DE19856647A1

DE19856647A1 - Elektrischer Hochmomentmotor

Info

Publication number: DE19856647A1
Application number: DE1998156647
Authority: DE
Inventors: Wolf-Ruediger Canders; Falk Laube; Helmut Mosebach
Original assignee: CANDERS WOLF R
Current assignee: CANDERS WOLF R
Priority date: 1998-12-09
Filing date: 1998-12-09
Publication date: 2000-06-21
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: DE19856647B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Hochmomentmotor, der als hochpolige dauermagneterregte elektrische Maschine aufgebaut ist und einen hohlzylindrischen Läufer aus Weicheisen aufweist, der beidseitig mit Permanentmagneten belegt ist und koaxial zwischen einem äußeren Stator und einem inneren Stator angeordnet und mit einer im Maschinengehäuse gelagerten Welle drehfest verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Hochmomentmotor.

Hochmomentantriebe werden als Direktantriebe für Antriebsaufga ben eingesetzt, bei denen genaue Positionierung, schnelle Be schleunigung rotierender Massen oder steife Regelungen mit hoch überlastbaren Antrieben gefordert werden. Den drei Aufgabenfel dern entsprechen unterschiedliche Forderungen an die Eigenschaf ten des Antriebes: So werden für Positionierantriebe eine genaue Stellung der Winkellage bei vergleichsweise kleinen Drehzahlen < 100 l/min und hohen Stellmomenten gefordert. Beschleunigungs antriebe sollen dagegen kleine träge Massen haben und so in kur zer Zeit auf Drehzahlen < 100 l/min beschleunigen. Antriebe für steife Regelungen sollen dagegen als hoch überlastbarer Antrieb eine Nenndrehzahl < 100 l/min gegen Störmomente konstant halten, wobei häufig ein pendelmomentenfreier Betrieb gefordert wird.

Weitere Forderungen für alle Aufgabenfelder sind eine hohe Aus nutzung des Antriebes und damit kleine Abmessungen und geringe Masse. Zusätzlich ist für diese Anwendungen ein hoher relativer Kurzschlußstrom I_k/I_N zu fordern, um sowohl eine ausreichend hohe Dynamik als auch den Aufwand für den Umrichter für die Beherr schung der Überlastmomente möglichst klein zu halten. Die zur Zeit verfügbaren Hochmomentantriebe weisen entweder zu kleine Drehzahlen bei Überlast oder zu große Masse und Bauvolumen auf. Auch der Blindleistungsbedarf der vorzugsweise im Ankerstellbe reich betriebenen Maschinen und damit die Baugröße des erforder lichen Umrichters muß in vielen Fällen als unbefriedigend ange sehen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hochmomentmotor zu schaffen, der sich durch kleine Reaktanz bzw. hohen Kurz schlußstrom und somit geringen Blindleistungsbedarf für den speisenden Wechselrichter, geringes Massenträgheitsmoment, klei ne Abmessungen und hohe Ausnutzung des magnetischen Kreises aus zeichnet und der durch unterschiedliche Ausgestaltung seiner Merkmale sowohl für Positionieraufgaben als auch für dynamische Momentenregelaufgaben eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen Hochmomentmotor mit folgenden Merkmalen gelöst:

a) er ist aufgebaut als hochpolige dauermagneterregte elektri sche Maschine;
b) er weist einen hohlzylindrischen Läufer auf;
c) der Läufer besteht aus einen magnetischen Rückfluß bilden den Weicheisen;
d) die innere und die äußere Mantelfläche des Läufers sind mit Läuferpole bildenden Permanentmagneten belegt;
e) der Läufer ist koaxial zwischen einem äußeren Stator und einem inneren Stator angeordnet;
f) der Läufer ist an seinem einen axialen Ende über ein Bau teil mit einer im Maschinengehäuse gelagerten Welle dreh fest verbunden und mit seinem anderen axialen Ende im Ma schinengehäuse gelagert.

Verwendet wird somit die elektromagnetische Topologie der poly phasigen permanentmagneterregten Synchronmaschine oder der per manentmagneterregten Drehstrom-Synchronmaschine, wobei die Dau ermagnete direkt am Luftspalt der Maschine angeordnet sind (Flachmagnetbauweise). Die Topologie der polyphasigen permanent erregten Synchronmaschine ist dadurch gekennzeichnet, daß einer bestimmten Zahl von Dauermagnet-Läuferpolen wechselnder Polari tät eine gleiche, vorzugsweise aber abweichende Zahl diskret ausgebildeter Statorpole mit jeweils einer auf diesen gewickel ten Polspule gegenübersteht. Jeder Pol könnte nun individuell und von der Winkellage des Läufers gesteuert mit Wechselstrom gespeist werden, so daß ein weitgehend gleichförmiges Drehmoment entsteht (polyphasige permanentmagneterregte Synchronmaschine PPSM). Als vorteilhafte Ausgestaltung dieses Konzeptes wird eine sogenannte dreiphasige Anordnung vorgeschlagen:
Wählt man die Zahl der Ständerpole Z_ps als ganzzahliges Vielfa ches von drei gemäß Z_ps= 3 n und die Zahl der Läuferpole Z_p1 bei gleichem Multiplikator n als ganzzahliges Vielfaches von vier gemäß Z_p1 = 4 n, so können die Ständerpole zu einer dreisträngigen Wicklung verschaltet werden, die vorteilhaft aus einem konven tionellen dreisträngigem Wechselrichter gespeist wird.

Diese Maschinentopologien erlauben eine vergleichsweise hohe Kraftdichte bei geringem Aufwand von aktiver Masse. Gegenüber einem Stator mit Drehstromwicklung weist die polyphasige Anord nung wesentlich kleinere Wickelköpfe und damit eine kürzere Bau länge auf. Im Gegensatz zu anderen hochpoligen Maschinen, die nach dem Rekluktanzkonzept oder Transversalflußkonzept aufgebaut sind, weisen dauermagneterregte Maschinen der PSM oder PPSM Bau weise mit direkt am Luftspalt angeordneten Dauermagneten (Flach magnetbauweise) einen hohen Kurzschlußstrom und somit einen ver gleichsweise kleinen Blindleistungsbedarf auf. Dies bedeutet, daß solche Maschinen auch unter Überlast noch hohe Drehzahlen erreichen können, bevor die Spannungsgrenze des Wechselrichters wirksam wird.

Der Läufer der Maschine wird vorzugsweise als rohrförmiger Läu fer aus Weicheisen ausgebildet, der auf der Innen- und Außensei te mit einer gleichen Anzahl einander radial gegenüberliegender oder zueinander versetzt angeordneter Dauermagnete bestückt wird, deren Polarität gleich oder entgegengesetzt sein kann. Damit wird das Trägheitsmoment des Rotors minimal.

Dem Läufer stehen auf der Innenseite und der Außenseite jeweils ein Stator gegenüber. Dadurch wird eine hohe Volumenausnutzung des verfügbaren Bauraumes erreicht.

Je nach Antriebsaufgabe können die Statorpole der beiden Stato ren oder die Läuferpole auch 90° elektrisch zueinander versetzt angeordnet werden, was die Möglichkeit eröffnet, das Drehmoment zu vergleichmäßigen, wenn die beiden Statoren gleichphasig aus einem Wechselrichter gespeist werden.

Die Anordnung mit 90° zueinander versetzten Polen erlaubt jedoch auch eine Anwendung für Positionieraufgaben hoher Präzision, wenn die beiden Statoren aus zwei unabhängigen Wechselrichtern gleichfrequent, jedoch mit variabler Phasenlage gespeist werden. Je nach Phasenlage der Speisespannungen zueinander bauen die beiden Statoren dann ein gleichsinniges oder ein gegensinniges Drehmoment auf, so daß die Differenz beider Drehmomente das re sultierende Moment bildet, welches nun sehr feinfühlig mit Hilfe von Strommeßstellen regelbar ist. Mit Hilfe einer hochauflösen den Lagemessung des Rotors kann so eine exakte Positionierung des Läufers erreicht werden.

Um hochdynamische Regelaufgaben, z. B. den exakten Gleichlauf zweier Antriebswellen, zu bewältigen, ist bei dem PPSM Doppel stator-Konzept ein weiterer Freiheitsgrad durch eine vorteilhaf te Gestaltung der Statorwicklung gegeben. Eine Aufteilung der Polspulen in je eine Spule mit einer vergleichsweise hohen Win dungszahl, die die Durchflutung für das mittlere Grunddrehmoment bereitstellt und eine weitere, aus einer separaten, regelbaren Spannungsquelle gleicher Frequenz gespeisten Spule mit einer vergleichsweise kleinen Windungszahl, die die Durchflutung für ein Regel-Drehmoment bereitstellt, kann die Dynamik der Momente regelung verbessern.

Dies ist besonders vorteilhaft möglich, wenn die das Grundmoment erzeugenden Spulen innerhalb eines Stranges in Reihe geschaltet werden, die Spulen für das Regelmoment jedoch parallel geschal tet werden. Auf diese Weise wird über die resultierenden unter schiedlich großen Induktivitäten der beiden Spulengruppen eine weitgehende magnetische Entkopplung der beiden Teilwicklungen erreicht, was der Dynamik der Regelung entgegenkommt.

Der Läufer wird vorzugsweise beidseitig im Gehäuse gelagert. Damit ist eine präzise Führung auch von vergleichsweise langen Läufern und die Aufnahme von resultierenden Radialkräften, die durch unvermeidliche Lageexzentrizitäten des Läufers infolge von Fertigungstoleranzen entstehen, möglich.

Die Statoren können durch Einschrumpfen oder Einpressen in das Maschinengehäuse, das vorzugsweise aus Aluminium gefertigt wird, thermisch gut gekoppelt werden. Das Maschinengehäuse kann mit Kühlkanälen für eine Flüssigkeitskühlung ausgerüstet werden, so daß eine effektive Wärmeabführung auch bei hohen Stromdichten und damit hohen Dauermomenten möglich wird. Gleichzeitig gestat tet diese Art der Wärmeabfuhr eine hohe Schutzart der Maschine, beispielsweise IP54 oder gar IP65, ohne die Ausnutzung des elek tromagnetischen Kreises reduzieren zu müssen.

Die Welle der Maschine kann als Hohlwelle oder als Welle mit Zapfen ausgeführt werden.

In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 im Ausschnitt einen Querschnitt durch Stator und Läufer und

Fig. 2 im Längsschnitt die obere Hälfte eines Hochmo mentmotors.

Der Hochmomentmotor gemäß Fig. 2 weist einen hohlzylindrischen Läufer 4 auf, der aus Weicheisen besteht, koaxial zwischen einem äußeren Stator 5a und einem inneren Stator 5b angeordnet ist und an seinem einen axialen Ende über ein glockenförmiges, nichtma gnetisches Bauteil 9 mit einer in einem Maschinengehäuse 6 gela gerten Welle 8 drehfest verbunden ist und mit seinem anderen axialen Ende im Maschinengehäuse 6 über ein Lager 10 gelagert ist.

Die beiden Statoren 5a, 5b sind in das Maschinengehäuse 6 einge preßt, das von einem Kühlmittel durchströmte Kühlkanäle 7 auf weist.

Fig. 1 zeigt die elektromagnetische Topologie einer polyphasi gen permanentmagneterregten Synchronmaschine. Der Läufer 4 weist eine bestimmte Zahl von Dauermagnet-Läuferpolen 1 wechselnder Polarität auf. Diesen Läuferpolen 1 steht eine gleiche, vorzugs weise aber abweichende Zahl diskret ausgebildeter Statorpole 2 mit jeweils einer auf diesen gewickelten Polspule 3 gegenüber. Mit U, V und W ist jeweils ein Strang der Stator-Polspulen 3 bezeichnet.

Claims

1. Elektrischer Hochmomentmotor mit folgenden Merkmalen:

a) er ist aufgebaut als hochpolige dauermagneterregte elektrische Maschine;
b) er weist einen hohlzylindrischen Läufer (4) auf;
c) der Läufer (4) besteht aus einen magnetischen Rückfluß bildenden Weicheisen;
d) die innere und die äußere Mantelfläche des Läufers (4) sind mit Läuferpole (1) bildenden Permanentmagneten belegt;
e) der Läufer (4) ist koaxial zwischen einem äußeren Sta tor (5a) und einem inneren Stator (5b) angeordnet;
f) der Läufer (4) ist an seinem einen axialen Ende über ein Bauteil (9) mit einer im Maschinengehäuse (6) ge lagerten Welle (8) drehfest verbunden und mit seinem anderen axialen Ende im Maschinengehäuse (6) gelagert.

2. Hochmomentmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Permanentmagnete gebildeten Läuferpole (1) auf der inneren und der äußeren Mantelfläche des Läu fers (4) die gleiche Polzahl aufweisen.

3. Hochmomentmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der äußere sowie der innere Stator (5a, 5b) diskret ausgebildete und jeweils mit Spulen (3) bewickelte Pole (2) aufweisen.

4. Hochmomentmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polmittenachsen gleichnamiger Statorpole (2) ein ander gegenüberstehen.

5. Hochmomentmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polmittenachsen gleichnamiger Statorpole (2) um 90° elektrisch gegeneinander verschoben sind.

6. Hochmomentmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der äußere sowie der innere Stator (5a, 5b) jeweils eine in Nuten eingebettete Drehstromwicklung mit der gleichen Polzahl wie der Läufer (4) aufweisen.

7. Hochmomentmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsachsen gleicher Stränge der beiden Stato ren (5a, 5b) einander gegenüberstehen oder um 90° elektrisch gegeneinander verschoben sind.

8. Hochmomentmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polmittenachsen gleichnamiger Läuferpole (1) ein ander gegenüberstehen oder um 90° elektrisch gegeneinander verschoben sind, während die Polmittenachsen gleichnamiger Statorpole (2) bzw. die Wicklungsachsen gleicher Stränge der beiden Statoren (5a, 5b) jeweils miteinander fluchten.

9. Hochmomentmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polzahl jedes Stators (5a, 5b) ein Vielfaches von drei ist, und die Gesamtheit aller Polspulen (3) eines Sta tors (5a, 5b) so auf die Stränge aufgeteilt ist, daß ein an die Wicklung angelegter Drehstrom ein Drehfeld aufbaut, das bei beiden Statoren (5a, 5b) den gleichen Umlaufsinn auf weist.

10. Hochmomentmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Statorpol (2) zwei Pol spulen (3) mit unterschiedlichen Windungszahlen aufweist, wobei die Polspulen (3) mit der jeweils höheren Windungs zahl innerhalb eines Stranges in Reihe, die Polspulen (3) mit der jeweils kleineren Windungszahl als Regelspulen in nerhalb eines Stranges parallel geschaltet sind, und daß beide Spulengruppen eines Stranges gleichphasig aus zwei unabhängigen, in Spannung und Frequenz regelbaren Dreh stromquellen gespeist werden, so daß der Strom in den in Reihe geschalteten Polspulen (3) eines Stranges mit dem Läufer (4) ein stationäres Drehmoment bildet, und der Strom in den parallel geschalteten Polspulen (3) eines Stranges ein dynamisches Regelmoment überlagert.

11. Hochmomentmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polmittenachsen gleichnamiger Läuferpole (1) um 90° elektrisch gegeneinander verschoben sind, und daß jeder der beiden Statoren (5a, 5b) aus einer eigenen Drehstromquelle mit jeweils gleicher Frequenz aber mit gegeneinander derart phasenverschobenen Spannungen gespeist wird, daß das Dreh moment am Läufer (4) als Differenzmoment beider Statoren (5a, 5b) von Null bis Nennmoment einstellbar ist.

12. Hochmomentmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Statoren (5a, 5b) in ein Maschinengehäuse (6) eingepreßt sind, das von einem Kühlmittel durchströmte Kühlkanäle (7) aufweist.

13. Hochmomentmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Läufer (4) mit der Wel le (8) verbindende Bauteil (9) nichtmagnetisch ist.

14. Hochmomentmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Läufer (4) mit der Wel le (8) verbindende Bauteil (9) glockenförmig ausgebildet ist.

15. Hochmomentmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (8) hohlzylindrisch ausgebildet ist.