DE202021100676U1

DE202021100676U1 - Anordnung von Statorpolen zu Läuferpolen eines kommutatorlosen Elektromotors

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Publication number: DE202021100676U1
Application number: DE202021100676.5U
Authority: DE
Original assignee: Mechtronic GmbH
Current assignee: Mechtronic GmbH
Priority date: 2021-02-11
Filing date: 2021-02-11
Publication date: 2021-03-02
Anticipated expiration: 2031-02-12
Also published as: DE112021007063A5; WO2022171222A1

Abstract

Ein elektronisch angesteuerter Asynchron-Elektromotor als Außenläufer mit permanenterregtem Läufer und phasig gespeistem Stator, bestehend aus mindestens sechs einfachgewickelten Elektromagneten (3), Rückschlussring (1), Dauermagneten (2), dadurch gekennzeichnet, dass im Rückschlussring (1) anbringbare Dauermagnete (2) eine unterschiedliche Polung zu den jeweils benachbarten Dauermagneten (2) aufweisen, die Elektromagneten (3) zum jeweils benachbarten Elektromagneten (3) eine gegenläufige Wicklung besitzen, die Anzahl der Elektromagneten (3) geringer ist als die Anzahl der Dauermagneten (2), die Elektromagneten (3) zum Block (5), bestehend aus einem oder mehreren phasengleich versorgten Elektromagneten (3), verschaltbar sind, die Elektromagneten (3) über den gemeinsamen Neutralleiter (6) zu mindestens zwei Betriebseinheiten verbunden sind, die Elektromagneten auf die Betriebseinheiten stets gleichmäßig verteilt sind, die Anzahl Betriebseinheiten, die Anzahl phasengleich versorgter Elektromagneten (3) je Block als auch die Anzahl Blöcke je Betriebseinheit während des Motorbetriebes veränderbar sind.

Description

Elektromotoren definieren sich regelmäßig über die Art der Erregung des magnetischen Feldes und die Lage von Stator zu Läufer. Motoren mit fremderregtem Läufer und mehrphasig gespeistem Stator sind konstruktiv problematisch, aufwendig und teuer in der Herstellung.
Ein Außenläufer ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der ruhende Teil des Motors (Stators) im Inneren befindet, der bewegliche Teil (Rotor) um dessen Achse rotiert. Gerade für elektrische Fahrzeuge ohne Getriebeübersetzung kommen diese Maschinen als Radantrieb zum Einsatz. Gewünscht wird dazu ein hohes Drehmoment bei geringer Drehzahl. Das dazu benötigte starke Magnetfeld wird durch eine relativ hohe Anzahl von Wicklungen erreicht. Im Gegensatz zu hochdrehenden Motoren mit einem geringen Drehmoment und relativ geringerer Anzahl von Wicklungen ist deren Wirkungsgrad wegen des höheren Widerstandes und dadurch bedingter höherer Wärmeerzeugung regelmäßig schlechter.
Für die Erhöhung von Leistung und Drehmoment schlägt US 6727668 eine optimierte Steuerung vor. Der Nachteil dieser Erfindung besteht darin, dass jede Phasenwicklung mit einem oder mehreren Schaltern und einer Energiequelle zur selektiven Erregung der Phasenwicklung verbunden ist.
Mit US 6762525 wird eine Verbesserung des magnetischen Feldes durch eine kaskadierte Anordnung von Permanentmagneten vorgeschlagen. Dabei umfasst jedes Satorelektromagnetsegment ein Paar von Polen, die in einer Richtung parallel zur Drehachse ausgerichtet sind. Damit lassen sich mehrere um eine Drehachse zentrierte und axial benachbarte Rotorringe um eine Drehachse anordnen. Der Nachteil dieser Erfindung ist im hohen konstruktiven Aufwand zu erkennen.
Ein Problem getriebeloser Motoren besteht darin, dass der Bereich des Anfahrens und des Fahrbetriebes unterschiedlichen dynamischen Bereichen zugeordnet ist. DE 20 2013 102 358 schlägt dazu einen getriebelosen Niederdrehzahlmotor mit einem vielseitigen relativ einfachen Aufbau für verschiedene Betriebsarten vor. Dieser Außenläufer mit seitlich angeordneten Permanentmotoren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Phasen des Elektromotors jede Zahl aus dem Bereich von N= 2, 3, 4, 6 annehmen kann, die Anzahl der Elektromagnete ein Vielfaches der Phasenzahl ist und die Anzahl der Permanentmagneten nicht dem Vielfachen der Elektromagnete entspricht und größer als die Anzahl der Elekromagnete. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass besonders bei kleinen und langsam laufenden Maschinen mit kurzer Statorlänge bzw. kurzen Blechpaketen durch den hohen Kupferanteil ein schlechter Wirkungsgrad begründet wird.
Um bei langsam laufenden Maschinen die Wicklungsverluste zu minimieren, offenbart EP 159005 die Anordnung von phasenweise zusammengeschlossenen Statorpolen, die auf eine gleichgroße Anzahl gegenüberstehender Läuferpole wirkt. Erkennbarer Nachteil dieser Erfindung ist, dass die jeweils zur Phase zusammengeschlossenen Elektromagneten in den Nulldurchgängen der Bestromung die zugeordneten Läuferpole nicht für die Drehmomentbildung ausnutzen können. Dies führt zu einem unrunden Lauf, höhere mechanische Belastung bei einem gleichzeitig geringen Drehmoment.
DE 195 07 489 offenbart eine elektrische Maschine, bei der ein Statorfeld pro magnetischer Periode eine zur Anzahl der Phasen identische Zahl von Statorpolen aufweist. Danach steht ein mit der Wicklung einer Phase versehenes Statorfeld einem aus einem Polpaar gebildeten magnetischen Feld gegenüber. Der Nachteil dieser Erfindung liegt darin, dass das Schalten eines Elektromagneten ohne das gleichzeitige Schalten der benachbarten Elektromagneten störende Rückwirkungen auf die nichtgeschalteten Elektromagneten mit sich bringt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Außenläufer so zu beschaffen, dass er ein hohes Drehmoment bei einem runden Lauf bereitstellt, wobei die benachbarten Elektromagneten sich möglichst wenig gegenseitig beeinflussen.
Es handelt sich um einen elektronisch angesteuerten Asynchron-Elektromotor als Außenläufer mit permanenterregtem Läufer und phasig gespeistem Stator, im weiteren Motor genannt. Die elektronische Ansteuerung erfolgt über eine Steuerelektronik, die nicht Gegenstand der Erfindung ist. Der Motor besteht aus einem Rückschlussring (1). In diesen sind Dauermagnete (2) so eingebracht, dass sich jeweils Dauermagneten (2) unterschiedlicher Polung benachbarn. Den Dauermagneten (2) gegenüber sind Elektromagnete (3) vorgesehen, deren zum Dauermagnet (2) zeigendes Ende als Statorpol (4) bezeichnet wird. Infolge der gegenläufigen Wicklungsrichtung weisen benachbarte Elektromagnete (3) unterschiedlich gepolte Statorpole (4) auf. Jeder Elektromagnet (3) enthält eine Wicklung. Die Anzahl der Dauermagneten (2) ist stets geringer als die Anzahl der Elektromagneten (3).
Der Motor besteht aus mindestens sechs Elektromagneten (3), die stets gleichmäßig auf mindestens zwei Betriebseinheiten verteilt sind. Eine Betriebseinheit besteht aus den Elektromagneten (3), die über jeweils einen gemeinsamen Neutralleiter (6) miteinander verbunden sind. Ein oder mehrere Elektromagneten (3) je Betriebseinheit, die mittels der Steuerelektronik mit derselben Phase (L) versorgt werden, werden als Block (5) bezeichnet. Eine Betriebseinheit weist mindestens 2 Elektromagneten auf, die entweder im Block zur Phase L₁ oder in zwei Blöcken der Phasen L₁ und L₂ betrieben werden. Nach der Erfindung lassen sich während des Motorbetriebes Elektromagneten (3) phasengleich zusammenschalten und umgekehrt. So bestehen Blöcke (5) aus einer veränderbaren Anzahl Elektromagneten (3), mindestens jedoch einem. Innerhalb der Betriebseinheit entspricht die Periodendauer der phasengleich betriebenen Blöcke (5) dem Vollwinkel von 360°. Dadurch werden die Elektromagneten (3) in veränderbarer Anzahl im Nulldurchgang der Bestromung über die dem Rückschlussring (1) zugeordneten Statorpole (4) für die Drehmomentbildung genutzt.
Während des Betriebs des Motors lässt sich über die Steuereinheit sowohl die Anzahl Elektromagneten (3) je Block (5) und ebenso die Anzahl Betriebseinheiten je Motor verändern, wobei nach der Erfindung die Elektromagneten über einen gemeinsamen Neutralleiter zu mindestens zwei Betriebseinheiten verbunden sind.
Die Anzahl Betriebseinheiten wird mit dem Formelzeichen BE, die Anzahl Blöcke (5) je Betriebseinheit wird mit dem Formelzeichen B_N ausgedrückt. Danach ergibt sich folgende Abhängigkeit:

Anzahl Elektromagnete Eges = BE * B_N wobei gilt: Eges mindestens 6, BE ≥ 2

Ausführungsbeispiel:

1 zeigt exemplarisch 36 Elektromagnete (3), um die Achse (nicht dargestellt) des Motors angeordnet, denen 32 Dauermagnete (2) gegenüberstehen. Insgesamt sind sie über den Neutralleiter (6) zu zwei Betriebseinheiten verbunden. Jede Betriebseinheit weist dieselbe Anzahl Elektromagneten (3) und Blöcke auf. Die Betriebseinheiten sind identisch aufgebaut. In jeder Betriebseinheit sind jeweils drei Elektromagnete (3) in Reihe zur Phase L_N zum Block (5) geschaltet und jede Betriebseinheit besteht danach aus 6 Blöcken (5) ä 3 Elektromagneten (3), wobei die Blöcke (5) über die Phase L₁ bis L₆ versorgt werden. Der Phasenabstand der Blöcke (5) jeder Betriebseinheit zueinander beträgt 60°.

Nach der Erfindung können Elektromagnete (3) der jeweiligen Betriebseinheit zu einem Block (5) in Reihe verschaltet werden und umgekehrt. In einem Block (5) werden die Elektromagneten (3) mit derselben Phase (L) versorgt. Bei mehreren Elektromagneten (3) je Block liegt die Phase in Reihe an. Die Anzahl Elektromagneten (3), die zu einem Block (5) verschaltet werden, ist während des Betriebes veränderbar. Sie kann zum Beispiel erhöht oder bis zum Erreichen der Mindestanzahl von einem Elektromagneten (3) verringert verändert werden. Ebenso ist die Anzahl der Blöcke (5) je Betriebseinheit während des Betriebs veränderbar. Auch die Anzahl Betriebseinheiten lässt sich während des Betriebs über die Steuerelektronik variieren.
Am Beispiel eines Motors mit 36 Elektromagneten sind danach folgende Betriebszustände möglich:

BE=2, 18 Blöcke ä 1 Elektromagnet
BE=2, 9 Blöcke ä 2 Elektromagneten
BE=2, 6 Blöcke ä 3 Elektromagneten
BE=2, 3 Blöcke ä 6 Elektromagneten
BE=2, 2 Blöcke á 9 Elektromagneten
BE=3, 12 Blöcke ä 1 Elektromagnet
BE=3, 6 Blöcke ä 2 Elektromagneten
BE=3, 4 Blöcke á 3 Elektromagneten
BE=3, 6 Blöcke á 6 Elektromagneten
BE=4, 9 Blöcke á 1 Elektromagnet
BE=4, 3 Blöcke á 3 Elektromagneten
BE=6, 6 Blöcke á 1 Elektromagnet
BE=6, 3 Blöcke á 2 Elektromagneten
BE=6, 2 Blöcke á 3 Elektromagneten
BE=12, 3 Blöcke á 1 Elektromagnet

1 zeigt die Startphase eines Elektromotors nach der Erfindung mit 36 Elektromagneten (3). Die Elektromagneten (3) sind über zwei Neuralleiter (6) in zwei Betriebseinheiten zu Blöcken (5) der Phasen L₁- L₆ geschaltet, jeder Block (5) besteht aus drei in Reihe versorgter Elektromagneten (3) derselben Phase L_n.
2 zeigt den Dauerbetrieb des Elektromotors: Nach Erreichen eines Schwellenwertes wird über die Steuerelektronik die Anzahl Betriebseinheiten von zwei auf vier erhöht. Dazu werden jeweils drei Elektromotoren (3) zu einem Block (5) geschaltet. Der Phasenabstand L₁ - L₃ je Block (5) beträgt danach 120°.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass bei einfacher Wicklung der Elektromagneten (3) und damit geringem technischem Herstellungsaufwand die wirksamen Wicklungen der Elektromagneten (3) während des Betriebs des Motors zu unterschiedlich großen Blöcken (5) gleicher Phase L_N entsprechend der Prämisse Drehmoment oder Wirkungsgrad in Reihe rauf oder runter geschaltet werden können. Hinzu kommt, dass durch die veränderbare Anzahl von Betriebseinheit die Kräfte der Elektromagnete (3) weniger einseitig auf die Achse wirken und der Motor dadurch ruhiger läuft.
Bezugszeichenliste

1.: Rückschlussring
2.: Dauermagnet
3.: Elektromagnet
4.: Statorpol
5.: Block
6.: Neutralleiter

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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6727668 [0003]
US 6762525 [0004]
DE 202013102358 [0005]
EP 159005 [0006]
DE 19507489 [0007]

Claims

Ein elektronisch angesteuerter Asynchron-Elektromotor als Außenläufer mit permanenterregtem Läufer und phasig gespeistem Stator, bestehend aus mindestens sechs einfachgewickelten Elektromagneten (3), Rückschlussring (1), Dauermagneten (2), dadurch gekennzeichnet, dass im Rückschlussring (1) anbringbare Dauermagnete (2) eine unterschiedliche Polung zu den jeweils benachbarten Dauermagneten (2) aufweisen, die Elektromagneten (3) zum jeweils benachbarten Elektromagneten (3) eine gegenläufige Wicklung besitzen, die Anzahl der Elektromagneten (3) geringer ist als die Anzahl der Dauermagneten (2), die Elektromagneten (3) zum Block (5), bestehend aus einem oder mehreren phasengleich versorgten Elektromagneten (3), verschaltbar sind, die Elektromagneten (3) über den gemeinsamen Neutralleiter (6) zu mindestens zwei Betriebseinheiten verbunden sind, die Elektromagneten auf die Betriebseinheiten stets gleichmäßig verteilt sind, die Anzahl Betriebseinheiten, die Anzahl phasengleich versorgter Elektromagneten (3) je Block als auch die Anzahl Blöcke je Betriebseinheit während des Motorbetriebes veränderbar sind.