DE102022106996A1

DE102022106996A1 - Elektrische Mehrphasenmaschine

Info

Publication number: DE102022106996A1
Application number: DE102022106996.6A
Authority: DE
Inventors: Tobias Wagner
Original assignee: Liebherr Electronics and Drives GmbH
Current assignee: Liebherr Electronics and Drives GmbH
Priority date: 2022-01-21
Filing date: 2022-03-24
Publication date: 2023-07-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Mehrphasenmaschine mit einer Statoranordnung umfassend eine statorseitige Wicklung und mit einem relativ dazu drehbar gelagerten Rotor, der einen die Statoranordnung außenumfangsseitig umgebenden Außenläufer bildet, wobei die statorseitige Wicklung mehr als sechs Phasen aufweist und sternlos ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Mehrphasenmaschine mit einer Statoranordnung und einem relativ dazu drehbar gelagerten Rotor, der einen die Statoranordnung außenseitig umgebenden Außenläufer bildet.
Große Baumaschinen wie Bagger, Raupen oder Krane, sowie Fördermaschinen wie Gabelstapler, Dump Trucks, sowie generell Hebezeuge für schwere Lasten oder auch landwirtschaftliche Maschinen und Anbaugeräte setzen hinsichtlich der Antriebstechnik häufig auf hydraulische Konzepte, da hohe Leistungsdichten verlangt werden, um bei vernünftiger Baugröße entsprechende Leistungen bereitzustellen, was von Hydrostaten bekanntermaßen gut erfüllt wird. Die Pumpen der hydraulischen Antriebe werden dabei regelmäßig von Verbrennungsmotoren angetrieben, beispielsweise in Form von großen Dieselaggregaten.
Um zumindest lokal emissionsfrei arbeiten zu können, wird in jüngerer Zeit jedoch auch bei solchen energieintensiven Großmaschinen auf elektrische Antriebskonzepte gesetzt, wobei aufgrund der gewünschten, hohen Leistungsdichten regelmäßig Mehrphasenmaschinen zum Einsatz kommen. Beispielsweise können dies permanent magneterregte Synchronmaschinen sein, die als leistungsdichteste Bauform von elektrischen Maschinen gelten. Dabei hängt die erzielbare Leistungsdichte maßgeblich von der Stromdichte ab, die wiederum eine ausreichende Kühlung bedingt, um höhere Stromdichten zuzulassen.
Dabei müssen die Elektromaschinen nicht nur hohe Leistungsdichten realisieren, sondern auch hohe Antriebsmomente bereitstellen, um hydraulische Antriebskonzepte ersetzen zu können. Für hohe Drehmomente sind an sich besonders Außenläufermaschinen geeignet, die bei gleichen Außenabmessungen regelmäßig ein höheres Drehmoment als Innenläufermaschinen bereitstellen können. Durch den außenlaufenden Rotor ergeben sich jedoch besondere Herausforderungen hinsichtlich der Baugröße. Insbesondere können schlanke, längliche Bauformen kaum realisiert werden. Üblicherweise werden Außenläufer als Scheibenläufer mit kurzen Eisenlängen und kurzen Durchmessern ausgeführt, um mit einer einseitigen, angestellten Lagerung die dann geringeren Kippmomente beherrschen zu können. Solche Scheibenläufer mit kurzen Eisenlängen und kurzen Durchmessern können jedoch nur schwer in Baumaschinen, Förderfahrzeugen oder Hebezeugen untergebracht werden, da dort die Einbauräume begrenzt sind.
Um hohe Stromdichten und damit hohe Leistungsdichten erzielen zu können, können die Wicklungsspulen konzentriert gewickelt werden, was jedoch tendenziell zu einer relativ großen Welligkeit der Drehmomentabgabe führt. Gleichzeitig kommt es zu einer hohen Temperaturbelastung der Wicklung, da die übliche Kühlung an den über die Statorbleche vorstehenden Wickelköpfen bei konzentrierten Wicklungen wegfällt bzw. nicht mehr in ausreichendem Maße funktioniert.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte elektrische Mehrphasenmaschine zu schaffen, die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und letzteren in vorteilhafter Weise weiterbildet. Insbesondere soll eine kompakte Baugröße erreicht werden, die gleichwohl hohe Drehmomente und hohe Leistungsdichten bereitstellen kann, ohne bei der Drehmomentabgabe eine übermäßige Welligkeit zu zeigen. Dabei soll vorzugsweise auch eine hohe Verfügbarkeit und geringe Ausfallwahrscheinlichkeit der Mehrphasenmaschine erreicht werden.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch eine elektrische Mehrphasenmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird also vorgeschlagen, die statorseitige Wicklung vielphasig auszubilden und auf einen Sternpunkt zu verzichten. Erfindungsgemäß umfasst die statorseitige Wicklung mindestens fünf Phasen oder 7 Phasen oder mehr und ist dabei sternlos ausgebildet. Durch eine solche vielphasige Wicklung ohne Sternpunkt kann die Drehmomentwelligkeit signifikant, insbesondere um mehr als 50% gesenkt werden, auch wenn die Wicklungsspulen konzentriert gewickelt sind. Gerade Maschinen mit konzentrierter Wicklung neigen an sich zu einer relativ hohen Welligkeit im Drehmomentverlauf. Neben einer Steigerung des Drehmoments lässt sich auch eine signifikante Reduzierung der Zwischenkreiskondensatoren erzielen.
Unabhängig hiervon kann durch intelligente, individuelle Bestromung der einzelnen Phasen je nach Lastbereich und Position des Rotors eine Betriebsoptimierung erzielt werden. Beispielsweise kann für bestimmte Lastbereiche durch Anpassung der Bestromung die mittlere Kupfertemperatur bzw. Drahttemperatur gesenkt werden. Da bei Mehrphasenwicklungen ohne Sternpunkt grundsätzlich keine Nullsummen-Strombedingung gilt, d.h. die Summe der Phasenströme nicht zwingend null sein muss, können grundsätzlich verschiedene bzw. beliebige Stromformen realisiert werden. Dies erlaubt es beispielsweise im Fehlerfall wie beispielsweise einem Kurzschluss zwischen zwei Phasen oder einem Leitungsbruch den Maschinenbetrieb zumindest eingeschränkt fortsetzen zu können. Insbesondere tritt häufig ein Ausfall einer Phase im Wechselrichter auf, wobei der Grund für die Fehlertoleranz regelmäßig ist, dass nicht immer ein Drittel des Motors mechanisch verbunden ist. Vorteilhafterweise ist ein Weiterbetrieb der Maschine bis zum Ausfallen von vier Phasen möglich. Hierdurch kann die Ausfallwahrscheinlichkeit signifikant reduziert und die Verfügbarkeit erhöht werden.
Vorzugsweise ist die Phasenzahl ungerade, um einen maximalen Wicklungsfaktor zu erhalten, wobei vorteilhafterweise fünf Phasen oder sieben Phasen oder neuen Phasen oder mehr vorgesehen sein können.
Die Anzahl der Pole kann dabei größer oder kleiner als die Anzahl der Phasen sein.
Insbesondere kann die statorseitige Wicklung neunphasig ohne Sternpunkt ausgebildet sein. Eine Wicklung mit neun Phasen ist ein guter Kompromiss zwischen geringer Welligkeit im Drehmomentverhalten und noch moderatem Montageaufwand bei kompakter Bauweise. Grundsätzlich kommen mehr als neun Wicklungsphasen in Betracht, beispielsweise elf Phasen oder dreizehn Phasen oder auch fünfzehn Phasen. Eine Wicklung mit neun Phasen erzielt jedoch eine ausreichende Reduzierung der Drehmoment-Welligkeit und kann auch bei konzentrierter Wicklung einfach montiert werden.
Die Wicklung ist vorteilhafterweise konzentriert ausgebildet. Eine konzentrierte Wicklung meint dabei, dass jeder Zahn der Statorbleche des Stators vom Wicklungsdraht umwickelt ist und der Wicklungsdraht einer Spule nicht gleichzeitig um mehrere Zähne gewickelt ist. Eine solche konzentrierte Wicklung besitzt einen hohen Automatisierungsgrad und erlaubt kurze Wickelköpfe. Hierdurch können die Verluste in einer Spule durch den reduzierten Kupferaufwand verhindert werden und durch den kleineren Bauraumbedarf kann eine höhere Leistungsdichte erreicht werden. Im Zusammenspiel mit einer vielphasigen Ausbildung der Wicklung kann der an sich sonst übliche Nachteil von konzentrierten Wicklungen, nämlich die Welligkeit in der Drehmomentabgabe, kompensiert werden.
Die Wicklungsphasen der statorseitigen Wicklung sind dabei vorteilhafterweise an eine Ansteuerschaltung angebunden, die die einzelnen Phasen individuell und variabel bestromen kann. Insbesondere kann die genannte Ansteuerschaltung einen Wechselrichter mit Vollbrücken, vorzugsweise in Form von H-Brücken, zum Bestromen der einzelnen Phasen aufweisen.
Vorteilhafterweise kann die Ansteuerschaltung dazu konfiguriert sein, die einzelnen Phasen individuell mit einzelnem Zeitversatz zu bestromen, so dass beispielsweise beim Ausfall einer Phase bei einem Fehler die Bestromung der verbleibenden Phasen in ihrem Timing angepasst werden kann, um einen runden, harmonischen Betrieb zu erzielen. Alternativ oder zusätzlich zu einer variable Steuerung des Beginns der Pulse bei einer gepulsten Bestromung kann auch die Länge und/oder Höhe der Strompulse variiert werden, um eine Betriebsoptimierung zu erzielen, beispielsweise für bestimmte Lastbereiche durch Anpassung der Bestromung die mittlere Drahttemperatur zu senken.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Flüssig-Kühl-Vorrichtung für die statorseitige Wicklung vorgesehen ist, wobei die Wicklung Wicklungsspulen aufweist, die in Statornuten aufgenommen sind, die jeweils als Kühlmittelkanal ausgebildet sind, und ein durch die Statornuten fließendes Kühlmittel in den Statornuten den Wicklungsdraht umspült.
Vorteilhafterweise wird eine elektrische Mehrphasenmaschine vorgeschlagen, wobei die Wicklungsspulen unvergossen ausgebildet sind und von Kühlflüssigkeit durchspülbare Kühlspalten zwischen benachbarten Abschnitten des Wicklungsdrahts einer Spule vorgesehen sind.
Alternativ oder unabhängig hiervon kann vorgesehen sein, dass der Stator, insbesondere dessen mit Kühlflüssigkeit durchspülten Statornuten, durch ein Dichtungsrohr, das zwischen Stator und Rotor angeordnet ist und den Stator außenumfangsseitig umschließt, gegenüber dem Rotor abgedichtet ist.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Wicklungsdraht der Wicklungsspulen einen trapezförmigen oder dreieckigen Querschnitt besitzt. Grundsätzlich kann der Wicklungsdraht aber auch andere Querschnitte besitzen, die sich vorteilhafterweise von der einen Seite zur anderen Seite verjüngen können. Vorteilhafterweise kommen Querschnitte zum Einsatz, die von der Rechteckform und von der Kreisform abweichen, um genügend Spalträume für das Kühlmedium zu schaffen.
Vorteilhafterweise können die Wicklungsspulen einlagig gewickelt sein.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Wicklungsdraht der Wicklungsspulen elektrisch isolierend beschichtet ist.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Wicklungsdraht mit einer Beschichtung aus einem Hochtemperatur-resistenten Thermoplast, insbesondere mit einer PEEK-Beschichtung, versehen ist.
Alternativ oder unabhängig hiervon kann vorgesehen sein, dass die Statornuten des zumindest einen Stators an einer axialen Stirnseite des Stators mit einem an der genannten Statorstirnseite vorgesehenen Ringraum zum Zuführen der Kühlflüssigkeit strömungsverbunden sind und/oder an einer gegenüberliegenden Stirnseite des Stators mit einem dort vorgesehenen Sammelauslauf strömungsverbunden sind.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Kühlflüssigkeit in axial gegenläufigen Richtungen zunächst von der Kaltseite des Kühlkreises her parallel durch die Statornuten für die Wicklungsspulen von einer Stirnseite zur gegenüberliegenden Stirnseite des Stators hindurchgeführt ist und sodann die von den Wicklungsspulen aufgeheizte Kühlflüssigkeit in axial entgegengesetzter Richtung durch den Statorträger hindurch zurück zur Zuströmseite geführt wird.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Statornuten zueinander parallelgeschaltet an einen Einlassverteiler zur Zuführung von Kühlflüssigkeit angebunden sind und parallel von der Kühlflüssigkeit durchströmbar sind. Ein solcher Einlassverteiler kann stromauf des Stators beispielsweise in einer Zwischenplatte zwischen Motor und Wechselrichter vorgesehen sein.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Statoranordnung in mehrere Statoren zu unterteilen und einen dafür gemeinsamen Rotor vorzusehen, der sich durch die Unterteilung der Statoren zwischen den genannten Statoren abstützen kann. Hierdurch kann eine besser ausbalancierte und gegenüber Kippbelastungen unempfindlichere Lagerung erzielt werden, die im Vergleich zu einer einseitigen, angestellten Lagerung sehr viel längere Rotorbauformen zulässt.
Insbesondere umfasst die Statoranordnung zwei Statoren, die außenumfangsseitig von dem gemeinsamen Rotor umgeben sind, wobei der Rotor zwischen den beiden Statoren auf einer innenliegenden, von den Statoren umgebenen Motorwelle oder - achse abgestützt ist. Durch die mittige Abstützung des Rotors können sehr viel grö-ßere Rotorlängen hinsichtlich der Lagerkräfte beherrscht werden, als dies bei Scheibenläufern mit einseitiger, angestellter Lagerung der Fall ist, sodass insgesamt deutlich schlankere, längliche Bauformen realisiert werden können, wobei nichtsdestotrotz gleichzeitig hohe Drehmomente erzielt werden können. Die vorgeschlagene Anordnung vereint somit die Einbaufreundlichkeit und Form eines Innenläufers mit der höheren Drehmomentdichte eines Außenläufers.
In Weiterbildung der Erfindung sind die zwei Statoren zumindest im Wesentlichen gleichlang ausgebildet und symmetrisch zum gemeinsamen Rotor angeordnet, wobei der sich über beide Statoren erstreckende Rotor mittig und damit ausbalanciert abgestützt sein kann. Der genannte Rotor kann beidseits von der Lagerstelle aus betrachtet gleichweit auskragen bzw. bezüglich der mittigen Lagerstelle symmetrisch ausgebildet sein. Unabhängig hiervon können die beiden genannten Statoren bezüglich der mittigen Abstützstelle des Rotors eine symmetrische Anordnung bilden.
Durch eine symmetrische Aufteilung der Statoren kann die aktive Eisenlänge pro Stator im Vergleich zu einem einzigen Stator halbiert sein, wodurch sich auch die Kühlung der Statoranordnung insgesamt verbessern lässt.
In Weiterbildung der Erfindung kann für die Statoren eine Flüssigkühlung vorgesehen sein, wobei die beiden Statoren insbesondere parallel gekühlt werden können, um die Kühlwirkung zu verbessern.
Dabei können die beiden Statoren in einem Kühlmittelkreis parallelgeschaltet angeordnet sein, sodass beide Statoren gleichermaßen mit noch kühlem Kühlmittel beaufschlagt werden können und nicht ein Stator das schon vom anderen Stator erwärmte Kühlmittel zugeführt erhält, wie dies bei seriellen Kühlmittel-Anordnungen oder auch bei einem einzelnen, durchgängigen und langen Stator der Fall ist.
Alternativ zu einer Parallelschaltung der beiden Statoren in einem gemeinsamen Kühlkreis können auch zwei separate Kühlkreise für die beiden Statoren vorgesehen sein, um die beiden Statoren gleichermaßen mit kühlem Kühlmittel beaufschlagen zu können. Vorteilhaftweise jedoch ist ein gemeinsamer Kühlmittelkreis vorgesehen, in dem auch der Wechselrichter angeordnet sein kann.
Durch die kürzere Eisenlänge der Statoren in Folge der Teilung der Statoranordnung in zumindest zwei Statoren lässt sich durch die parallele Kühlmittelzuführung eine deutlich verbesserte Kühlwirkung erzielen, was wiederum höhere Stromdichten ermöglicht, um hohe Leistungsdichten zu erzielen.
In Weiterbildung der Erfindung kann die Mehrphasenmaschine eine permanentmagneterregte Maschine, beispielsweise in Form einer permanentmagneterregten Synchronmaschine sein. Dabei können insbesondere die Statoren mit einer mehrphasigen Wicklung versehen sein, während der Rotor mit Permanentmagneten versehen ist. Ferner kann die Mehrphasenmaschine auch eine Reluktanzmaschine sein.
Am Rotor können dabei zumindest zwei Permanentmagnete bzw. zwei Felder von Permanentmagneten vorgesehen sein, die beidseits der mittigen Abstützung des Rotors angeordnet sind, insbesondere beidseits eines zentralen bzw. mittigen Lagerflansches des Rotors, mit dem sich der Rotor zwischen den Statoren an der innenliegenden Motorwelle bzw. -achse abstützt.
Die Abstützung bzw. Lagerung des Rotors kann grundsätzlich verschieden ausgebildet sein, beispielsweise zwei gegeneinander angestellte Schräglager beispielsweise in Form von Kegelrollenlager umfassen. In Weiterbildung der Erfindung kann der Rotor aber auch durch eine einfache Fest-Los-Lagerung an zwei Punkten abgestützt sein, wobei das Loslager im Wesentlichen nur radiale Kräfte aufnehmen und das Festlager Radial- und Axialkräfte aufnehmen kann.
Je nach Anbindung des Rotors an die Abtriebswelle - bzw. im Falle eines Generators an die Eingangswelle - kann die Lagerung verschieden ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Rotor über die mittige Abstützung drehfest mit der innenliegenden Motorwelle verbunden sein, vorzugsweise axialfest und kippstabil, beispielsweise über eine Profilwellenverbindung oder auf eine Verzahnung axial aufgespannt.
Unabhängig von der konkreten Antriebsverbindung des Rotors kann die innenliegende Motorwelle bzw. -achse an gegenüberliegenden Endabschnitten bzw. gegenüberliegenden Gehäuseabschnitten gelagert sein, beispielsweise durch eine vorgenannte Fest-Los-Lagerung. Beispielsweise kann die Lagerung der Motorwelle bzw. -achse im Bereich der gegenüberliegenden axialen Stirnseiten der Statoranordnung vorgesehen sein. Hierdurch kann durch den entsprechend großen Lagerabstand eine stabile Abstützung erzielt werden.
Um eine hohe Leistungsdichte bei kompakter, schlanker Bauweise zu erzielen, kann der Rotor eine axiale Länge besitzen, die größer ist als ein Außendurchmesser des Rotors. Beispielsweise kann die axiale Länge des Rotors im Bereich von 125% bis 500% oder 125% bis 200% des Rotordurchmessers betragen.
Die beiden Statoren können zusammen eine axiale Länge aufweisen, die im Bereich der axialen Länge des Rotors liegt, aber im Vergleich dazu ein Stück weit kleiner oder auch ein Stück weit größer sein kann. Beispielsweise kann die Summe der beiden Statoren, jeweils gemessen als deren Eisenlänge, 75% bis 100% der gesamten axialen Länge des Rotors betragen. Insbesondere kann die Eisenlänge der beiden Statoren in Summe betrachtet etwa der Summe der axialen Längen der beiden Felder von Permanentmagneten entsprechen, die am Rotor angebracht sind.
Vorteilhafterweise kann durch den vorgeschlagenen Aufbau der Mehrphasenmaschine eine Maschinenbaureihe geschaffen werden, bei der die Maschinen bzw. Maschinenmodelle grundsätzlich den gleichen Aufbau besitzen können, jedoch die Anzahl der Phasen je nach Baugröße variieren kann.
Dabei kann auch die Kombination von Phasen und Polzahl je nach Anwendungszweck angepasst und variiert werden. Hierdurch wird ein Baukastensystem erzielt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1: einen Längsschnitt durch eine elektrische Mehrphasen-Außenläufermaschine mit zwei symmetrisch angeordneten Statoren ohne Sternpunkt unter einem gemeinsamen Rotor sowie einer direkt gekühlten Wicklung an den Statoren gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung,
2: einen ausschnittsweisen Längsschnitt durch einen der Statoren der Mehrphasenmaschine aus 1, der den Kühlmittelfluss durch den Stator zeigt,
3: eine Querschnittsansicht einer Wicklungsnut und der darin aufgenommenen Wicklung aus trapezförmigem Wicklungsdraht zur Verbesserung der Kühlmittelumspülung,
4: ein Ersatzschaltbild einer sternlosen Mehrphasenwicklung und des angeschlossenen Wechselrichters mit Vollbrücken gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung, und
5: ein Ersatzschaltbild einer Dreiphasenwicklung, die im Vergleich zur 4 mit einem Sternpunkt ausgeführt ist.

Wie die Figuren zeigen, umfasst die elektrische Mehrphasenmaschine 1, die als Antriebsmotor fungieren, aber auch als Generator arbeiten kann, eine Statoranordnung 2 und einen relativ dazu drehbar gelagerten Rotor 5, der einen die Statoranordnung 2 außenumfangsseitig umgebenden Außenläufer bildet.
Eine solche Außenläufermaschine kann für hohe Drehmomente konzipiert werden und eine hohe Leistungsdichte besitzen, um große Baumaschinen, Förderfahrzeuge bzw. -maschinen oder Hebezeuge wie Krane anzutreiben. Dabei kann die Außenläufermaschine als Fahrantrieb dienen oder ein Hauptfunktionsaggregat der jeweiligen Maschine antreiben, beispielsweise das Hubwerk eines Krans. Beispielsweise kann die Mehrphasenmaschine für Dauerleistungen von mehreren hundert kW ausgelegt sein, beispielsweise 200 - 500 kW, um Hydrostaten bzw. hydrostatische Antriebsanordnungen ersetzen zu können.
Wie 1 zeigt, kann die Statoranordnung 2 in zwei Statoren 3, 4 unterteilt sein, die koaxial zueinander und voneinander beabstandet angeordnet sein können.
Die beiden Statoren 3, 4 sind dabei außenumfangsseitig von einem gemeinsamen Rotor 5 umgeben, der mit beiden Statoren zusammenwirkt.
Vorteilhafterweise kann der Rotor 5 mit einem oder mehreren Permanentmagneten 8 bestückt sein, während die Statoranordnung 2 mit einer Wicklung 9 versehen sein kann, wie noch näher erläutert wird.
Durch die Unterteilung der Statoranordnung 2 in zwei beabstandete Statoren 3, 4 kann der gemeinsame Rotor 5 in einem Mittelabschnitt zwischen den beiden Statoren 3, 4 abgestützt sein. Insbesondere kann der Rotor 5 exakt mittig eine Abstützung 6 aufweisen, die sich zwischen den beiden Statoren 3, 4 hindurch zu einer innenliegenden Motorwelle 7 bzw. -achse erstrecken kann, wobei die genannte Abstützung 6 beispielsweise einen sich radial erstreckenden oder ringförmigen Abstützsteg umfassen kann, der sich von der Innenumfangswandung des rohrförmigen Rotorkorpus nach innen vorspringend zwischen den Statoren 3, 4 erstrecken kann.
Die Abstützung 6 kann an der Motorwelle 7 bzw. -achse kippfest und/oder axialfest und/oder drehfest befestigt sein. Wird die Antriebsbewegung des Rotors 5 über die Motorwelle 7 abgeleitet - oder bei Verwendung als Generator über die genannte Welle 7 in den Rotor 5 eingeleitet - kann der Rotor 5 über die Abstützung 6 drehfest und vorzugsweise auch kippfest sowie axialfest an der genannten Welle 7 verankert sein, beispielsweise formschlüssig durch geeignete Verbindungsmittel wie beispielsweise ein Keilwellenprofil. Alternativ oder zusätzlich kann die Rotorabstützung 6 auch an der Welle 7 verpresst sein.
Die genannte Welle kann an gegenüberliegenden Endabschnitten und/oder an gegenüberliegenden, stirnseitigen Gehäuseabschnitten beispielsweise angrenzend an die stirnseitigen Enden der Statoranordnung 2 durch eine Lageranordnung mit zwei Lagerpunkten 20, 21 abgestützt sein, wobei hier beispielsweise eine einfache Fest-Los-Lagerung vorgesehen sein kann, welche ein Radiallager einerseits und ein kombiniertes Axial-/Radiallager, beispielsweise in Form geeigneter Wälzlager, umfassen kann.
Die genannte Welle 7 erstreckt sich dabei im Inneren der Statoranordnung 2 koaxial hierzu.
Wie 1 zeigt, kann jeder Stator 3, 4 mit einer jeweils mehrphasigen Wicklung 9 versehen sein.
Der Rotor 5 kann mit zwei Feldern von Permanentmagneten 8 bestückt sein, die jeweils unmittelbar außenumfangsseitig über eine der Wicklungen 9 der Statoranordnung 2 laufen, wobei die Permanentmagnete 8 innenumfangsseitig vollständig von einer der Wicklungen 9 überdeckt sein können, vgl. 1.
Die Permanentmagnete 8 können jeweils eine axiale Länge besitzen, die im Wesentlichen der axialen Eisenlänge des zugehörigen Stators 3, 4 entsprechen kann.
Insbesondere kann der Rotor 5 einschließlich der Permanentmagnete 8 bezüglich der zentralen Abstützung 6 symmetrisch ausgebildet sein. Auch die Anordnung der Statoren 3, 4 kann bezüglich der zentralen Abstützung 6 symmetrisch sein.
Wie 1 zeigt, kann die Mehrphasenmaschine 1 durch die Zentralabstützung 6 des Rotors 5 eine schlanke, längliche Bauweise besitzen. Der Rotor 5 kann eine axiale Länge besitzen, die größer ist als der Durchmesser des Rotors 5, beispielsweise im Bereich von 150% - 200% des Rotordurchmessers betragen kann.
Die genannte Rotorlänge, d.h. die Erstreckung des Rotors 5 in Richtung der Motorwelle 7, kann zumindest näherungsweise der Summe der beiden axialen Längen der Statoren 3, 4 entsprechen.
Vorteilhafterweise ist zur Kühlung der Mehrphasenmaschine 1 eine Flüssigkühlung 10 für die Statoranordnung 2 vorgesehen, wobei vorteilhafterweise die beiden Statoren 3, 4 parallel in einem Kühlkreis angeordnet oder von zwei separaten Kühlkreisen gekühlt werden können, so dass jeder Stator 3, 4 gleichermaßen von kühlem Kühlmittel durchströmt werden kann und nicht einer der Statoren das bereits vom anderen Stator aufgewärmte Kühlmittel bekommt. Durch eine solche parallele Kühlung der Statoren 3, 4 kann die Kühlwirkung deutlich verbessert werden, was eine deutlich höhere Stromdichte zulässt. Hierdurch kann eine hohe Leistungsdichte erzielt werden.
Wie 2 zeigt, kann die Flüssigkühlvorrichtung 10 dazu ausgebildet sein, den Wicklungsdraht 11 der Wicklungsspulen 12 der Mehrphasenwicklung 9 direkt mit Kühlflüssigkeit zu umspülen. Mit anderen Worten, das Kühlmittel wird nicht durch Kühlrohre bzw. Kühlrohrschlangen durch die Wicklung 9 hindurch geführt, sondern umspült direkt die Wicklungsdrähte 11.
Hierzu können die Wicklungsspulen 12 in Statornuten 13 aufgenommen sein, die jeweils als Kühlmittelkanal ausgebildet sind und einen Teil des Kühlkreises bilden, so dass das Kühlmittel in den genannte Statornuten den Wicklungsdraht 11 direkt umspülen kann. Die Wandungen der Statornuten bilden dabei eine Kühlkanalwandung, so dass die Wicklungsdrähte sozusagen in der Kühlflüssigkeit schwimmen.
Um die Wärmeübergangsfläche des Wicklungsdrahts 11 zum Kühlmittel zu erhöhen, können die Wicklungsspulen vorteilhafterweise unvergossen ausgebildet sein und zwischen den Wicklungsdrähten 11 Kühlspalten 14 bzw. Freiräume bzw. Zwischenräume aufweisen, die von der Kühlflüssigkeit durchspülbar sind, um den Wicklungsdraht 11 mehrseitig, vorzugsweise von allen Seiten mit Kühlflüssigkeit zu umspülen.
Um die Kühlwirkung gezielt zu erhöhen, können die Wicklungsspulen 12 vorteilhafterweise einlagig konzentriert gewickelt sein. Durch die einlagige Wicklung kommt das umspülende Kühlmittel zuverlässig an alle Wicklungsdrähte, was die Kühlwirkung beträchtlich verbessert und die Bildung von Hotspots in der Wicklung verhindert. Durch die konzentrierte Wicklung kann nichtsdestotrotz eine hohe Leistungsdichte und eine insgesamt kompakte Bauweise erzielt werden. Konzentrierte Wicklung meint dabei, dass jeder Zahn der Statorbleche vom Wicklungsdraht 11 umwickelt ist.
Vorteilhafterweise kann der Wicklungsdraht einen trapezförmigen Querschnitt besitzen, so dass sich bei der Umwicklung der Statorblechzähne ausreichend große Kühlspalte 14 zwischen den Wicklungsgängen bzw. zwischen benachbarten Wicklungsdrahtabschnitten bilden und das Kühlmittel in die Wicklungslage eindringen bzw. den Wicklungsdraht mehrseitig umspülen kann.
Der genannte Wicklungsdraht 12 kann vorteilhafterweise elastisch isoliert beschichtet sein, beispielsweise mit einer hochtemperaturresistenten Thermoplastbeschichtung. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Wicklungsdraht 11 der Wicklung 9 eine PEEK, d.h. Polyetheretherketon-Beschichtung aufweisen.
Um die mehrlagige Wicklung 9 des Stators 3, 4 gleichmäßig zu kühlen, können die mehreren Wicklungsphasen bzw. die Statornuten 13 von der Kühlflüssigkeit parallel durchströmt werden. Die genannten Statornuten können in einem Kühlkreis zueinander parallel geschaltet sein und parallel vom Kühlmittel durchströmt werden.
Um die genannten Statornuten 13 gleichmäßig zu kühlen, kann stromaufwärts einer Stirnseite der Statorwicklung 9, beispielsweise in einer Zwischenplatte zwischen Motor und Wechselrichter, ein Einlaufverteiler vorgesehen sein, der das von der Kaltseite des Kühlsystems herkommende Kühlmittel auf die verschiedenen Statornuten 13 verteilt. Der genannte Einlassverteiler kann beispielsweise einen Ringraum an der Stirnseite der Wicklung 9 umfassen, an die bzw. an den die Statornuten 13 mit ihren stirnseitigen Enden kommunizierend angebunden sind.
Auslassseitig können die Statornuten 13 an einen Sammelauslauf 16 der Flüssigkeitskühlvorrichtung 10 angebunden sein, wobei der genannte Sammelauslauf 16 beispielsweise einen Ringraum am stirnseitigen Ende des jeweiligen Stators 3, 4 aufweisen kann, mit dem die Statornuten 13 in Strömungsverbindung stehen, so dass aus den Statornuten 13 herauslaufenden Kühlflüssigkeit in dem Sammelauslauf 16 gesammelt wird.
Wie 2 zeigt, kann die Kühlflüssigkeit im Gegenstrom bzw. axial gegenläufig durch den Stator 3, 4 geführt sein. Das von der Kaltseite herkommende kalte Kühlmittel kann parallel durch die Statornuten 13 in einer ersten Axialrichtung beispielsweise gemäß 2 von links nach rechts durch den Stator 3, 4 strömen, während das gesammelte, aufgeheizte Kühlmittel in einer dazu entgegengesetzten Axialrichtung, also beispielsweise gemäß 2 von rechts nach links durch Ablaufkanäle 17 zurück an die Stirnseite des Stators geführt werden kann, an der auch das kalte Kühlmittel zugeführt wurde.
Um den von Kühlflüssigkeit durchströmten Stator 3, 4 gegenüber dem Rotor 5 fluiddicht abzudichten, kann der Stator 3, 4 von einer Dichtungshülse bzw. einem Dichtungsrohr 19 umgeben sein, das den Stator, insbesondere dessen Wicklungsnuten 13, abdichtet bzw. kapselt. Ein solches hülsenförmiges Dichtungsrohr 19 kann sich insbesondere um den Stator 3, 4 herum und zwischen Stator 3, 4 und Rotor 5 erstrecken, beispielsweise auf der Außenumfangsseite des Stators 3, 4 sitzen.
Hierbei kann beispielsweise ein Kohlefaserrohr oder ein ähnliches Kunststoffrohr, beispielsweise ein GFK-Rohr oder ein thermoplastisches Rohr aus ausreichend temperaturfestem Thermoplast als Dichtungsrohr Verwendung finden. Alternativ oder zusätzlich kann als Dichtungsrohr aber auch eine Hülse aus Edelstahl oder einem anderen nicht-magnetischem Material oder Materialmischungen zum Einsatz kommen.
Die Statorwicklung 9 kann, wie 4 zeigt, sternlos ausgebildet sein und mehr als drei oder mehr als sechs oder beispielsweise neun Phasen aufweisen. Eine beispielsweise neunphasige Wicklung aus konzentrierten Spulen 12 ohne Sternpunkt ermöglicht eine individuelle Ansteuerung der einzelnen Phasen, was in geschickter Weise zur Verbesserung des Maschinenbetriebs genutzt werden kann. Da bei Mehrphasenwicklungen ohne Sternpunkt grundsätzlich keine Nullsummen-Strombedingung gilt, d.h. die Summe der Phasenströme nicht zwingend Null sein muss, können grundsätzlich verschiedene bzw. beliebige Stromformen realisiert werden. Dies erlaubt es beispielsweise im Fehlerfall wie beispielsweise einem Kurzschluss zwischen zwei Phasen oder einem Leitungsbruch den Maschinenbetrieb zumindest eingeschränkt fortsetzen zu können. Hierzu kann die Bestromung der verbleibenden funktionsfähigen Phasen angepasst werden.
Unabhängig hiervon kann durch intelligente, individuelle Bestromung der einzelnen Phasen je nach Lastbereich und Position des Rotors eine Betriebsoptimierung erzielt werden. Beispielsweise kann für bestimmte Lastbereiche durch Anpassung der Bestromung die mittlere Kupfertemperatur bzw. Drahttemperatur gesenkt werden.
Grundsätzlich kann durch eine vielphasige Wicklung ohne Sternpunkt, beispielsweise in Form der genannten Neunphasenwicklung ohne Sternpunkt, auch die Drehmomentwelligkeit signifikant, insbesondere um mehr als 50% gesenkt werden. Gerade Maschinen mit konzentrierter Wicklung neigen an sich zu einer relativ hohen Welligkeit im Drehmomentsverlauf. Durch die vorgeschlagene hohe Phasenzahl erhöht sich jedoch die Frequenz der Drehmomentwelligkeit, während gleichzeitig deren Amplitude sinkt. Grundsätzlich kommen auch mehr als neun Wicklungsphasen in Betracht, beispielsweise zwölf Phasen oder auch fünfzehn Phasen. Eine Wicklung mit neun Phasen ist jedoch ein guter Kompromiss zwischen geringer Welligkeit im Drehmomentverhalten und noch moderatem Montageaufwand bei kompakter Bauweise mit konzentrierter Wicklung.
Wie 4 zeigt, kann vorteilhafterweise die sternlose Wicklung 9 an einen Wechselrichter 17 mit Vollbrücken, insbesondere in Form von H-Brücken, angebunden werden. Ein solcher Wechselrichter mit Vollbrücken erlaubt eine unabhängige Bestromung der einzelnen Phasen, um die Bestromung beispielsweise im Fehlerfall anpassen oder je nach Lastbereich oder Position des Rotors optimal steuern zu können. Insbesondere erlaubt es ein solcher Wechselrichter mit Vollbrücken auch, die einzelnen Phasen mit variablem Zeitversatz anzusteuern bzw. zu bestromen.
Im Vergleich zu der sternlosen Vielphasenwicklung der 4 zeigt 5 eine an sich herkömmliche Dreiphasenwicklung mit Sternpunkt.

Claims

Elektrische Mehrphasenmaschine mit einer Statoranordnung (2) umfassend eine statorseitige Wicklung (9), und mit einem relativ dazu drehbar gelagerten Rotor (5), der einen die Statoranordnung (2) außenumfangsseitig umgebenden Außenläufer bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die statorseitige Wicklung (9) mehr als vier Phasen aufweist und sternlos ausgebildet ist.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die statorseitige Wicklung (9) neunphasig sternlos ausgebildet ist.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wicklungsspulen (12) der Wicklung (9) des Stators (3, 4) konzentriert gewickelt sind.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wicklungsphasen der statorseitigen Wicklung (9) an eine Ansteuerschaltung zum phasenindividuellen, variablen Bestromen der einzelnen Phasen angebunden sind.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die genannte Ansteuerschaltung einen Wechselrichter (17) mit Vollbrücken, insbesondere in Form von H-Brücken (18), zum Bestromen der einzelnen Phasen mit variablem Zeitversatz aufweist.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Flüssig-Kühl-Vorrichtung (10) für die statorseitige Wicklung (9) vorgesehen ist, wobei die Wicklung (9) Wicklungsspulen (12) aufweist, die in Statornuten (13) aufgenommen sind, die jeweils als Kühlmittelkanal ausgebildet sind, und ein durch die Statornuten (13) fließendes Kühlmittel in den Statornuten den Wicklungsdraht (11) umspült.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Wicklungsspulen (12) unvergossen ausgebildet sind und von Kühlflüssigkeit durchspülbare Kühlspalten (14) zwischen benachbarten Abschnitten des Wicklungsdrahts (11) einer Spule vorgesehen sind.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stator (3, 4), insbesondere dessen mit Kühlflüssigkeit durchspülten Statornuten (13), durch ein Dichtungsrohr (19), das zwischen Stator (3, 4) und Rotor (5) angeordnet ist und den Stator (3, 4) außenumfangsseitig umschließt, gegenüber dem Rotor (5) abgedichtet ist.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wicklungsdraht (11) der Wicklungsspulen (12) einen trapezförmigen oder dreieckigen Querschnitt besitzt.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wicklungsspulen (12) einlagig gewickelt sind.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wicklungsdraht (11) der Wicklungsspulen (12) elektrisch isolierend beschichtet ist.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Wicklungsdraht (11) mit einer Beschichtung aus einem Hochtemperaturresistenten Thermoplast, insbesondere mit einer PEEK-Beschichtung, versehen ist.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Statornuten (13) des zumindest einen Stators (3, 4) an einer axialen Stirnseite des Stators (3, 4) mit einem an der genannten Statorstirnseite vorgesehenen Ringraum zum Zuführen der Kühlflüssigkeit strömungsverbunden sind und/oder an einer gegenüberliegenden Stirnseite des Stators (3, 4) mit einem dort vorgesehenen Sammelauslauf (16) strömungsverbunden sind.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlflüssigkeit in axial gegenläufigen Richtungen zunächst von der Kaltseite des Kühlkreises her parallel durch die Statornuten (13) für die Wicklungsspulen (12) von einer Stirnseite zur gegenüberliegenden Stirnseite des Stators hindurchgeführt ist und sodann die von den Wicklungsspulen (12) aufgeheizte Kühlflüssigkeit in axial entgegengesetzter Richtung durch den Stator hindurch zurück zur Zuströmseite geführt wird.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Statornuten (13) zueinander parallelgeschaltet an einen Einlassverteiler zur Zuführung von Kühlflüssigkeit angebunden sind und parallel von der Kühlflüssigkeit durchströmbar sind.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Statoranordnung (2) zwei Statoren (3, 4) umfasst, die außenseitig von dem gemeinsamen Rotor (5) umgeben sind, wobei der Rotor (5) zwischen den beiden Statoren (3, 4) mittels einer Abstützung (6) auf einer innenliegenden, von den Statoren (3, 4) umgebenen Maschinenwelle (7) oder -achse abestützt ist.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch rückbezogen auf Anspruch 6, wobei die zwei Statoren (3, 4) in einem Kühlkreis parallelgeschaltet angeordnet sind oder an zwei separate Kühlkreise angebunden sind.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der beiden vorhergehenden Anspruch, wobei die zwei Statoren (3, 4) im Wesentlichen gleichlang ausgebildet und symmetrisch zum gemeinsamen Rotor (5) und dessen zentralen Abstützung (6) ausgebildet sind, wobei der Rotor (5) durch die Abstützung (6) mittig abgestützt ist und bezüglich der Abstützung symmetrisch ausgebildet ist.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der als Außenläufer ausgebildete Rotor (5) durch eine Fest-Los-Lagerung an zwei voneinander beabstandeten Lagerpunkten abgestützt ist.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (5) kippfest und drehfest an der innenliegenden Maschinenwelle (7) oder -achse befestigt ist, die ihrerseits an gegenüberliegenden Endabschnitten oder Stirnseiten, insbesondere im Bereich der gegenüberliegenden Stirnseiten der Statoranordnung (2) und/oder gegenüberliegenden Gehäuseseiten, drehbar gelagert ist.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die genannte Motorwelle (7) durch zumindest zwei Wälzlager drehbar gelagert ist, die zusammen eine Fest-Los-Lagerung bilden.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der als Außenläufer ausgebildete Rotor (5) eine axiale Länge besitzt, die größer ist als ein Durchmesser des Außenläufers.
Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an den beiden Statoren (3, 4) jeweils eine mehrphasige Wicklung (9) und an dem gemeinsamen Rotor (5) Permanentmagnete (8) vorgesehen sind.
Bau- und/oder Flurfördermaschine wie Bagger, Raupe oder Dump Truck, oder Hebezeug wie Kran oder landwirtschaftliche Arbeitsmaschine, mit einer elektrischen Mehrphasenmaschine (1), die gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Bau- und/oder Flurfördermaschine oder Hebezeug gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die elektrische Mehrphasenmaschine (1) den Antriebsmotor eines Fahrantriebs oder eines Hauptfunktionsaggregats bildet.