DE102022106997A1 - Electric multiphase machine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Mehrphasenmaschine mit einer Statoranordnung und einem relativ dazu drehbar gelagerten Rotor, der einen die Statoranordnung außenumfangsseitig umgebenden Außenläufer bildet, wobei die Statoranordnung zwei Statoren umfasst, die außenseitig von dem gemeinsamen Rotor umgeben sind, wobei der Rotor zwischen den beiden Statoren mittels einer Abstützung auf einer innenliegenden, von den Statoren umgebenen Maschinenwelle oder -achse abgestützt ist.The present invention relates to an electric multi-phase machine with a stator arrangement and a rotor which is rotatably mounted relative thereto and which forms an external rotor which surrounds the stator arrangement on the outside circumference, the stator arrangement comprising two stators which are surrounded on the outside by the common rotor, the rotor between the two stators is supported by means of a support on an internal machine shaft or axis surrounded by the stators.
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.The present invention relates to an electric multi-phase machine with a stator arrangement and a rotor which is mounted such that it can rotate relative thereto and which forms an external rotor which encloses the stator arrangement on the outside.
Große Baumaschinen wie Bagger, Raupen oder Krane, sowie Fördermaschinen wie Gabelstapler, Dump Trucks, sowie generell Hebezeuge für schwere Lasten oder 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.Large construction machines such as excavators, caterpillars or cranes, as well as conveyor machines such as forklifts, dump trucks, and generally hoists for heavy loads or agricultural machines and attachments often rely on hydraulic concepts with regard to the drive technology, since high power densities are required in order to provide the appropriate performance with a reasonable size, which hydrostats are known to do well. The pumps of the hydraulic drives are regularly driven by internal combustion engines, for example in the form of large diesel units.
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.In order to be able to work at least locally emission-free, electric drive concepts have recently also been used in such energy-intensive large machines, with multi-phase machines being used regularly due to the desired high power densities. For example, this can be permanently magnet excited synchronous machines, which are considered to be the most power-dense design of electrical machines. The achievable power density depends largely on the current density, which in turn requires sufficient cooling to allow higher current densities.
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 großen 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.The electric machines not only have to achieve high power densities, but also provide high drive torques in order to be able to replace hydraulic drive concepts. External rotor machines are particularly suitable for high torques, as they can regularly provide a higher torque than internal rotor machines with the same external dimensions. However, the rotor running on the outside poses particular challenges in terms of size. In particular, slim, elongated designs can hardly be realized. External rotors are usually designed as disc rotors with short iron bars and large diameters in order to be able to control the then lower tilting moments with a one-sided, offset bearing. However, such disc rotors with short iron lengths and short diameters can only be accommodated with difficulty in construction machinery, conveyor vehicles or hoists, since the installation spaces there are limited.
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 zu einem Innenläufer vergleichbare Einbaufreundlichkeit mit schlanker Baugröße erreicht werden, die gleichwohl hohe Drehmomente und hohe Leistungsdichten bereitstellen kann.Proceeding from this, the present invention is based on the object of creating an improved electric multiphase machine which avoids the disadvantages of the prior art and develops the latter in an advantageous manner. In particular, an ease of installation that is comparable to that of an internal rotor with a slim overall size is to be achieved, which can nevertheless provide high torques and high power densities.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch eine elektrische Mehrphasenmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention, the stated object is achieved by an electric multi-phase machine according to
Es wird also 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.It is therefore proposed to subdivide the stator arrangement into a plurality of stators and to provide a rotor which is common thereto and which can be supported between the stated stators due to the subdivision of the stators. As a result, a bearing that is better balanced and less sensitive to tilting loads can be achieved, which allows much longer rotor designs compared to a one-sided, offset bearing.
Erfindungsgemäß 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 größere 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.According to the invention, the stator arrangement comprises two stators, which are surrounded on the outer circumference by the common rotor, the rotor being supported between the two stators on an internal motor shaft or axis surrounded by the stators. Due to the central support of the rotor, much larger rotor lengths can be controlled with regard to the bearing forces than is the case with disc rotors with one-sided, offset bearing, so that overall significantly slimmer, elongated designs can be realized, while nevertheless high torques can be achieved at the same time. The proposed arrangement thus combines the ease of installation and form of an internal rotor with the higher torque density of an external rotor.
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.In a further development of the invention, the two stators are of at least essentially the same length and are arranged symmetrically to the common rotor, with the rotor extending over both stators being able to be supported centrally and thus in a balanced manner. Said rotor can protrude equally on both sides, viewed from the bearing point, or be embodied symmetrically with respect to the central bearing point. Irrespective of this, the two stators mentioned can form a symmetrical arrangement with respect to the central support point of the rotor.
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.By dividing the stators symmetrically, the active iron length per stator can be halved compared to a single stator, which also allows the overall cooling of the stator arrangement to be improved.
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.In a development of the invention, liquid cooling can be provided for the stators, with the two stators being able to be cooled in particular in parallel in order to improve the cooling effect.
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.The two stators can be arranged in parallel in a coolant circuit, so that both stators can be equally charged with coolant that is still cool and one stator does not receive the coolant that has already been heated by the other stator, as is the case with serial coolant arrangements or with a single, continuous and long stator.
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. Vorteilhafterweise ist jedoch ein gemeinsamer Kühlkreis für alle Statoren vorgesehen, in dem auch der Wechselrichter angeordnet sein kann.As an alternative to a parallel connection of the two stators in a common cooling circuit, two separate cooling circuits can also be provided for the two stators, in order to be able to charge the two stators equally with cool coolant. Advantageously, however, a common cooling circuit is provided for all stators, in which the inverter can also be arranged.
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.Due to the shorter iron length of the stators as a result of the division of the stator arrangement into at least two stators, a significantly improved cooling effect can be achieved through the parallel coolant supply, which in turn enables higher current densities in order to achieve high power densities.
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.In a further development of the invention, the multiphase machine can be a permanent magnet excited machine, for example in the form of a permanent magnet excited synchronous machine. In particular, the stators can be provided with a multi-phase winding, while the rotor is provided with permanent magnets. Furthermore, the polyphase machine can also be a reluctance machine.
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.At least two permanent magnets or two fields of permanent magnets can be provided on the rotor, which are arranged on both sides of the central support of the rotor, in particular on both sides of a central or central bearing flange of the rotor, with which the rotor is supported between the stators on the internal motor shaft or axis.
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.The support or bearing of the rotor can fundamentally be designed differently, for example, it can comprise two angular bearings set against one another, for example in the form of tapered roller bearings. In a further development of the invention, the rotor can also be supported at two points by a simple fixed/loose bearing, with the loose bearing essentially only absorbing radial forces and the fixed bearing being able to absorb radial and axial forces.
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.Depending on the connection of the rotor to the output shaft - or in the case of a generator to the input shaft - the bearing can be designed differently. For example, the rotor can be connected to the inner motor shaft in a rotationally fixed manner via the central support, preferably axially fixed and tilt-resistant, for example clamped axially via a profiled shaft connection or on a toothing.
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.Regardless of the specific drive connection of the rotor, the internal motor shaft or axis can be mounted on opposite end sections or opposite housing sections, for example by means of the aforementioned fixed-loose mounting. For example, the bearing of the motor shaft or axis can be provided in the area of the opposite axial end faces of the stator arrangement. As a result, stable support can be achieved through the correspondingly large bearing spacing.
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.In order to achieve a high power density with a compact, slim design, the rotor can have an axial length that is greater than an outer diameter of the rotor. For example, the axial length of the rotor can be in the range of 125% to 500% or 125% to 200% of the rotor diameter.
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.The two stators can together have an axial length which is in the range of the axial length of the rotor, but can be a little smaller or a little larger in comparison. For example, the sum of the two stators, each measured as their iron length, can be 75% to 100% of the total axial length of the rotor. In particular, the total iron length of the two stators can correspond approximately to the sum of the axial lengths of the two arrays of permanent magnets attached to the rotor.
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.Advantageously, the proposed structure of the multiphase machine can create a machine series in which the machines or machine models can basically have the same structure, but the number of phases can vary depending on the size.
Dabei kann auch die Kombination von Phasen und Polzahl je nach Anwendungszweck angepasst und variiert werden. Hierdurch wird ein Baukastensystem erzielt.The combination of phases and number of poles can also be adjusted and varied depending on the application. This achieves a modular system.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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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 aus1 , 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 zur4 mit einem Sternpunkt ausgeführt ist.
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1 : a longitudinal section through an electric multi-phase external rotor machine with two symmetrically arranged stators without a star point under a common rotor and a directly cooled winding on the stators according to an advantageous embodiment of the invention, -
2 : a fragmentary longitudinal section through one of the stators of themulti-phase machine 1 , showing coolant flow through the stator, -
3 : a cross-sectional view of a winding groove and the winding made of trapezoidal winding wire accommodated therein to improve coolant circulation, -
4 : an equivalent circuit diagram of a starless multiphase winding and the connected inverter with full bridges according to an advantageous embodiment of the invention, and -
5 : an equivalent circuit diagram of a three-phase winding compared to4 is executed with a star point.
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.As the figures show, the
Eine solche Außenläufermaschine kann für hohe Drehmomente konzipiert werden und eine hohe Leistungsdichte besitzen, um große Baumaschinen, Förderfahrzeuge bzw. -maschinen oder Hebezeuge wie Krane oder landwirtschaftliche Fahrzeuge sowie Anbaugeräte 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.Such an external rotor machine can be designed for high torques and have a high power density in order to drive large construction machines, conveyor vehicles or machines or hoists such as cranes or agricultural vehicles and attachments. In this case, the external rotor machine can serve as a traction drive or drive a main functional unit of the respective machine, for example the hoist of a crane. For example, the multi-phase machine can be designed for continuous outputs of several hundred kW, for example 200-500 kW, in order to be able to replace hydrostats or hydrostatic drive arrangements.
Wie
Die beiden Statoren 3, 4 sind dabei außenumfangsseitig von einem gemeinsamen Rotor 5 umgeben, der mit beiden Statoren zusammenwirkt.The two
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.Advantageously, the
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.By dividing the
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.The
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.Said shaft can be supported on opposite end sections and/or on opposite front-side housing sections, for example adjacent to the front-side ends of the
Die genannte Welle 7 erstreckt sich dabei im Inneren der Statoranordnung 2 koaxial hierzu.
Wie
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.
Die Permanentmagnete 8 können jeweils eine axiale Länge besitzen, die im Wesentlichen der axialen Eisenlänge des zugehörigen Stators 3, 4 entsprechen kann.The
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.In particular, the
Wie
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.Said rotor length, i.e. the extension of the
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.Advantageously, liquid cooling 10 is provided for the
Wie
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.For this purpose, the winding
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.In order to increase the heat transfer surface of the winding
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.In order to increase the cooling effect in a targeted manner, the winding
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.Advantageously, the winding wire can have a trapezoidal cross section, so that when the stator sheet metal teeth are wound, sufficiently
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.Said winding
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.In order to cool the multi-layer winding 9 of the
Um die genannten Statornuten 13 gleichmäßig zu kühlen, kann stromauf 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.In order to cool the mentioned
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.On the outlet side, the
Wie
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.In order to seal the
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. Here, for example, a carbon fiber tube or a similar plastic tube, for example a GRP tube or a thermoplastic tube made of sufficiently temperature-resistant thermoplastic can be used as the sealing tube. Alternatively or additionally, a sleeve made of stainless steel or another non-magnetic material or mixture of materials can also be used as the sealing tube.
Die Statorwicklung 9 kann, wie
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.The number of phases is preferably odd in order to obtain a maximum winding factor, five phases or seven phases or nine phases or more advantageously being able to be provided.
Die Anzahl der Pole kann dabei größer oder kleiner als die Anzahl der Phasen sein.The number of poles can be larger or smaller than the number of phases.
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.Irrespective of this, operation optimization can be achieved through intelligent, individual current supply of the individual phases depending on the load range and position of the rotor. For example, the average copper temperature or wire temperature can be reduced for certain load ranges by adjusting the current supply.
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 elf Phasen oder dreizehn 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.In principle, the torque ripple can also be reduced significantly, in particular by more than 50%, by means of a multi-phase winding without a star point, for example in the form of the nine-phase winding mentioned without a star point. Machines with concentrated winding tend to have a relatively high ripple in the torque curve. However, due to the proposed high number of phases, the frequency of the torque ripple increases, while at the same time its amplitude decreases. In principle, more than nine winding phases can also be considered, for example eleven phases or thirteen phases or else fifteen phases. However, a winding with nine phases is a good compromise between low ripple in the torque behavior and still moderate assembly effort with a compact design with concentrated winding.
Wie
Im Vergleich zu der sternlosen Vielphasenwicklung der
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Lagerungskonzepte. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 25. Juli 2021, 00:15 UTC. URL: http://de.wikipedia.org/w/index.php [abgerufen am 05.12.2022] |
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