DE19511434C2

DE19511434C2 - Elektrische Maschine mit reduziertem Rastmoment

Info

Publication number: DE19511434C2
Application number: DE1995111434
Authority: DE
Inventors: Thomas Strothmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-03-29
Filing date: 1995-03-29
Publication date: 2002-01-17
Anticipated expiration: 2015-03-30
Also published as: DE19511434A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit reduziertem Rastmoment.

Es ist üblich, elektrische Maschinen mit Fremd- oder Permanenterregung so auszuführen, daß das Erregerfeld in Bewegungsrichtung eine Reihe einzeln voneinander getrennter Pole, pro magnetischer Periode einen magnetischen Nord- und Südpol, aufweist. Die Anzahl der Hauptfeldpole ist dabei innerhalb einer magnetischen Periode meist ganz, d. h. unter jedem Erregerpolpaar befindet sich eine vollständige, jeweils identische Hauptfeldpolanordnung, die dann für sich als kleine, abgeschlossene Einheit angesehen werden kann.

Die Probleme an diesen Maschinen sind, daß durch die notwendigen, zumindest durch Streufluß ohnehin in magnetischer Hinsicht entstehenden Lücken zwischen den Erregerpolen, z. B. Magneten, während der Bewegung gegenüber dem Hauptfeld eine nichtlineare Variation der durch das Erregerfeld verursachten, an den Polen ansetzenden Kräfte entsteht, da letztere von der Summe der zwischen den Polen herrschenden Feldbeträge abhängig sind. Über die Bewegung des Läufers werden diese radialen Variationen dann auch in tangentiale Anteile und damit parasitäres Eigenrastverhalten in Form von z. B. Selbsthaltemoment (auch Rastmoment oder Cogging genannt) umgesetzt, welches besonders auffällig im langsamen Leerlauf wird. Durch die stets gleichen Verhältnisse innerhalb der einzelnen magnetischen Perioden addieren sich die beschriebenen Effekte über die Gesamtlänge der Maschine. Unruhiger Lauf, u. U. die Notwendigkeit von Mindestdrehzahlen, Geräuschentwicklung, Vibrationen etc. sind die Folge.

Durch die Restriktion der Formgebung von Hauptfeld- und Erregerpolen auf enge Vorgaben ist die Reduzierung des Eigenrastverhaltens nur möglich mit Hilfe von Pol- oder Blechpaketschränkungen, Vergrößerungen des Luftspalts oder speziellen Polkopfformen, die hingegen auch die übrigen Betriebsparameter negativ beeinflussen. Da die Betriebsparameter sich untereinander gegenseitig beeinflussen, ist ein ungünstiger Kompromiß bei der Auslegung der Maschine die Folge.

Eine mögliche Lösung wird in DE 195 07 490 A1 beschrieben, diese ist jedoch aufgrund spezieller Ausformungen z. B. der Permanentmagnete nur für große Stückzahlen geeignet.

DE 41 33 723 A1 verringert das Rastmoment durch eine Störung der Äquidistanz der Erregerpole. Die so erreichte Reduktion des Gesamtrastmoments ist nur in kleinem Maße möglich, weil die Einschränkungen der übrigen Betriebsparameter erheblich sind. Auch die gebräuchliche Ausnutzung der Erregerpole für eine Rotorpositionserkennung ist mit dieser Maschine aufgrund der Versätze keinesfalls möglich.

EP 291219 A2 zeigt einen anderen Ansatz, wobei die Anzahl der Hauptfeldpole und die Anzahl der Erregerpole um 1 voneinander abweicht. Ein bestimmtes, in Sektoren aufgeteiltes Wicklungsschema ist zur annähernd phasenrichtigen Speisung der Hauptfeldpole vorgesehen. Die magnetischen Verhältnisse sind, auf den gesamten Umfang der Maschine bezogen, jedoch ungünstig, desweiteren zeigt sich diese Maschine gegenüber mechanischen Toleranzen empfindlich, z. B. bedingt durch die Betonung des Rastmomentes einer Hälfte, die aus einfachen Exzentrizitäten oder Verformungen resultieren kann. Diese Maschine weist daher dennoch ein insgesamt deutliches Rastmoment auf.

Die Notwendigkeit der korrekten Ansteuerung der einzelnen Hauptfeldpole läßt sich auch aus EP 0094978 A1 entnehmen. Hier sind elektronische Schalteinrichtungen vorgeschlagen, die für die korrekte Kommutierung jedes einzelnen Hauptfeldpols sorgen sollen. In der Praxis verbietet sich diese Vorgehensweise aufgrund von Kosten und Aufwand.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln und ansonsten konventionellem Aufbau die oben genannten Nachteile zu vermeiden, und völlige Freiheit hinsichtlich der Maschinengeometrie wie Auslegung von Stator und Rotor zu ermöglichen, und zwar ohne Beeinträchtigung der übrigen Maschineneigenschaften wie Drehmoment, Wirkungsgrad etc..

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Merkmale gelöst.

Einer Anzahl von 3n Hauptfeldpolen wird eine Anzahl von 2n ± 2 Erregerfeldpolen beigeordnet, und die hieraus resultierenden physikalischen Phasenversätze der einzelnen Hauptfeldpole werden durch eine geeignete elektrische Verschaltung der darauf befindlichen Wicklungen berücksichtigt. Die geeignete Verschaltung wird gefunden, indem zum Versatz eines Hauptfeldpols die jeweils passendste Phase, d. h. mit der geringsten Phasenabweichung ausgewählt wird; bei der endgültigen Bewicklung ist lediglich darauf zu achten, daß selbst nur geringfügig elektrisch in der Phase versetzte Wicklungen nicht parallel, sondern mit Hilfe von Anspruch 4 in Reihe geschaltet werden, da sonst erhebliche Ausgleichsströme fließen würden.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht in der Reduzierung des Rastmoments der Maschine ohne nennenswerte Beeinträchtigung der übrigen Betriebsdaten. Bei der Konstruktion derselben kann vollständig auf Standardmaterialien zurückgegriffen werden.

Die besondere Anordnung bewirkt eine starke Reduktion des Eigenrastverhaltens durch "Verwischen" der oben beschriebenen Selbsthalteeffekte aller beteiligten Hauptfeldpole. Patentanspruch 2 macht von der vorteilhaften Möglichkeit Gebrauch, mittels Verpolung einzelner Phasen der dreiphasigen Stromquelle, d. h. durch 180°-Phasendrehungen, die Phasenanzahl zu erhöhen. Beispielsweise wird durch Verpolung der 120°-Phase die zusätzliche 120° + 180° = 300° Phase erzeugt. Dadurch reduziert sich der Bereich der möglichen Phasenfehler auf 60° bzw. ±30°, und es stehen insgesamt sechs Phasen zur Verfügung. In einer Sternschaltung sind die einzelnen Wicklungen einseitig am Sternpunkt verbunden, der allgemein auch den (virtuellen) Nullpunkt bildet. Die an die Wicklung angelegter Spannungen sind daher identisch zu den drei Phasenspannungen mit den Phasenlagen 0°, 120° und 240°. Mit der erwähnten Verpolungsmethode sind so sechs Phasen darstellbar mit den Phasenlagen 0°, 60°, 120°, 180°, 240° und 300°. In ähnlicher Weise ermöglicht Patentanspruch 3 durch gemeinsame Verwendung von Stern- und Dreieckwicklungen die Verwendung von insgesamt 12 Phasen: gemäß Anspruch 2 bieten sowohl Stern- als auch Dreiecksystem jeweils 6 Phasen. In der Dreieckschaltung ist die Wicklungsspannung die verkettete Strangspannung, d. h. die Differenzspannung zweier Phasen. Dadurch entsteht neben einer betragsmäßig größeren Wicklungsspannung aber auch ein Phasenversatz von 30° zum Sternsystem. Zusammen mit der obigen Sternschaltung können daher insgesamt zwölf Phasen erzeugt werden, d. h. der maximale Winkelfehler bei Verwendung dieses Systems reduziert sich auf 30° bzw. ±15° elektrisch.

Anspruch 4 zeigt die Möglichkeit auf, Hauptfeldpole mit annähernd gleicher Phasenlage, d. h. geringfügigen Abweichungen innerhalb eines Phasenstrangs, in Reihe zu schalten. Auf diese Weise wird auch der gewünschte sinusförmige Verlauf der EMK betont:
Sind innerhalb der jeweiligen Phasen mehrere dieser elektrisch zueinander versetzten Wicklungen beteiligt, so führt dies zu einer wünschenswerten Betonung der Sinus- Grundwelle der Summen-Phasenspannungen. Diese durch die Reihenschaltung der einzelnen Phasenverschiebungen beschriebene Mittelung schwächt die Oberwellenanteile der Summenspannung dagegen ab, gegenüber nicht auf die beschriebene Weise versetzten Polanordnungen.

Eine Parallelschaltung ist nur dann sinnvoll, wenn die jeweiligen Pole exakt gleiche Verhältnisse, d. h. identische Phasen und gleiche Windungszahlen aufweisen, da sonst erhebliche Ausgleichsströme fließen würden.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind aus den Zeichnungen ersichtlich und werden im folgenden beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 Polanordnung einer Dreiphasen-Linearmaschine zum Vergleich

Fig. 2 Beispielhafte Ausführung der Maschine nach Patentanspruch 1

Tab. 3 Zu Fig. 2 gehörige Phasenbelegungen

Fig. 1 zeigt zum Vergleich eine dreiphasige Maschine aus P 19507489.0, die einen hohen Wirkungsgrad aufgrund einer kompakten Einzelpolbewicklung aufweist, ansonsten aber konventionell ausgeführt ist. Zur Verdeutlichung wurde die Maschine als Linearmaschine bzw. "abgerollte" Rotationsmaschine dargestellt. Für die dargestellte Statorlänge wurden neun Erregerpolpaare in Form von 18 Polen/Permanentmagneten eingesetzt, denen insgesamt 27 Hauptfeldpole gegenüberstehen. In dieser Ausführung bilden jeweils drei Hauptfeldpole ein vollständiges Dreiphasensystem, so daß die Anzahl dieser Dreiphasensysteme zur Anzahl der Erregerpolpaare identisch ist.

Aus Fig. 2 als eine beispielhafte Ausführung der Erfindung läßt sich entnehmen, daß die Anzahl der Läuferpole nicht wie beschrieben zur Anzahl der Hauptfeldpole "paßt". Im vorliegenden Fall wurde n = 9 gewählt, dies führt gemäß dem Hauptanspruch zu 3n = 27 Hauptfeldpolen und 2n ± 2 = 16 oder 20 Erregerpolen. Den 27 Hauptfeldpolen stehen im vorliegenden Beispiel 20 Erregerpole gegenüber. Dies bedeutet, daß einem Erregerpolpaar nunmehr die nicht ganze Zahl von 2.7 Hauptfeldpolen zugewiesen wird. Anders betrachtet, ist jeder Hauptfeldpol gegenüber dem vorherigen physikalisch um ein geringes Maß phasenversetzt. Nach einer gewissen Länge wird ein ganzer Erregerpolversatz erreicht. Innerhalb eines so gebildeten Bereichs werden die Selbsthalteeffekte durch Mittelwertbildung der einzelnen, verschobenen Kraftverläufe der Pole nahezu vollständig beseitigt.

Die Verschiebung führt jedoch auch im Flußverlauf und somit über dessen Ableitung auch im Spannungsverlauf in der darauf befindlichen Wicklung zu einem Versatz. Ab einer bestimmten Grenze muß dieser Versatz daher durch eine veränderte Verschaltung mit Hilfe des Hauptanspruchs berücksichtigt werden.

Im einfachsten Falle würde im Dreiphasensystem zur nächsten Phase übergegangen werden, d. h. ein 120° Sprung eingeführt werden; aufgrund der hohen Verluste durch die großen maximalen Abweichungen von elektrisch ±60° ist diese Verfahrensweise jedoch nicht empfehlenswert.

In Fig. 2 ist eine Lösung nach Patentanspruch 2 ersichtlich, die alle sechs zur Verfügung stehenden Phasenlagen ausnutzt. Die einzelnen Phasenbelegungen mit den in Fig. 2 sichtbaren Abweichungen sind auch in der Tabelle 1 zusammengefaßt.

Weitere Reduzierungen dieses Fehlwinkels sind möglich, indem die Maschine mit Hilfe von Patentanspruch 3 mit einer kombinierten Stern/Dreieckbewicklung versehen wird. Die benannten Effekte treten bei hochpoligen Maschinen besonders vorteilhaft in Erscheinung, da hier feinere Polversätze das Eigenrastverhalten stärker reduzieren und mehr Pole an den Phasenspannungen beteiligt sind.

Geeignet für die vorgeschlagene Lösung sind z. B. langsamlaufende Maschinen, Maschinen mit großem Rotordurchmesser, wie Fahrmotoren, Servos u. a.

Tabelle 1

6 Phasen, 27 Statorpole, 10 Rotorpolpaare bzw. 20 Rotorpole Darstellung stationärer Zustand, Statorpol 1 = 0° = Referenzphase R Alle Winkel in Grad

Claims

1. Hochpolige dreiphasige elektrische Maschine mit reduziertem Rastmoment und Fremd-, vorzugsweise Permanenterregung, bei welcher Erreger- und Hauptfeldpole jeweils gleichmäßig am Umfang verteilt sind und jedem Erregerpolpaar eine nicht ganze Zahl von Hauptfeldpolen beigeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei 3n Hauptfeldpolen 2n ± 2 Erregerpole vorgesehen sind, wobei n < 3 ist, und daß die Speisung der Hauptfeldpole mit möglichst geringem Phasenfehler erfolgt.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung der Hauptfeldpolwicklung aus der 3-phasigen Stromquelle 6-phasig erfolgt.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung der Hauptfeldpolwicklung durch in Stern- und Dreieck geschaltete Wicklungsteile 12-phasig erfolgt.

4. Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen von Hauptfeldpolen mit annähernd gleicher Phasenlage in Reihe geschaltet sind.

5. Elektrische Linearmaschine mit Anspruch 1 entsprechender Polanordnung.