier ist zu erkennen, dass die Auswirkungen auf das Drehmoment der Maschine vergleichsweise gering sind. Da bereits mit sehr dünnen Zwischenzähnen 7 eine erhebliche Reduktion der Kopplung erreicht wird, ist auch die Einschränkung des Bauraums für die aktive Statorwicklung aufgrund dieser Hilfszähne nahezu vernachlässigbar.As in 5 can be seen, a comparatively thin intermediate tooth 7 is already sufficient to significantly reduce the magnetic coupling between the two winding systems 3, 4. In 5 is the course of the magnetic coupling between the two winding systems 3, 4 of the dynamoelectric machine 10 4 shown as a function of the width of these intermediate teeth 7. In addition to this, in 6 the course of the torque of the dynamoelectric machine 10 after 4 shown as a function of the width of the intermediate teeth 7. Here it can be seen that the effects on the torque of the machine are comparatively small. Since a considerable reduction in the coupling is already achieved with very thin intermediate teeth 7, the limitation of the installation space for the active stator winding due to these auxiliary teeth is also almost negligible.

BezugszeichenlisteReference List

11: Statorstator
22: Statorzähnestator teeth
33: erstes Wicklungssystemfirst winding system
44: zweites Wicklungssystemsecond winding system
55: Rotorrotor
66: ZahnspulenTooth Coils
77: Zwischenzähneintermediate teeth
88th: erste Halbnutfirst half groove
99: zweite Halbnutsecond half groove
1010: dynamoelektrische Maschinedynamo-electric machine
1111: Permanentmagnetepermanent magnets

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

CN 111055919A [0003]

Claims

Stator (1) for a dynamoelectric machine (10), the stator (1) comprising: • Stator teeth (2) and grooves between the stator teeth (2), • at least one first and second winding system (3,4) that is redundant to the first winding system, the two winding systems (3,4) being designed to generate a rotating field for driving a rotor (5) independently of one another, and the winding systems ( 3.4) have toothed coils (6) which surround the stator teeth (2) concentrically and are arranged in the slots in such a way that one coil side of adjacent toothed coils together fill a slot and • Intermediate teeth (7), which divide at least part of the slots essentially centrally into a first and second half-slot (8,9), with one coil side of a toothed coil (6) of the first winding system in each of these slots divided by the intermediate tooth (7). (3) is arranged in the first half slot (8) and a coil side of a toothed coil (6) of the second winding system (4) is arranged in the second half slot (9).

Stator (1) after claim 1 , wherein the winding systems (3,4) are each formed 3-phase.

Stator (1) according to one of Claims 1 or 2 , wherein the intermediate teeth (7) have a maximum width in the circumferential direction which is less than 10% of the width of the stator teeth (1) in the circumferential direction.

Stator (1) according to one of the preceding claims, wherein the intermediate teeth (7) are arranged exclusively in the slots in which both a coil side of a toothed coil of the first winding system (3) and a coil side of a toothed coil of the second winding system (4) lie.

Dynamoelectric machine (10) with a rotor (5) and a stator (1) according to one of the preceding claims.

Actuator for a vehicle with a dynamoelectric machine (1). claim 5 .

actor after claim 6 , wherein the actuator is designed as a fail-safe steering actuator for a steer-by-wire system.

actor after claim 7 , wherein the actuator is designed as a fail-safe brake actuator for a brake-by-wire system.