DE202011110258U1

DE202011110258U1 - Bürstenlose Gleichstrommotorisierungsvorrichtung

Info

Publication number: DE202011110258U1
Application number: DE202011110258U
Authority: DE
Original assignee: Bionx International Inc
Current assignee: Bionx Canada Inc
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2013-05-13
Anticipated expiration: 2021-07-21
Also published as: US20130119809A1; EP2596570A1; WO2012009811A1; US20170040879A1; EP2596570A4; US10218249B2; CA2803394A1

Abstract

Bürstenlose direktangetriebene Gleichstrommotorisierungsvorrichtung mit: einem Außenrotor mit vierzig oder vierundvierzig Polen, die aus Segmenten aus dauermagnetischem Material, welches nördlich oder südlich magnetisiert ist, ausgebildet sind, wobei der Außenrotor eingerichtet ist, Teil eines Rades zu sein und mit dem Rad um eine Achse davon zu drehen; einem Statorkern aus ferromagnetischem Material, der von dem Rotor nach innen beabstandet ist und einen Spalt mit dem Rotor ausbildet, so dass der Rotor um den Statorkern drehbar ist, wobei der Statorkern einen Außendurchmesser, der sich zwischen 150 mm und 350 mm bewegt, zweiundvierzig Spalte und begrenzende Zähne zwischen den Spalten aufweist; und einer Dreiphasenwicklung mit Spulen aus isoliertem Draht, der um die Zähne des Statorkerns gewickelt ist, wobei die Dreiphasenwicklung in zwei Sätze von aufeinanderfolgenden Zähnen für jede der drei Phasen unterteilt ist, wobei sich jeder der zwei Sätze einer gleichen Phase in dem Statorkern diametral gegenübersteht.

Description

Querverweis zu verwandter Anmeldung
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/366.956, die hier unter Bezugnahme mit aufgenommen wird.
Anmeldungsgebiet
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf die Motorisierung von elektrischen Fahrzeugen unter der Verwendung von Dauermagnetsynchronmaschinen, wie zum Beispiel bürstenlosen Gleichstrommaschinen, für elektrische Fahrzeuge, wie zum Beispiel Fahrräder, Rollstühle, Roller, Dreiräder, Golfwagen, Transportwagen und kleine Nutzfahrzeuge oder dergleichen.
Stand der Technik
In leichtgewichtigen Fahrzeuganwendungen wird es oft angestrebt hohe Startmomente zu erzeugen und eine variable Unterstützung sicherzustellen, wobei elektrische Maschinen dafür im Gegensatz zu anderen Arten von Motoren oder Antrieben gut geeignet sind. Der Einsatz einer bürstenlosen Gleichstrommaschine ist besonders gut für diese Arten von Anwendungen geeignet. Einige bürstenlosen Gleichstrommaschinen verwenden einen äußeren Dauermagnetrotor mit drei Phasen von Antriebsspulen auf dem Statorkern. Gemäß einem Typ von Maschine wird die Position des Rotors mit Sensoren (zum Beispiel Hall-Effekt-Sensoren) und dazugehöriger Antriebselektronik gemessen. Die Spulen werden durch die Antriebselektronik auf Basis der Detektionssignale von entweder den Sensoren oder der elektromagnetischen Gegenkraft (EMK) aktiviert.
Bürstenlose Gleichstrommaschinen sind im Aufbau relativ einfach und in Anbetracht ihrer bürstenlosen Natur wirtschaftlich in der Wartung. Es bleibt jedoch eine Anforderung bestehen, nämlich zunehmend effiziente bürstenlose Gleichstrommaschinen auf eine wirtschaftliche Art herzustellen. Zum Beispiel muss das Gewicht der Maschinenkomponenten minimiert werden, ohne die Strukturfestigkeit der Maschine zu beeinträchtigen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Offenbarung eine neue bürstenlose Gleichstrommaschine für Fahrzeuge bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, eine bürstenlose Gleichstrommaschine zu haben, die relativ leichtgewichtig ist.
Aus diesem Grund wird gemäß der vorliegenden Anmeldung eine bürstenlose direktangetriebene Gleichstrommotorisierungsvorrichtung bereitgestellt mit: einem Außenrotor mit Polen, die aus Segmenten aus dauermagnetischem Material, welches nördlich oder südlich magnetisiert ist, ausgebildet sind, wobei der Außenrotor eingerichtet ist, Teil eines Rades zu sein und mit dem Rad um eine Achse davon zu drehen; einem Statorkern aus ferromagnetischem Material, der von dem Rotor nach innen beabstandet ist und einen Spalt mit dem Rotor ausbildet, so dass der Rotor um den Statorkern drehbar ist, wobei der Statorkern zweiundvierzig Spalte und begrenzende Zähne zwischen den Spalten aufweist; und einer Dreiphasenwicklung mit Spulen aus isoliertem Draht, der um die Zähne des Statorkerns gewickelt ist, wobei die Dreiphasenwicklung in zwei Sätze von aufeinanderfolgenden Zähnen für jede der drei Phasen unterteilt ist, wobei sich jeder der zwei Sätze einer gleichen Phase in dem Statorkern diametral gegenübersteht.
Ferner ist gemäß der vorliegenden Anmeldung die Dreiphasenwicklung in zwei Sätze von sieben aufeinanderfolgenden Zähnen für jede der drei Phasen unterteilt.
Weiterhin ist gemäß der vorliegenden Anmeldung auch jede Phase der Dreiphasenwicklung in Sätze von sechs und acht aufeinanderfolgenden Zähnen unterteilt ist.
Weiterhin weist der Außenrotor gemäß der vorliegenden Anmeldung auch vierzig Pole auf.
Weiterhin umfasst der Außenrotor gemäß der vorliegenden Anmeldung auch vierundvierzig Pole.
Weiterhin weist der Statorkern gemäß der vorliegenden Anmeldung auch einen Wicklungskern auf, der ein Statorjoch stützt, wobei der Wicklungskern Strukturelemente umfasst, die sich diametral zwischen Mitten von jedem dieser Sätze der gleichen Phase erstrecken.
Weiterhin umfasst der Wicklungskern gemäß der vorliegenden Anmeldung auch eine sechspunktige Sternform mit einer Verschaltung zwischen Punkten der Sternform und dem Statorjoch, welches zu einer Mitte von jedem Satz von Zähnen ausgerichtet ist.
Weiterhin weist jeder Satz gemäß der vorliegenden Anmeldung auch sieben aufeinanderfolgende Zähne auf.
Weiterhin ist der Stator gemäß der vorliegenden Anmeldung auch an einer Achse des Rades befestigt.
Weiterhin ist der Rotor gemäß der vorliegenden Anmeldung auch eingerichtet, im Betrieb mit einem Freilauf eines Fahrzeuges verbunden zu werden, um damit in eine Drehrichtung zu drehen.
Weiterhin ist der Rotor gemäß der vorliegenden Erfindung auch eingerichtet, mit Speichen eines Rades verbunden zu werden, wobei die Speichen radial von einem Gehäuse des Rotors hervorstehen.
Weiterhin umfasst jede der Phasen gemäß der vorliegenden Anmeldung auch 14 Zähne.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines bürstenlosen Gleichstrommaschinensystems mit einer bürstenlosen Gleichstrommaschine, einem Leistungselektroniksystem und Stromsteuersystem;
2 ist eine Seitenansicht einer bürstenlosen Gleichstrommaschine gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einem entfernten Gehäuse, um ein Inneres davon zu zeigen;
3 ist eine schematische Darstellung von Phasenverschaltungen der bürstenlosen Gleichstrommaschine aus 2; und
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Statorkerns der bürstenlosen Gleichstrommaschine aus 1.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In den Zeichnungen und insbesondere in 1 wird ein bürstenloses Gleichstrommaschinensystem von der Art, wie es in Leichtgewichtsfahrzeugen verwendet wird, gezeigt, das in einem Motormodus und in einem Generatormodus betreibbar ist. In einer Ausführungsform wird das bürstenlose Gleichstrommaschinensystem als eine Hilfsantriebseinheit in einem Fahrrad verwendet, um den Tretbemühungen des Fahrers zusätzliche Leistung zuzuführen. Andere Anwendungen werden ebenfalls berücksichtigt, zum Beispiel mit der Verwendung des bürstenlosen Gleichstrommaschinensystems als alleinige Motorisierungseinheit von Fahrzeugen gegenüber jener als Hilfsleistungseinheit. Die Fahrzeuge können Rollstühle, Roller, Dreiräder, Golfwagen, Transportwagen, und kleine Nutzfahrzeuge oder dergleichen umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das bürstenlose Gleichstrommaschinensystem eine bürstenlose drei Phasen Dauermagnetgleichstrommaschine 10, einen Versorgungsstromkreis 11, einen Rotorpositionsdetektor 12 (zum Beispiel mit Hall-Effekt-Sensoren), ein Strommesssystem 13 und/oder ein Stromregelsystem, welches einen Stromregelkreis 14, der durch den Strommesskreis 13 gespeist wird, und einen Drehmomentreferenz- oder Stromreferenzkreis 16 aufweist. Der Stromregelkreis 14 ist mit dem Stromversorgungskreis 11 verbunden, um das Drehmoment der Maschine 10 zu regeln.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Maschine 10 als eine bürstenlose drei Phasen Dauermagnetgleichstrommaschine festgelegt wird. Diese allgemeine Festlegung wird erachtet auch Dauermagnetsynchronmaschinen, die beispielsweise mit sinusförmiger Stromkurve betrieben werden, oder dergleichen zu umfassen. Darüber hinaus umfasst der Bezug auf eine bürstenlose Gleichstrommaschine ebenfalls die Verwendung der Maschine oder des Motors 10 in einem Motorisierungsmodus und in einem Generatormodus.
Das zuvor beschriebene System ist ein konventionelles Betriebssystem für eine bürstenlose Gleichstrommaschine und ist eines unter einer Vielzahl anderer Systeme, die zum Betreiben der bürstenlosen Gleichstrommaschine 10 verwendet werden können. Das System aus 1 kann hingegen für Motor- oder Generatorbetrieb mit Energierekuperation in eine Batterie 15 während Bremsperioden verwendet werden. Das zuvor beschriebene System kann mit einer rechteckigen Stromkurve in den Wicklungsphasen zum wirtschaftlichen Betrieb betrieben werden. In so einem Fall wird das Motormoment durch eine einfache Stromregelung geregelt und die Phasenspannung mit einer Pulsbreitenmodulationstechnik (PWM) zerhackt. Andere Betriebsmodi werden ebenfalls berücksichtigt, wie zum Beispiel ein Betrieb mit sinusförmiger Stromkurve.
In 2 wird die bürstenlose Gleichstrommaschine 10 mit einem Gehäuse und anderen Teilen beseitigt dargestellt, um einen inneren Aufbau der Maschine 10 zu zeigen. Die bürstenlose Gleichstrommaschine 10 aus 2 kann in einer Direktantriebsausgestaltung verwendet werden, bei welcher der Rotor der Maschine 10 ganzheitlich mit einem Rad des Fahrzeugs, welches durch die Maschine 10 angetrieben wird, ausgebildet ist. In der Direktantriebsausgestaltung weist die Maschine 10 einen Statorkern 20 auf, der an einer Achse des Rades eines Fahrzeuges befestigt ist, oder generell in Bezug auf eine Achse des Rads nicht bewegbar ist. Der Joch des Statorkerns 20 weist zweiundvierzig Spalte 21 auf, die durch Zähne 22 voneinander getrennt sind, welche typischerweise aus Eisen (genauer gesagt ferromagnetischem Material) hergestellt sind. Obwohl nicht gezeigt, sind Spulen aus isoliertem Draht um mindestens einige der Zähne 22 entsprechend einer weiter unten beschriebenen Phasenverschaltung gewickelt.
Ein zylindrischer Außenrotor 30 ist um den Statorkern 20 angebracht und von dem Statorkern 20 durch einen geeigneten Spalt getrennt. Der Rotor 30 wird beispielsweise durch das Gehäuse der Maschine 10 (welches selbst um die Achse dreht) gestützt, und ist in Bezug auf die Achse des Rades drehbar. Ein Restabschnitt des Rades steht radial von dem Rotor 30 hervor und stützt einen Reifen. In einer Ausführungsform stehen Speichen des Rades radial oder peripherisch von einer äußeren Oberfläche des Rotors 30 hervor. Der Rotor 30 ist aus Dauermagnetsegmenten 31, die auf der Rotorinnenoberfläche angeordnet sind, und entweder nördlich oder südlich magnetisiert sind, ausgeformt. In 2 sind vierundvierzig der Dauermagneten 31 dargestellt, obwohl vierzig Magneten ebenfalls mit den zweiundvierzig Spalten 21 des Statorkerns 20 verwendet werden können.
Die große Anzahl von Polen reduziert das Eisenvolumen. Durch Vergrößern der Polanzahl wird der Fluss pro Pol während des Betriebs verglichen mit einer Maschine, die eine ähnliche Leistungskraft mit einer geringeren Polanzahl erzeugt, verkleinert. Dementsprechend sind, da die Schnittabmessungen von Zähnen proportional zu dem Fluss sind, die Schnittabmessungen für eine zweiundvierzigpolige Maschine kleiner als die Schnittabmessungen der Zähne einer Maschine mit weniger Polen für eine ähnliche Leistungskraft. Daraus ergibt sich ein geringeres Gewicht für die zweiundvierzigpolige Maschine verglichen mit Maschinen, die eine geringere Polanzahl mit ähnlicher Leistungskraft aufweisen.
Unter gleichzeitiger Bezugnahme auf 2 bis 3 ist ein Beispiel einer Phasenverschaltung der Maschine 10 gezeigt. Die Zähne 22 sind in zwei stufenlose Sätze von Zähnen pro Phase eingeteilt, wie durch die Sätze A, B, und C gezeigt. Gemäß einer Ausführungsform umfasst jeder Satz sieben aufeinanderfolgende Zähne 22. Dabei können jedoch auch andere Anordnungen von Sätzen verwendet werden, beispielsweise Phasen mit jeweils einem Satz von sechs oder einem Satz von acht aufeinanderfolgenden Zähnen 22. Es werden ebenfalls andere Phasenausgestaltungen berücksichtigt, beispielsweise mit zwei Sätzen von sechs aufeinanderfolgenden Zähnen 22, zwei Sätzen von sieben aufeinanderfolgenden Zähnen 22, und zwei Sätzen von acht aufeinanderfolgenden Zähnen 22, als ein Beispiel. Es kann eine geeignete Anzahl von aufeinanderfolgenden Zähnen pro Satz für eine Gesamtzahl von sechs Sätzen verwendet werden. Bei der Anordnung von sechs Sätzen von Zähnen mit zwei Sätzen pro Phase wird beobachtet, dass die zwei Sätze einer gleichen Phase diametral gegenüberliegend in dem Statorkern 20 angeordnet sind, wie durch die Linien A-A, B-B, und C-C gezeigt. In der Ausführungsform mit sieben aufeinanderfolgenden Zähnen pro Satz, sind die Mitten der Sätze einer gleichen Phase diametral gegenüberliegend angeordnet. Dementsprechend sind die Magnetkräfte, denen die Sätze von Zähnen 22, welche in der gleichen Phase betrieben werden, ausgesetzt sind, zueinander entgegengesetzt und minimieren ihre Auswirkung auf die Mitte des Statorkerns 20. In der gezeigten Ausführungsform in 3 ist ein Nullleiter ebenfalls mit den Phasen verbunden. Mit der zuvor beschriebenen Dreiphasenverschaltung können die zuvor beschriebenen Phasenverschaltungen und Komponenten des Systems aus 1 Standardprodukte sein.
In 4 ist der Statorkern 20 mit den Spulen 40 aus isoliertem Draht, welcher auf die Zähne 22 gewickelt ist, gezeigt. Es gibt zwei Spulen pro Spalt 21, obwohl andere geeignete Ausgestaltungen ebenfalls in der Maschine 10 verwendet werden können. Benachbarte Spulen 40 des gleichen Satzes sind in entgegengesetzte Richtungen gewickelt, wie beispielsweise durch A1 und A2 gezeigt.
Die Phasenverschaltungen und die Spulenwicklungen können jegliche andere geeignete Alternativen sein. Beispielsweise kann eine einzelne Spule pro Spalt 21 verwendet werden. Ebenfalls können, als Alternative zu der in 3 gezeigten Verschaltung, andere Verschaltungen verwendet werden, wie zum Beispiel eine Deltaverschaltung.
Weiterhin bezugnehmend auf 4, wird durch 50 ein Wickelkern des Statorkerns 20 gezeigt. In der Ausführungsform in 4 ist der Wickelkern 50 als ein Sechspunktstern ausgebildet, der einen zylindrischen Gehäusebereich, der mittig in dem Sechspunktstern angeordnet ist, aufweist. Der Sternwickelkern 50 ist so angeordnet, dass die Punkte in mittiger Ausrichtung mit jedem Satz von Zähnen sind. Dementsprechend erlaubt, wenn die Zähne 22 von einem beliebigen Satz (genauer gesagt, für die Phase A, B oder C) Kräften, die sich aus den magnetischen Feldern ergeben, ausgesetzt sind, die mittigen Positionen der Punkte des Sternwickelkerns 50 die gleichförmige Verteilung der Last auf die Mitte des Wickelkerns 50. Es ist ebenfalls berücksichtigt, andere Typen und Formen von Wickelkernen zu verwenden.
Die bürstenlose Gleichstrommaschinenstruktur, die in den 2 bis 4 beschrieben ist, ist gut dafür geeignet, in einer Direktantriebsausgestaltung für Leichtgewichtsfahrzeuge verwendet zu werden, wie zum Beispiel Fahrrädern. Genauer gesagt ist die zweiundvierzigpolige Anordnung relativ leichtgewichtig, verglichen mit Maschinen, die mit weniger Polen ähnliche Leistungsstärken aufweisen. Die zweiundvierzigpolige Ausgestaltung hat auf der anderen Seite größere Durchmesser, als Maschinen mit weniger Polen, wobei die resultierende Maschine gut dafür geeignet ist, an Räder montiert zu sein, da Fahrradräder normalerweise große Durchmesser (zum Beispiel 26 Inch bis 29 Inch, 650 mm bis 700 mm) aufweisen. In der Direktantriebsausgestaltung in einem Fahrrad kann der Rotor im Betrieb mit einem Freilauf verbunden sein, sodass die Pedalbetätigung zu dem Rotor über die Kassette des Freilaufes übertragen wird. Auf der anderen Seite erlaubt der Freilauf beim Nichtvorhandensein einer Pedaleingabe ein Leerlaufen der Kassette, während die Maschine 10 das Rad antreiben kann. Als eine Alternative kann die Direktantriebsausgestaltung für das Vorderrad eines Fahrrades verwendet werden.
Die bürstenlose Gleichstrommotorstruktur, die in den 2 bis 4 beschrieben ist, ist ebenfalls gut für Anwendungen geeignet, die elektrische Fahrzeuge umfassen, wie zum Beispiel Fahrräder, Rollstühle, Roller, Dreiräder, Golfwagen, Transportwagen und kleine Nutzfahrzeuge oder dergleichen. Die bürstenlose Maschine 10 weist eine relativ hohe Anzahl von Zähnen 21 in dem Statorkern 20 auf. In den zuvor beschriebenen Anwendungen weisen die Statorkerne 20 jedoch typischerweise Durchmesser zwischen beispielsweise 150 mm und 350 mm auf. In solchen Bereichen weisen die Zähne 21 eine angemessene Dicke in Bezug auf Strukturfestigkeit auf.

Claims

Bürstenlose direktangetriebene Gleichstrommotorisierungsvorrichtung mit: einem Außenrotor mit vierzig oder vierundvierzig Polen, die aus Segmenten aus dauermagnetischem Material, welches nördlich oder südlich magnetisiert ist, ausgebildet sind, wobei der Außenrotor eingerichtet ist, Teil eines Rades zu sein und mit dem Rad um eine Achse davon zu drehen; einem Statorkern aus ferromagnetischem Material, der von dem Rotor nach innen beabstandet ist und einen Spalt mit dem Rotor ausbildet, so dass der Rotor um den Statorkern drehbar ist, wobei der Statorkern einen Außendurchmesser, der sich zwischen 150 mm und 350 mm bewegt, zweiundvierzig Spalte und begrenzende Zähne zwischen den Spalten aufweist; und einer Dreiphasenwicklung mit Spulen aus isoliertem Draht, der um die Zähne des Statorkerns gewickelt ist, wobei die Dreiphasenwicklung in zwei Sätze von aufeinanderfolgenden Zähnen für jede der drei Phasen unterteilt ist, wobei sich jeder der zwei Sätze einer gleichen Phase in dem Statorkern diametral gegenübersteht.
Bürstenlose Gleichstrommotorisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Dreiphasenwicklung in zwei Sätze von sieben aufeinanderfolgenden Zähnen für jede der drei Phasen unterteilt ist.
Bürstenlose Gleichstrommotorisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der jede Phase der Dreiphasenwicklung in Sätze von sechs und acht aufeinanderfolgender Zähnen unterteilt ist.
Bürstenlose Gleichstrommotorisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Statorkern einen Wicklungskern aufweist, der ein Statorjoch stützt, wobei der Wicklungskern Strukturelemente umfasst, die sich diametral zwischen Mitten von jedem dieser Sätze der gleichen Phase erstrecken.
Bürstenlose Gleichstrommotorisierungsvorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher der Wicklungskern eine sechspunktige Sternform mit einer Verschaltung zwischen Punkten der Sternform und dem Statorjoch aufweist, welches zu einer Mitte von jedem Satz von Zähnen ausgerichtet ist.
Bürstenlose Gleichstrommotorisierungsvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher jeder Satz sieben aufeinanderfolgende Zähne umfasst.
Bürstenlose Gleichstrommotorisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der Stator an einer Achse des Rades befestigt ist.
Bürstenlose Gleichstrommotorisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher der Rotor eingerichtet ist, im Betrieb mit einem Freilauf eines Fahrzeuges verbunden zu werden, um damit in eine Drehrichtung zu drehen.
Bürstenlose Gleichstrommotorisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher der Rotor eingerichtet ist, mit Speichen eines Rades verbunden zu werden, wobei die Speichen radial von einem Gehäuse des Rotors hervorstehen.
Bürstenlose Gleichstrommotorisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher jede der Phasen 14 Zähne umfasst.