DE202013102358U1

DE202013102358U1 - Kommutatorloser Elektromotor

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Publication number: DE202013102358U1
Application number: DE201320102358
Authority: DE
Original assignee: Sagdakov Electrodrive Ltd OOO "Electroprivod Sagdakova"; SAGDAKOV ELECTRODRIVE Ltd OOO ELECTROPRIVOD SAGDAKOVA
Current assignee: Sagdakov Electrodrive Ltd OOO "Electroprivod Sagdakova"; SAGDAKOV ELECTRODRIVE Ltd OOO ELECTROPRIVOD SAGDAKOVA
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2013-06-11
Anticipated expiration: 2023-05-31

Abstract

Kommutatorloser Gleichstrom-Elektromotor, aufweisend: einen Innenstator mit Elektromagneten, wobei die Kerne parallel zu einer Rotationsachse des Elektromotors angeordnet sind; einen Außenrotor, der von dem Stator mittels eines Luftspaltes getrennt ist und zwei identische geschlossene Magnetkreise aufweist, die auf beiden Seiten des Stators angeordnet sind, wovon jeder Kreis Permanentmagnete mit wechselnder Magnetfeldrichtung aufweist, die in regelmäßigem Abstand um den Umfang herum angeordnet sind; Rotorpositionssensoren; eine Elektromagnetsteuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Phasen des Elektromotors jede beliebige aus dem Bereich von N = 2, 3, 4, 6 gewählte Anzahl sein kann; die Anzahl der Elektromagnete ein Vielfaches der Phasenanzahl ist, wobei alle von den Vorgenannten durch den Luftspalt getrennt und unabhängig mit der Steuereinheit verbunden sind; die Anzahl der Permanentmagnete in jedem Kreis geradzahlig ist, dabei kein Vielfaches der Phasenanzahl ist, und größer als die Anzahl der Elektromagnete ist, dabei kein Vielfaches davon ist; und die Anzahl der Rotorpositionssensoren niemals kleiner als die Anzahl der Phasen ist.

Description

Das Gebrauchsmuster betrifft das Gebiet von Gleichstrommotoren, einschließlich kommutatorloser Niederspannungselektromotoren ohne Getriebe, die als Antriebsräder in Fahrzeugen, wie z.B. motorbetriebenen Rollern, Motorrädern, elektrischen Autos, usw. sowie auf anderen Gebieten der Technik eingesetzt werden können.
Das Modernste für einzelne elektrische Fahrzeuge sind getriebelose Antriebsräder, in welchen eine Raddrehung durch die direkte elektromagnetische Wechselwirkung der Magnetsysteme von Rotor und Stator bewirkt wird. Derartige Motoren sind umweltfreundlich, kompakt, kosteneffektiv, einfach und leicht zu nutzen.
Es sind zwei allgemein anerkannte Vorgehensweisen bei der Auslegung von Antriebsrädern bekannt: Kommutator-Elektromotoren mit auf dem Stator angeordneten Permanentmagneten und auf dem Rotor befestigten Wechselstromelektromagneten und Stromabnehmerkollektoren, die einen elektrischen Kontakt zu den elektrischen Kollektorplatten bereitstellen ( US 6384496 B1 , 07.05.2002; US 6617746 B1 , 09.09.2003; RU 2129965 C1 , 10.05.1999; RU 2172261 C1 , 20.08.2001) und kommutatorlose Elektromotoren, die einen Permanentmagnetaußenstator und einen Wechselstromelektromagnetrotor aufweisen, der durch die Steuereinheit gemäß dem Signal von Rotorpositionssensoren mit Energie versorgt wird ( RU 2091969 C1 , 27/09/1997; US 6727668 B1 , 27/04/2004; US 6762525 B1 , 13/07/2004; US 6791226 , 14/09/2004; US 6853107 B2 , 08/02/2005; RU 2265271 C1 , 27/11/2005; RU 2343620 C2 , 10/01/2002).
In einigen Anwendungen sind kommutatorlose Elektromotoren im Vergleich zu bürstenkommutierten Elektromotoren aufgrund des Fehlens von Schleifen leitender Elemente und einer flexibleren Steuerung von größerem Vorteil.
Der Einsatz derartiger Motoren ist bereits erfolgt, trotzdem liegt noch eine Anzahl von Möglichkeiten vor, ihre Leistung zu verbessern. Herkömmlicherweise haben Hochdrehmoment-Niederdrehzahl-Motoren des "Antriebsrad"-Typs einen niedrigeren Leistungsfaktor als die Hochdrehzahl-Elektromotoren. Dieses beruht auf einer Zunahme des Gesamtwiderstandes, der durch die Zunahme der Wicklungswindungsanzahl verursacht wird. Neben dem vorstehend Erwähnten wird die Wärmeabgabe erhöht und es ergibt sich ein Kühlungsproblem des Elektromotors.
Die Erhöhung des Leistungsfaktors und des Drehmomentes wird durch Optimierung des Steuerungssystems ( US 6727668 B1 , 27.04.2004; US 6791226 , 14.09.2004) und durch Verbesserung des magnetischen Flusses durch Auswahl der Anzahl und Lage von Magneten und Elektromagneten sowie durch die Herstellung von Kernen mit spezieller Form ( US 6762525 B1 , 13.07.2004) erreicht. Dieses führt zu einer komplexen Produktion und löst das dargestellte Problem nicht vollständig.
Noch ein weiteres Problem bezüglich des Betriebs von getriebelosen Elektromotoren in Fahrzeugen ist das Vorliegen von "toten Zonen" und ihre Nicht-Optimalität über einen breiten dynamischen Bereich, insbesondere bei den Start/Stopp-Betriebsarten. Eine Teillösung für dieses Problem besteht in der Verwendung mehrerer Elektromotoren in einem einzigen Motorfahrzeug; wobei jeder Motor für einen bestimmten dynamischen Bereich optimiert ist. Beispielsweise wird in dem Patent RU 2290328 , 27.12.2006 ein Allradantriebsfahrzeug mit einem Anfahrmotor und einem Vortriebsmotor des Antriebsradtyps beschrieben. Eine derartige Lösung jedoch macht den Aufbau kompliziert und hat auch Einschränkungen bezüglich des Einsatzes.
Das vorliegende Gebrauchsmuster versucht, einen getriebelosen Niederdrehzahlmotor mit einem vielseitigen relativ einfachen Aufbau bereitzustellen, der für verschiedene Betriebsarten geeignet ist.
Das beanspruchte Gebrauchsmuster betrifft das Gebiet von Gleichstrommotoren, insbesondere von kommutatorlosen Niederspannungselektromotoren ohne Getriebe, die als Antriebsräder in Fahrzeugen, wie z.B. motorbetriebenen Rollern, Motorrädern, elektrischen Fahrzeugen usw. verwendet werden können.
Das technische Ergebnis des genutzten Gebrauchsmusters liegt in dem erhöhten Leistungsfaktor durch Optimierung der elektromagnetischen Wechselwirkungen zusammen mit dem erhöhten Energieverbrauchswirkungsgrad aufgrund von Energierückgewinnung, was die Start/Stopp-Betriebsart, die Produktionseffektivität und die Zuverlässigkeit des Elektromotors verbessert.
Das beanspruchte technische Ergebnis wird durch einen kommutatorlosen Gleichstrommotor erreicht, der aufweist: einen Innenstator mit Elektromagneten, in welchem die Kerne parallel zu der Rotationsachse des Elektromotors angeordnet sind; einen Außenrotor, der von dem Stator mittels eines Luftspaltes getrennt ist und zwei identische auf beiden Seiten des Stators angeordnete geschlossene Magnetkreise aufweist, wovon jeder Kreis Permanentmagnete mit wechselnder Magnetfeldrichtung aufweist; Rotorpositionssensoren; und eine Steuereinheit für die Elektromagnete. Die Anzahl der Phasen des Elektromotors kann jede in dem Bereich von N = 2, 3, 4, 6 gewählte Anzahl sein und hängt von seiner Anwendung ab. Die Anzahl der Elektromagnete ist ein Vielfaches der Phasenanzahl, wobei alle von den Vorstehenden durch einen Luftspalt getrennt sind und unabhängig mit der Steuereinheit verbunden sind. Die Anzahl der Permanentmagnete in jedem Kreis ist geradzahlig, dabei kein Vielfaches der Phasenanzahl und größer als die Anzahl der Elektromagnete, und dabei kein Vielfaches davon.
Die Anzahl der Rotorpositionssensoren ist niemals kleiner als die Anzahl der Phasen.
Das technische Ergebnis des eingesetzten Gebrauchsmusters liegt in der Erhöhung des Leistungsfaktors durch Optimierung der elektromagnetischen Wechselwirkungen zusammen mit einer Erhöhung des Energieverbrauchswirkungsgrades aufgrund von Energierückgewinnung, was die Start/Stopp-Betriebsart, den Produktionseffektivität und die Zuverlässigkeit des Elektromotors verbessert.
Das beanspruchte technische Ergebnis wird durch einen kommutatorlosen Gleichstrommotor erreicht, der aufweist: einen Innenstator mit Elektromagneten, in welchem die Kerne parallel zu der Rotationsachse des Elektromotors angeordnet sind; einen Außenrotor, der von dem Stator mittels eines Luftspaltes getrennt ist, und zwei identische auf beiden Seiten des Stators angeordnete geschlossene Magnetkreise aufweist, wovon jeder Kreis Permanentmagnete mit wechselnder Magnetfeldrichtung aufweist; Rotorpositionssensoren, die in regelmäßigem Abstand um den Umfang herum angeordnet sind; und eine Steuereinheit für die Elektromagnete. Die Anzahl der Phasen des Elektromotors kann in dem Bereich von N = 2, 3, 4, 6 gewählt werden und hängt von seiner Anwendung ab.
Die Anzahl der Elektromagnete ist ein Vielfaches der Phasenanzahl, wobei alle von den Vorstehenden durch einen Luftspalt getrennt sind und unabhängig mit der Steuereinheit verbunden sind. Die Anzahl von Permanentmagneten in jedem Kreis ist geradzahlig, dabei kein Vielfaches der Phasenanzahl und größer als die Anzahl der Elektromagnete, und dabei kein Vielfaches davon.
Die Anwendung des Verhältnisses der Anzahl von Permanentmagneten und Elektromagneten sowie die konstruktive und geometrische Trennung der Kerne stellt die Bedingungen bereit, die das Erzielen eines maximal gleichmäßigen magnetischen Flusses in dem Kernkörper ermöglichen. Dieses ermöglicht eine deutliche Erhöhung des Drehmomentes des Elektromotors ohne die Windungsanzahl zu erhöhen und ermöglicht daher durch die Wärmefreisetzung bewirkte zusätzliche Leistungsverluste zu vermeiden und dem Leistungsfaktorabfall zu entgehen. Die Anzahl der Rotorpositionssensoren ist niemals kleiner als die Anzahl der Phasen. Bevorzugt sollte für eine geradzahlige Phasenanzahl N die Anzahl der Rotorpositionssensoren in jedem Fall gleich N sein. Für eine ungeradzahlige Phasenanzahl N sollte die Anzahl der Rotorpositionssensoren gleich N + 1 sein. Ein derartiger Aufbau ermöglicht die Vermeidung von "toten Zonen" und Ruckeln beim Start.
In leichten Fahrzeugen (Fahrrädern, Rollern) werden üblicherweise dreiphasige Elektromotoren verwendet. In diesem Falle enthalten sie 9 Elektromagnete und 12 oder 24 Permanentmagnete in jedem Magnetkreis. Für weitere Arten von Fahrzeugen können Elektromotoren mit einer größeren Phasenanzahl verwendet werden. Beispielsweise weist ein vierphasiger Elektromotor 12 Elektromagnete und Permanentmagnete auf, wobei die Anzahl der Letzteren aus dem Bereich m = 18, 20, 26, 30, 34 gewählt wird.
In jedem Falle sind alle Elektromagnete unabhängig mit einer Steuereinheit verbunden. Sie liefert ein sinusförmiges Steuersignal, das den Elektromagneten zugeführt wird, wobei die Signalphasenverschiebung dynamisch von –60 bis 0 Phasengrad variieren kann.
Da die Anzahl der Elektromagneten wichtig ist, können sie durch die Steuereinheit in Gruppen angeordnet werden, wobei die Anzahl der Gruppen gleich der Anzahl der Phasen ist. Ein einzelnes Steuersignal wird jeder von den Gruppen zugeführt. Innerhalb einer Gruppe können die Elektromagnete in Reihe oder parallel geschaltet sein. Die Elektromagnetrekommutation wird durch die Steuereinheit durchgeführt, und kann auch in der dynamischen Betriebsart erfolgen.
Zur Implementierung der Rückgewinnungsbetriebsart ist jede von den Elektromagnetwicklungen mit dem Stromversorgungskreis über eine Diodenbrücke verbunden. Somit sind alle Elektromagneten in der Gruppe in Reihe geschaltet. Bevorzugt sollten, um den Rückgewinnungsprozess effizient zu machen, die Diodenbrücke zwei Dioden mit einer Schaltgeschwindigkeit von 40 bis 200 ns und zwei Kondensatoren mit einer Kapazität von 3000 bis 10000 Mikrofarad aufweisen.
Der Erfindungsgegenstand des vorliegenden Gebrauchsmusters wird weiter mittels Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine Seitenansicht des beanspruchten Elektromotors zeigt;
2 eine schematische Darstellung eines dreiphasigen Elektromotors zeigt;
3(a) und (b) ein Steuersignaldiagramm für einen dreiphasigen Elektromotor zeigen;
4 ein Schaltbild einer Phasenrekommutation gemäß einem "Dreieck-" oder "Stern"-Typ für einen dreiphasigen Elektromotor zeigt;
5 ein Diagramm eines Elektromotor-Leistungsfaktors abhängig von dem Steuerungsverfahren zeigt;
6 ein Schaltbild zur Energierückgewinnung für einen dreiphasigen Elektromotor zeigt.
Der beanspruchte Elektromotor (1) weist einen Innenstator 1 mit Elektromagneten 2 auf, in welchem die Kerne 3 parallel zu der Elektromotorrotationsachse angeordnet sind. Die Elektromagnete sind mit Haltern 4, die aus Material mit geringem Fluss bestehen, an der feststehenden Achse 5 des Elektromotors befestigt. Auf dem Stator sind auch Rotorpositionssensoren 6 (PS) angeordnet.
In dem Aufbau des Elektromotors werden herkömmlicherweise Kerne 3 mit recheckigem Querschnitt verwendet, die in Schlitzen des Stators 1 befestigt werden können. Die Kernform schließt jede direkte Abhängigkeit seiner Abmessungen von dem Durchmesser des Elektromotors aus, was die Herstellung eines aus Lamellen aufgebauten Motors ermöglicht.
Eine derartige Technik stellt verschiedene vielseitige elektrische Antriebe bereit, die durch Zusammenstellung einer erforderlichen Menge gleicher Solenoide erzeugt werden, was die Bauelementvereinheitlichung signifikant verbessert und die Produktionskosten reduziert.
Der Außenrotor 7 ist von dem Stator durch einen Luftspalt getrennt und weist zwei identische geschlossene Magnetkreise 8' und 8" auf, die auf beiden Seiten des Stators 1 angeordnet sind. Jeder Kreis weist Permanentmagnete 9 mit wechselnder Magnetfeldrichtung auf, die in regelmäßigem Abstand um den Umfang herum angeordnet sind.
Jeder von den Elektromagneten ist unabhängig mit der (nicht dargestellten) Steuereinheit (CU) verbunden, und die Positionssensoren 6 sind ebenfalls damit verbunden. Kommutierungsdrähte sind üblicherweise zwischen den Haltern 4 platziert. Die CU kann entweder innerhalb oder außerhalb des Elektromotors angeordnet sein.
Üblicherweise befindet sich der gesamte Motor in dem Rotationskörper 10 und ist mit einem Deckel 10 abgedeckt. Dieser besteht aus einem Material geringer magnetischer Leitfähigkeit. Um eine gleichmäßige Drehung und sanfte Bewegung bereitzustellen, ist der Körper mit dem Deckel auf der Achse 5 mittels der Lager 12 montiert.
Die Anzahl der Elektromotorphasen wird gleich 2, 3, 4 oder 6 abhängig von seiner Anwendung gewählt, wobei die Anzahl der Elektromagneten 2 ein Vielfaches der Phasenanzahl ist. Die Anzahl der Permanentmagnete 9 in jedem Kreis ist geradzahlig, dabei kein Vielfaches der Phasenanzahl und größer als die Anzahl von Elektromagneten, und dabei kein Vielfaches davon.
Es ist bekannt, dass das Drehmoment eines Elektromotors linear proportional zu der Gesamtanzahl der Wicklungswindungen für jede Phase des Motors und zu dem durch die Elektromagnetkerne eingeschlossenen elektromagnetischen Fluss ist. Gleichzeitig ist die maximale Drehfrequenz umgekehrt proportional zu der Anzahl der Windungen. Herkömmlicherweise haben die Hochdrehmoment-Niederdrehzahl-Motoren des "Antriebsrad"-Typs einen kleineren Leistungsfaktor als die Hochdrehzahl-Elektromotoren.
Dieses ist durch die Notwendigkeit verursacht, die Anzahl der Wicklungswindungen des Elektromotors zu erhöhen, um den magnetischen Fluss zu erhöhen. Gleichzeitig werden der elektrische Gesamtwiderstand der Wicklungen und die Wärmeabgabe erhöht, während der Leistungsfaktor reduziert wird. Zusammen mit einer deutlichen Erhöhung des magnetischen Flusses entsteht ein Problem einer magnetischen Sättigung des Magnetkreismaterials, welche verhindert, dass der magnetische Fluss linear proportional zu dem Energieverbrauch ansteigt, was zu einer weiteren Reduzierung des Leistungsfaktors des Elektromotors führt. Gemäß unserer Untersuchungen zeigt in den bekannten Elektromotorkreisen mit einem gemeinsamen leitenden Kern die Sättigung eine lokale Eigenschaft und eine deutlichere Unregelmäßigkeit der Magnetfeldlinienverteilung über den Magnetkreis, die den gesamten Kernfluss wesentlich reduziert.
Für den hierin vorgeschlagenen Elektromotoraufbau sorgen das Verhältnis der Anzahl der Permanentmagnete und der Elektromagneten sowie die konstruktive Trennung der verwendeten Kerne in geometrischer Weise für die Bedingungen, welche die Erzielung eines maximal gleichmäßigen Magnetflusses in dem Kernkörper ermöglichen. Dieses ermöglicht eine signifikante Erhöhung des Elektromotordrehmoments ohne Erhöhung der Windungsanzahl und ermöglicht dadurch, durch die Wärmeabgabe verursachte zusätzliche Energieverluste zu vermeiden und dem Leistungsfaktorabfall zu entgehen.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines dreiphasigen Elektromotors, der drei Elektromagnete 2 und vier Permanentmagnete 9 aufweist. Die Anzahl der PS 6 ist gleich vier, ein zusätzlicher Sensor pro Phasenanzahl. Alle elektrischen Komponenten sind mit der Steuereinheit 13 verbunden.
Die CU empfängt Signale von den in dem Elektromotor angeordneten Rotorpositionssensoren. Die Anzahl der Hauptsensoren ist gleich der Anzahl der Phase N plus einem zusätzlichen Sensor für eine ungerade Anzahl von angewendeten Phasen.
Die Sensoren 6 sind in Bezug zueinander in einem Winkel von 360/N und in einem Winkel von 180/N Phasengraden in Bezug auf die Elektromagneten verteilt.
Für einen dreiphasigen Elektromotor ist der Winkel zwischen den Sensoren 120 Phasengrad und der Verschiebungswinkel in Bezug auf die Solenoide ist 60 Phasengrad (3(a), (b)). 3(a) zeigt Diagramme für die Sensorsignale HA, HB, HC dar, die den Phasen A, B, C entsprechen und ein von dem zusätzlichen Sensor D geliefertes HD-Signal. 3(b) stellt die von der CU für die relevanten Phasen gelieferten Ausgangssignale PA, PB, PC dar.
Die Signalverschiebung von bis zu 60 Grad hängt von der Last und der Rotationsfrequenz ab. Die Verschiebung wird von der CU-Steuerung berechnet und variiert im Verlauf des Elektromotorbetriebs.
Eine von den wichtigen Anwendungen von getriebelosen elektrischen Antrieben betrifft elektrische Rollstühle. Die Nachteile der herkömmlichen Schaltung liegen in der Stabilisierung der Drehmomentasymmetrie in der Betriebsart des in einer bestimmten Position fixierten Rotors (elektromagnetische Bremse). Da der Rotor durch externe Kräfte im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird, ist das Stabilisierungsdrehmoment des Elektromotors unterschiedlich. Dieses beruht darauf, dass eine symmetrische Rotorstabilisierung mit minimalem Energieverbrauch nur in den Totpunkten des Elektromotors möglich ist. Die Signalveränderungsflanken für jeden der Sensoren von den Totpunkten der Solenoide befinden sich in einem Abstand von 180/(2·N)-Phasengrad angeordnet und liefern keine Information bezüglich eines passierten Totpunktes. Um das Problem zu lösen, sieht das vorliegende Gebrauchsmuster einen zusätzlichen Rotorpositionssensor vor. Das PS-Signal verändert sich, wenn die Magnetfeldachse des Solenoids und die Magnetfeldachse des entsprechenden Magneten passiert werden, d.h., genau an den Totpunkten des Motors. Außerdem ermöglicht die Information bezüglich der passierten Totpunkte ausgeklügeltere Algorithmen des Kommutationsvorrichtungsbetriebs und trägt zum Beseitigen des typischen Ruckelns bei, wenn ein überlasteter Elektromotor gestartet wird, und verbessert somit deutlich den Leistungsfaktor des Elektromotors beim Start.
Ein Elektromotor, bei dem die Solenoide getrennt mit der CU verbunden sind, stellt eine größere Flexibilität bei der Auswahl seiner Rotationsbetriebsarten breit, sowie eine effiziente Bewegungsenergierückgewinnung. Für jeden Elektromotor gibt es eine Drehmomentkonstante K_t (Nm/A) und eine Rotationsfrequenzkonstante K_v (Upm/V). Diese sind durch einen Satz von Aufbaumerkmalen eines Elektromotors definiert. Die getrennte Steuerung der Solenoide ermöglicht eine Veränderung der Konstanten der elektrischen Maschine auf Steuerungssystemebene.
Um den maximalen K_t-Wert und den minimalen K_v-Wert für die Startbetriebsart zu erhalten, und um den Energieverbrauch zu reduzieren, stellt die CU eine "Stern"-Phasenschaltung bereit. Somit ist die maximale Spannung für jede Phase gleich V_P = V/(N – 1), wobei V eine Stromversorgungsspannung ist, während N die Phasenanzahl des Elektromotors ist. Phasen, die gemäß einer "Dreieck"-Schaltung kommutiert werden, ermöglichen die Erzielung eines höheren K_v-Wertes und daher einer höheren Rotationsfrequenz bei einer festen Versorgungsspannung. Für Normalfahrt- und Maximalgeschwindigkeits-Betriebsarten wird eine unterschiedliche Steuerung der Phasen angewendet, wobei die Spannung V_P = V für jede Phase ist.
4 zeigt ein Schaltbild zur Phasenrekommutation für einen dreiphasigen Elektromotor, wobei die Phasen als A, B, C bezeichnet sind. Wenn die Schalterkontakte 23 und 24 offen sind, sind die Schalterkontakte 21–32 geschlossen und ändern die entsprechende Phasenpolarität. Eine derartige getrennte Phasenschaltung ermöglicht einen unabhängigen Betrieb jeder Phase. Wenn die Schalterkontakte 33 und 34 geschlossen sind, sind die Schalterkontakte 27–32 ausgeschaltet, womit nur die linken Schalterkontakte 21–26 zur Ausbildung einer "Stern"-Schaltung freigegeben sind.
Für einen Elektromotoraufbau mit einer großen Anzahl von Solenoiden können diese zu einem ausgewählten Kommutationstyp (parallel oder in Reihe) innerhalb einer Gruppe gruppiert sein. Da für feste K_v- und K_t-Werte alle Solenoide in derselben Elektromotorphase parallel geschaltet sind, sind nach ihrer Rekommutierung in Reihenschaltung die neuen Werte wie folgt: K_t1 = K_t·N_p, K_v1 = K_v/N_p, wobei N_p eine Anzahl von Solenoiden pro Motorphase ist. Somit wird im Verlauf des Betriebs eine Auswahlmöglichkeit zwischen der Erzielung eines maximalen Drehmoments beim Start zusammen mit einem N_p-fach reduziertem Stromverbrauch oder einer N_p-fach erhöhten Rotationsfrequenz des Elektromotors bereitgestellt. Alle Zwischenwerte sind ebenfalls erzielbar. Es ist auch wichtig, dass der Rotationsfrequenzbereich, der die Erzielung eines maximalen Leistungsfaktors ermöglicht, auch direkt proportional zu den Konstanten K_t und K_v ist. 5 stellt das Verhältnis der Elektromotorleistungsfaktorwerte und der Rotationsfrequenz für unterschiedliche Kommutationstypen dar.
Der Index (a) markiert das Elektromotorleistungsfaktordiagramm für eine "Stern"-Phasenschaltung, in welcher alle Wicklungen in einer Phase in Reihe geschaltet sind; der Index (b) steht für eine parallele Phasenverbindung, in welcher alle Wicklungen in einer Phase in Reihe geschaltet sind, und der Index (c) steht für eine parallele Phasenverbindung, bei der alle Wicklungen in einer Phase parallelgeschaltet sind. Durch Verändern des Kommutationstyps unter gleichzeitiger Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit ist es möglich, insgesamt maximale Leistungsfaktorwerte zu erhalten. Dieses Steuerungsverfahren erweitert stark den effizienten Betriebsbereich einer elektrischen Maschine und reduziert gleichzeitig den integralen Leistungsverbrauch im Verlauf eines tatsächlichen Betriebs.
Das beanspruchte implementierte Gebrauchsmuster ermöglicht eine effiziente Rückgewinnung der kinetischen Energie des Fahrzeugs. In dieser Betriebsart werden alle Solenoide jeder Phase in Reihe geschaltet und die erzeugte Spannung wird durch getrennte Diodenbrücken gleichgerichtet. Die Ausgänge der Diodenbrückenschaltungen aller Phasen sind ebenfalls in Reihe geschaltet.
Die Energie kann nur in die Stromversorgung zurückgeführt werden, wenn die Erzeugungsspannung höher als die Spannung der Stromversorgung ist. Für die herkömmlichen elektrischen Maschinen mit einem festen K_v-Wert ist es nur dann möglich, wenn die Rotationsfrequenz des elektrischen Motors über der maximalen Leerlaufdrehzahl für eine gegebene Stromversorgung liegt. In der Praxis bedeutet dies, dass die Rückgewinnung nur für eine Fahrzeuggeschwindigkeit möglich ist, die höher als die maximale Geschwindigkeit ist, die es im Wesentlichen erreichen kann. Das Kommutationsverfahren des beanspruchten Gebrauchsmusters löst dieses Problem. 6 zeigt ein Schaltbild für einen Gleichrichter eines dreiphasigen Elektromotors. Die Phasenwicklungen sind in dem Diagramm mit den Indizes A, B, C markiert. Für einen effizienten Betrieb der elektrischen Schaltung verwendet man bevorzugt, Dioden mit einer Schaltgeschwindigkeit von 40 bis 200 ns und Kondensatoren mit einer Kapazität von 3000 bis 10000 Mikrofarad.
Wenn der Konstantenwert für alle Solenoide jeder parallelgeschalteten Phase als Bezugspunkt K_v genommen wird und die maximale Rotationsfrequenz als n_max = K_v·V angenommen wird, wobei V die Stromversorgungsspannung ist, ist die durch die gesamte Schaltung erzeugte maximale Spannung V_g = N·N_p·n/K_v, wobei N die Anzahl der Phasen des Elektromotors ist, n_p die Anzahl der Solenoide in jeder Phase ist, n die Rotationsfrequenz des Elektromotors ist, K_v die Rotationsfrequenzkonstante ist.
Die Spannung V_g kann die Stromversorgungsspannung V für eine Rotationsfrequenz n > n_max/(N·N_p) überschreiten. Beispielsweise ist in einem vierphasigen Elektromotor mit einer Anzahl von Solenoiden pro Phase N_p = 5, die Rückgewinnung bei einer Rotationsfrequenz n = 0,05·n_max möglich. Für elektrische Antriebe mit kleiner Leistung (bis zu 500 W) kann ein Spannungsverdoppler zusammen mit Kondensatoren in jede Phasengleichrichtungsstufe integriert werden, was eine zweifache Erhöhung in der erzeugten Spannung und demzufolge eine zweifache Erniedrigung in der minimalen Rotationsfrequenz für die Rückgewinnung erzeugt.
Technisch erfordert der Aufbau des Elektromotors, in welchem alle Solenoide getrennt kommutiert werden, eine große Anzahl von mit der Kommutationsvorrichtung (CU) verbundenen Leitern. Aufgrund der Tragbarkeit des elektrischen Antriebs mit axialer Feldrichtung kann die Kommutierungsvorrichtung in einem üblichen Gehäuse zusammen mit der elektrischen Maschine unter Beibehaltung der technischen Effektivität des gesamten Systems, und der Einfachheit von Montage und Betrieb eingebaut werden.
Exemplarische Ausführungsformen
Ausführungsform 1
Ein dreiphasiger elektrischer Antrieb weist 30 Elektromagnete und 40 Permanentmagnetpaare auf. Jeder Elektromagnet weist 67 Wicklungswindungen von 1 mm Durchmesser auf. Die Stromversorgungsspannung des elektrischen Antriebs ist 36 V. Die Nennleistung ist 350 W. Das Nennlastdrehmoment ist 12 Nm bei einer Nennrotationsfrequenz von 280 Upm. Der Nennstrom ist 10 A. Die maximale Leistung ist 530 W bei 190 Upm. Das Startdrehmoment ist 38 Nm, der ist Startstrom 16 A. Der maximale Verbrauchsstrom ist 27 A. Die Leerlaufdrehzahl ist 320 Upm. Der maximale Leistungsfaktor des Elektromotors ist 91 %. Das Motorgewicht ist 4,9 kg, der Außendurchmesser ist 210 mm, die Breite 65 mm. Dieser Motor ist in einem Fahrrad mit einem Raddurchmesser von 26 Inches montiert; es werden LiFePO4 Batterien mit 36 V/12 Ah verwendet; das getestete Fahrrad zeigte eine maximale Geschwindigkeit von 37 km/h. Eine Laufleistung bei einmaliger Ladung mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 35 km/h ergibt 44 km, was einem Leistungsverbrauch von 9,8 Wh/km entspricht.
Ausführungsform 2
Ein dreiphasiger elektrischer Antrieb weist 9 Elektromagnete und 12 Permanentmagnetpaare auf. Jeder Elektromagnet weist 120 Wicklungswindungen von 1,3 mm Durchmesser auf. Die Stromversorgungsspannung des elektrischen Antriebs ist 48 V. Die Nennleistung ist 1100 W. Das Nennlastdrehmoment ist 22 Nm bei einer Nennrotationsfrequenz von 580 Upm. Der Nennstrom ist 30 A. Die maximale Leistung ist 1500 W bei 380 Upm. Das Startdrehmoment ist 48 Nm, der ist Startstrom 40 A. Der maximale Verbrauchsstrom ist 60 A. Die Leerlaufdrehzahl ist 770 Upm. Der maximale Leistungsfaktor des Elektromotors ist 93 %. Das Motorgewicht ist 5,7 kg, der Außendurchmesser ist 220 mm, die Breite 65 mm. Dieser Motor ist in einem Roller mit einem Raddurchmesser von 16 Inches montiert; es werden LiFePO4 Batterien mit 48 V/12 Ah verwendet; der getestete Roller zeigte eine maximale Geschwindigkeit von 53 km/h. Eine Laufleistung bei einmaliger Ladung mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 45 km/h ergibt 68 km, was einem Leistungsverbrauch von 12,6 Wh/km entspricht.
Ausführungsform 3
Ein vierphasiger elektrischer Antrieb weist 32 Elektromagnete und 50 Permanentmagnetpaare auf. Jeder Elektromagnet weist 120 Wicklungswindungen von 0,7 mm Durchmesser auf. Die Stromversorgungsspannung des elektrischen Antriebs ist 24 V. Die Nennleistung ist 150 W. Das Nennlastdrehmoment ist 22 Nm bei einer Nennrotationsfrequenz von 65 Upm. Der Nennstrom ist 8 A. Die maximale Leistung ist 165 W bei 45 Upm. Das Startdrehmoment ist 57 Nm, der ist Startstrom 16 A. Der maximale Verbrauchsstrom ist 18 A. Die Leerlaufdrehzahl ist 100 Upm. Der maximale Leistungsfaktor des Elektromotors ist 92 %. Das Motorgewicht ist 5,8 kg, der Außendurchmesser ist 260 mm, die Breite 60 mm. Zwei dieser Motoren sind in einem Rollstuhl mit einem Raddurchmesser von 23 Inches montiert; es werden LiFePO4 Batterien mit 24 V/12 Ah verwendet; der getestete Rollstuhl zeigte die nachstehenden technischen Eigenschaften: maximale Steigfähigkeit für ein Gewicht von 140 kg von 30 % (20%) und eine maximale Geschwindigkeit auf ebener Fläche von 9 km/h. Eine Laufleistung bei einmaliger Ladung mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 5 km/h ergibt 41 km, was einem Leistungsverbrauch von 7 Wh/km für zwei Motoren entspricht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6384496 B1 [0003]
US 6617746 B1 [0003]
RU 2129965 C1 [0003]
RU 2172261 C1 [0003]
RU 2091969 C1 [0003]
US 6727668 B1 [0003, 0006]
US 6762525 B1 [0003, 0006]
US 6791226 [0003, 0006]
US 6853107 B2 [0003]
RU 2265271 C1 [0003]
RU 2343620 C2 [0003]
RU 2290328 [0007]

Claims

Kommutatorloser Gleichstrom-Elektromotor, aufweisend: einen Innenstator mit Elektromagneten, wobei die Kerne parallel zu einer Rotationsachse des Elektromotors angeordnet sind; einen Außenrotor, der von dem Stator mittels eines Luftspaltes getrennt ist und zwei identische geschlossene Magnetkreise aufweist, die auf beiden Seiten des Stators angeordnet sind, wovon jeder Kreis Permanentmagnete mit wechselnder Magnetfeldrichtung aufweist, die in regelmäßigem Abstand um den Umfang herum angeordnet sind; Rotorpositionssensoren; eine Elektromagnetsteuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Phasen des Elektromotors jede beliebige aus dem Bereich von N = 2, 3, 4, 6 gewählte Anzahl sein kann; die Anzahl der Elektromagnete ein Vielfaches der Phasenanzahl ist, wobei alle von den Vorgenannten durch den Luftspalt getrennt und unabhängig mit der Steuereinheit verbunden sind; die Anzahl der Permanentmagnete in jedem Kreis geradzahlig ist, dabei kein Vielfaches der Phasenanzahl ist, und größer als die Anzahl der Elektromagnete ist, dabei kein Vielfaches davon ist; und die Anzahl der Rotorpositionssensoren niemals kleiner als die Anzahl der Phasen ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er 3 Phasen, 9 Elektromagnete und 12 oder 24 Permanentmagnete für jeden Magnetkreis aufweist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er 4 Phasen, 12 Elektromagnete aufweist, wobei eine Anzahl von Permanentmagneten aus dem Bereich m = 18, 20, 26, 30, 34 ausgewählt ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Phasen N geradzahlig ist und die Anzahl der Rotorpositionssensoren gleich N ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Phasen N ungeradzahlig ist und die Anzahl der Rotorpositionssensoren gleich N + 1 ist.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit sinusförmige Steuersignale bereitstellt, die an die Elektromagnete geliefert werden, wobei die Signalphasenverschiebung dynamisch von –60 bis 0 Phasengrad variieren kann.
Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagnete durch die Steuereinheit in Gruppen angeordnet werden können, wobei die Anzahl der Gruppen gleich der Anzahl der Phasen ist.
Elektromotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit eine Umschaltung zwischen serieller und paralleler Rekommutation der Elektromagnete in einer Gruppe bereitstellt.
Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die serielle Kommutation jede von den Elektromagnetwicklungen mit einer Stromversorgungsschaltung über eine Diodenbrücke verbunden ist.
Elektromotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Diodenbrücke zwei Dioden mit einer Schaltgeschwindigkeit von 40 bis 200 ns und zwei Kondensatoren mit einer Kapazität von 3000 bis 10000 Mikrofarad aufweist.