EP1618646A1 - Multiphase multipole high speed linear or rotational synchronous motor - Google Patents

Multiphase multipole high speed linear or rotational synchronous motor

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Publication number
EP1618646A1
EP1618646A1 EP04763714A EP04763714A EP1618646A1 EP 1618646 A1 EP1618646 A1 EP 1618646A1 EP 04763714 A EP04763714 A EP 04763714A EP 04763714 A EP04763714 A EP 04763714A EP 1618646 A1 EP1618646 A1 EP 1618646A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
winding
tooth
slot
motor according
motor
Prior art date
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Ceased
Application number
EP04763714A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Heinrich
Dieter Gramann
Thomas Lapp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Industrial Drives AG and Co KG
Original Assignee
INA Drives and Mechatronics GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by INA Drives and Mechatronics GmbH and Co KG filed Critical INA Drives and Mechatronics GmbH and Co KG
Publication of EP1618646A1 publication Critical patent/EP1618646A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H02K41/031Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H02K21/16Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having annular armature cores with salient poles

Definitions

  • the invention relates to a multi-phase, multi-pole, high-speed linear or rotary synchronous motor with a primary part, comprising a preferably laminated yoke with a plurality of teeth with tooth heads and grooves located between them, and pole or armature windings arranged in the grooves, a secondary part, which is essentially the primary part is formed opposite and has a plurality of permanent magnets of alternating polarity, which are arranged on a common reflux base, furthermore the groove outputs have an essentially uniform groove pitch T n and the permanent magnet poles have an essentially uniform pole pitch T p , and several lying in side by side Slot-running windings are connected with the same current, according to the preamble of claim 1.
  • Electric synchronous motors consist of a so-called primary part, which contains the actual winding, and a reaction part equipped with permanent magnets, also called a secondary part. A distinction is made in such motors between tinned or iron-containing or ironless motors.
  • FIG. La Such a pole structure of the prior art is shown in Fig. La.
  • This figure also discloses a conventional arrangement with regard to the division ratio between the slot pitch T n and the pole pitch T p .
  • the primary part is provided with the reference number 1 and the secondary part with the reference number 2.
  • the primary part 1 has a number of teeth 4 which are connected via a yoke 5. There are grooves 3 between the teeth 4 which receive the winding.
  • Such a mushroom head design of the teeth has a major disadvantage in terms of production technology, since it is not possible to insert prefabricated windings through the remaining narrow grooves past the tooth tips 4a into the usable space.
  • the pole arrangement indicated in FIG. 1 a is characterized by a groove pitch T n which differs clearly from the magnetic pole pitch T p .
  • FIG. 1b shows a possible basic winding diagram for the basic motor arrangement according to FIG.
  • the support winding is according to the known prior art with a number of turns W by one Group of teeth 4 laid in the grooves 3. Only the part of the winding that is routed or located in the slots itself contributes to the force generation of the motor.
  • the portion 9 of the winding also called winding end, located outside the slots merely increases the winding resistance and thus the loss portion, i.e. there is a decrease in the efficiency of the engine.
  • the pole pitch ratio T n / T p according to FIG. 1 a and the electrical phase position specified thereby determine which phase assignment and which winding sense the winding strands laid in the slots must have. This shows a relationship between the selected pole pitch ratio and the possible winding variants that depend on it.
  • the voltage constant k v (k ⁇ ) is very large due to the necessary high number of poles and the corresponding motor is required then a very high operating voltage in order to achieve the desired high speeds.
  • a parallel connection of partial windings has the disadvantage that the smallest differences in the counter voltages generated in the partial windings lead to unwanted equalizing currents and, from a certain speed, to thermal and damping effects which can no longer be controlled.
  • a further increase in the winding cross-section in conventional motor structures with enamelled wire windings in the slots is either limited due to the manageable wire cross-sections or, in the case of usual pole pitch ratios between the primary and secondary part, involves a considerable amount of wiring outside the slots.
  • the teaching according to DE 33 20 805 C2 aims at improving the efficiency and minimizing the reluctance ripple of a synchronous motor, where the motor is divided into zones and separate windings are connected in series. A small phase offset from winding to winding up to the phase angle between two phases is also addressed there.
  • the German patent DE 195 03 610 C2 goes in a similar direction with the aim of improving the efficiency of an engine and improved manufacturing technology.
  • a winding conductor is arranged within a defined zone with an alternating direction around successive stator poles. Furthermore, a meandering winding is shown there, although the pole windings are connected in series.
  • the slot width basically corresponds to the width of the winding conductor, and sections of the winding conductor which meet within a pole slot are arranged one above the other.
  • a fixed pole pitch with nine tooth poles and eight magnetic poles is used, the pole windings being connected in series. There is no phase shift between the teeth. In the tooth windings there, only every second one is connected in series, with the
  • the proposed motor construction is therefore based on a plurality of windings which run in adjacent grooves and which are connected to the same electrical motor phase and current supply.
  • the windings belonging to the same motor phase are connected in series, with the winding direction and the current direction changing from slot to slot.
  • Each winding is designed as a tooth winding comprising a tooth and has n turns. Such a tooth winding is the most efficient and technologically very easy to carry out.
  • the series connection of the tooth windings is cheaper than known parallel connections, ie the side effects given in the prior art, which impair the efficiency of the motor, do not occur.
  • the path between the tooth windings or from slot to slot is chosen to be as short as possible.
  • the aim is also to minimize the amount of wiring between the winding strands connected in series.
  • the pole division ratio T n / T p at least over sections of the motor close to 1, ie also close to larger or close to 1, ensures that within a wide range over several teeth from slot to adjacent slot with regard to the direction of the desired current and thus there is a constant change in the winding direction. Directly adjacent winding strands, which form the tooth windings, can thus be electrically connected in series in the desired manner.
  • the plurality of teeth mentioned on the claims is at least six, the low electrical phase offset being set to values ⁇ 60 °.
  • the winding is advantageously designed as a continuous, electrically insulated, high-temperature-resistant strand, which can be stuffable in relation to the insertion into the groove, and has a large cross section for carrying a high desired current.
  • the winding itself has only a few tooth turns and is accordingly in the slots laid. This measure results in the desired reduction in the wiring effort and there is a minimization of the winding resistance of the overall motor, with the result of the desired increase in efficiency.
  • the use of an electrically insulated strand minimizes undesirable skin or other eddy current effects with the usual high-frequency control, with the advantages that this gives compared to a winding consisting of a copper wire with a large cross section.
  • the strand here consists of at least 20, preferably 60 to 100 individual cores, i.e. there is high core.
  • the tooth tips are specially designed.
  • the tooth heads are able to accommodate shaped bodies or shaped pieces with the aim of making the winding strand, also prefabricated, in grooves in a technologically simple manner, i.e. to bring the interdental spaces.
  • the respective tooth tip ends have a recess or a recess.
  • These recesses or recesses serve to fix the aforementioned shaped bodies or shaped pieces, which are oriented in such a way that the width of the groove exit is reduced.
  • the shaped bodies or shaped pieces are connected to the free tooth tip ends in a material-locking and / or positive-locking or non-positive manner.
  • the shaped pieces or shaped bodies preferably consist of a soft magnetic material which, in a special embodiment, is different from the tooth material, i.e. the laminated core of the primary part is electrically insulated.
  • the shaped bodies or shaped pieces are preferably glued to the respective recess or recess. After the Introducing the winding and fixing the shaped bodies or shaped pieces results in an overall potting of the partial arrangement.
  • the insulation between the shaped body or shaped piece and the tooth material can preferably be formed by an adhesive layer which also serves to fasten the respective shaped body in the corresponding recess.
  • the recesses or recesses are formed on both sides of a respective tooth tip end and have a groove shape.
  • This groove can have a semicircular, rectangular, square, triangular or trapezoidal cross section.
  • recesses or recesses can be located on the end face of the tooth head, the respective molded body or the shaped piece, widening the tooth head, being placed and locked.
  • FIG. 2a shows a section of a linear motor or a development of a rotary motor with primary part and secondary part
  • FIG. 2b shows a winding diagram with information on the electrical phase shift in a motor according to the exemplary embodiment
  • Fig. 3 is a schematic diagram of a rotary synchronous motor with seven pole pairs or fourteen permanent magnet poles and
  • Fig. 4 shows a motor analogous to the illustration of Fig. 3, but with a winding meandering through the grooves.
  • B n defines the width of the slot exits, with shaped pieces being provided for widening the tooth tips 4 a, which are located in recesses or recesses of the respective tooth tip or are introduced there.
  • the proposed construction ensures that depending on the total number of poles 6 of the secondary part 2 or the total number of teeth 4 of the primary part 1, which should be divisible by the number of phases, the pole pitch ratio T n / T p is set such that the same tooth-magnet constellation is repeated only over the largest possible number of teeth 4 and thus magnetic periods 2 T p .
  • these are nine teeth with a ratio T n / T p 0.88.
  • T n / T p 0.88.
  • phase shift of 40 ° with respect to the partial EMF or slot-related counter voltages generated in the adjacent slot windings 8 which allows them to be electrically connected in series over a total of 120 °, so that they operate on the same motor phase and the same target current suspend.
  • this is not possible because there the phase assignment changes over several grooves. Either there is overlap or there is a constant change of phase assignment in the case of so-called tooth windings.
  • Each phase winding U, V, W is a series connection of successively immediately adjacent tooth windings with n turns, the winding direction of the winding strands 8 changing from slot to slot.
  • FIG. 2b shows the winding diagram and the electrical phase offset, based on the electromotive forces generated over the respective slot length when the motor is operating as a generator.
  • the resulting force of the entire motor is made up of the respective phase-shifted partial forces of the slot windings connected in one phase and the superimposition of the phase forces in a multi-phase system in a known manner.
  • a long and continuous, electrically insulated, high-wire strand with a large cross section corresponding to the target current is laid in the respective grooves with only a few tooth turns.
  • a primary part or a primary part cutout with six teeth and six slots, in which three adjacent tooth windings are assigned to three different motor phases and the number of magnets is five, is to be regarded as the limit case and the smallest motor element that can be realized.
  • the EMF-related electrical phase shift from groove to groove is 60 ° in such a variant.
  • at least two such motor segments must then be distributed over the circumference and electrically connected in opposite directions.
  • the total number of teeth of a primary part is divided into an equal number of groove-tooth groups corresponding to the number of phases and provided with a low EMF-related electrical phase offset of a few degrees. This electrical phase offset is 360 ° / number of slots.
  • the EMF-related phase offset between two adjacent winding strands according to FIG. 3 is 24 °. Of the fifteen teeth or grooves, five are combined in a groove-tooth group, which in turn are each assigned to the three phases U, V, W.
  • Each phase winding consists of a single, continuous strand, which is laid around each of the five teeth with 3.5 tooth turns through the slots. There is a winding strand with seven wires in each slot. In this constellation, the tooth windings are laid from slot to slot in the shortest possible way.
  • the use of a strand with a large cable cross-section in the range of 2.5 to 6 mm 2 results in a very low winding resistance with a correspondingly low voltage constant.
  • the three phase windings are connected and connected in a known manner in an electrical three-phase system.
  • FIG. 4 shows a similar motor as described above, with meandering windings being assumed there. This example is an extreme case for a winding with minimized counter voltage with a defined number of poles.

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Abstract

The invention relates to a multiphase, multipole, high speed, linear, or rotating synchronous motor with a primary piece, comprising a preferably laminated yoke with a number of teeth with teeth crowns and slots, located between the same, with pole or armature windings, or corresponding winding packets located in the slots, a secondary piece, embodied essentially opposite the primary piece and a number of permanent magnets of alternating polarity arranged on a common return plate. The slot outlets have an essentially uniform slot distribution Tn and the permanent magnet poles have an essentially uniform pole distribution Tp and several windings running in adjacent grooves are connected to the same supply. According to the invention, several windings running in adjacent slots are connected with the same electrical motor phase and flow and the windings corresponding to the same motor phase are connected in series. Also, the winding direction and the flow direction alternate from slot to slot. Each winding is embodied as a tooth winding enclosing a tooth and has n windings. The ratio between slot distribution Tn and pole distribution Tp is selected to be approximately 1 and the same arrangement of teeth and permanent magnets is first repeated over a number of teeth.

Description

Mehrphasiger, vielpoliger, schnelllaufender Linear- oder Rotationssynchronmotor Beschreibung Multi-phase, multi-pole, high-speed linear or rotary synchronous motor Description
Die Erfindung betrifft einen mehrphasigen, vielpoligen, schnelllaufenden Linear- oder Rotationssynchronmotor mit einem Primärteil, umfassend ein vorzugsweise geblechtes Joch mit einer Vielzahl von Zähnen mit Zahnköpfen und dazwischen befindlichen Nuten, sowie in den Nuten angeordnete Poloder Ankerwicklungen, einem Sekundärteil, welches im wesentlichen dem Primärteil gegenüberliegend ausgebildet ist und eine Vielzahl von Perma- mentmagneten wechselnder Polarität aufweist, die auf einer gemeinsamen Rückflusssohle angeordnet sind, wobei weiterhin die Nutausgänge eine im wesentlichen gleichmäßigen Nutteilung Tn sowie die Permamentmagnetpole eine im wesentlichen gleichmäßige Polteilung Tp aufweisen und wobei mehrere in nebeneinander liegenden Nuten verlaufende Wicklungen mit gleicher Bestromung beschaltet sind, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a multi-phase, multi-pole, high-speed linear or rotary synchronous motor with a primary part, comprising a preferably laminated yoke with a plurality of teeth with tooth heads and grooves located between them, and pole or armature windings arranged in the grooves, a secondary part, which is essentially the primary part is formed opposite and has a plurality of permanent magnets of alternating polarity, which are arranged on a common reflux base, furthermore the groove outputs have an essentially uniform groove pitch T n and the permanent magnet poles have an essentially uniform pole pitch T p , and several lying in side by side Slot-running windings are connected with the same current, according to the preamble of claim 1.
Elektrische Synchronmotoren bestehen aus einem sogenannten Primärteil, welches die eigentliche Wicklung enthält, und einem mit Permament- magneten bestückten Reaktionsteil, auch Sekundärteil genannt. Unterschieden wird bei solchen Motoren zwischen geblechten oder eisen- behaftenen bzw. eisenlosen Motoren.Electric synchronous motors consist of a so-called primary part, which contains the actual winding, and a reaction part equipped with permanent magnets, also called a secondary part. A distinction is made in such motors between tinned or iron-containing or ironless motors.
Bei allen Synchronmotoren der vorbeschriebenen Art, die eine deutlich erkennbare Zahnstruktur im Primärteil aufweisen, und ausgeprägten Magnetpolen im Sekundärteil, treten bei Relativbewegung zwischen den beiden Teilen Änderungen im magnetischen Widerstand, d.h. Reluktanzunterschiede auf, welche zu unerwünschten Rasteffekten oder sogenannten Reluktanzkräften führen.In all synchronous motors of the type described above, which have a clearly recognizable tooth structure in the primary part and pronounced magnetic poles in the secondary part, changes in the magnetic resistance occur when there is relative movement between the two parts, i.e. Reluctance differences, which lead to undesired locking effects or so-called reluctance forces.
Ein solcher Effekt ist bei der Anwendung von Synchronmotoren störend, da er vor allem die Gleichlaufeigenschaften beeinflusst und nicht oder nur mit sehr großem Aufwand durch regelungstechnische Maßnahmen beseitigt werden kann. Es ist weiterhin bekannt, dass der vorstehend erwähnte Reluktanzeffekt sehr stark von der Grundanordnung der Polstruktur bei Primär- und Sekundärteil abhängt.Such an effect is disruptive when using synchronous motors, since it mainly affects the synchronous properties and cannot be eliminated or can only be eliminated with great effort by means of control measures. It is also known that the reluctance effect mentioned above depends very much on the basic arrangement of the pole structure in the primary and secondary part.
Eine solche Polstruktur des Standes der Technik ist in der Fig. la gezeigt. Diese Figur offenbart auch eine übliche Anordnung mit Blick auf das Teilungsverhältnis zwischen der Nutteilung Tn und der Polteilung Tp.Such a pole structure of the prior art is shown in Fig. La. This figure also discloses a conventional arrangement with regard to the division ratio between the slot pitch T n and the pole pitch T p .
Das Primärteil ist mit dem Bezugszeichen 1 und das Sekundärteil mit dem Bezugszeichen 2 versehen. Das Primärteil 1 weist eine Anzahl von Zähnen 4 auf, die über ein Joch 5 verbunden sind. Zwischen den Zähnen 4 befinden sich Nuten 3, welche die Wicklung aufnehmen.The primary part is provided with the reference number 1 and the secondary part with the reference number 2. The primary part 1 has a number of teeth 4 which are connected via a yoke 5. There are grooves 3 between the teeth 4 which receive the winding.
Um Reluktanzrippel gering zu halten, ist es vorbekannt, die Breite 3a des Nutausgangs zu minimieren, was durch eine pilzkopfförmige Ausbildung 4a am freien Ende der Zähne realisiert wird. Eine solche Pilzkopfstruktur ist beispielsweise aus der DE 197 01 342 AI, der DE 33 20 805 C2, aber auch der CZ 288 081 B vorbekannt.In order to keep reluctance ripples low, it is previously known to minimize the width 3a of the groove exit, which is realized by a mushroom-shaped design 4a at the free end of the teeth. Such a mushroom head structure is known for example from DE 197 01 342 AI, DE 33 20 805 C2, but also from CZ 288 081 B.
Eine derartige Pilzkopfausbildung der Zähne hat fertigungstechnisch einen wesentlichen Nachteil zur Folge, da es nicht möglich ist, vorgefertigte Wicklungen durch die verbleibenden, engen Nuten, vorbei an den Zahnköpfen 4a in den Nutzwischenraum einzubringen.Such a mushroom head design of the teeth has a major disadvantage in terms of production technology, since it is not possible to insert prefabricated windings through the remaining narrow grooves past the tooth tips 4a into the usable space.
Die in der Fig. la angedeutete Polanordnung ist durch eine sich deutlich von der magnetischen Polteilung Tp unterscheidende Nutteilung Tn gekennzeichnet. Das Verhältnis Tn/Tp ist hier 1/3 = 0,33. Wie vorerwähnt, kommt es bei einer Relativverschiebung von Primär- und Sekundärteil durch die Reluktanzunterschiede zu Rasteffekten. Ein solcher unerwünschter Rasteffekt ist nachweislich umso größer, je weiter Tn und Tp auseinander liegen, und, wie ebenfalls dargelegt, mit Blick auf die gewünschten Gleichlaufeigenschaften des Motors störend.The pole arrangement indicated in FIG. 1 a is characterized by a groove pitch T n which differs clearly from the magnetic pole pitch T p . The ratio T n / T p here is 1/3 = 0.33. As mentioned above, there is a detent effect when the primary and secondary parts are displaced relative to each other due to the reluctance differences. Such an undesirable locking effect is demonstrably greater the further apart T n and T p are, and, as also explained, is disruptive with regard to the desired synchronous properties of the engine.
Mit der Fig. lb ist ein mögliches prinzipielles Wicklungsschema für die Motorgrundanordnung nach Fig. la gezeigt. Die Tragwicklung ist gemäß dem bekannten Stand der Technik mit einer Windungszahl W um eine Gruppe von Zähnen 4 in den Nuten 3 verlegt. Lediglich der in den Nuten selbst verlegte bzw. dort befindliche Wicklungsanteil trägt zur Krafterzeugung des Motors bei.FIG. 1b shows a possible basic winding diagram for the basic motor arrangement according to FIG. The support winding is according to the known prior art with a number of turns W by one Group of teeth 4 laid in the grooves 3. Only the part of the winding that is routed or located in the slots itself contributes to the force generation of the motor.
Der außerhalb der Nuten sich befindende Anteil 9 der Wicklung, auch Wickelkopf genannt, erhöht lediglich den Wicklungswiderstand und damit den Verlustanteil, d.h. es tritt eine Verminderung der Effizienz des Motors auf.The portion 9 of the winding, also called winding end, located outside the slots merely increases the winding resistance and thus the loss portion, i.e. there is a decrease in the efficiency of the engine.
Durch das Polteilungsverhältnis Tn/Tp gemäß Fig. la und die damit vorge- gebene elektrische Phasenlage ist bestimmt, welche Phasenzuordnung und welchen Wicklungssinn die in den Nuten verlegten Wicklungsstränge aufweisen müssen. Hieraus ist ein Zusammenhang zwischen dem gewählten Polteilungsverhältnis und davon abhängigen möglichen Wicklungsvarianten erkennbar.The pole pitch ratio T n / T p according to FIG. 1 a and the electrical phase position specified thereby determine which phase assignment and which winding sense the winding strands laid in the slots must have. This shows a relationship between the selected pole pitch ratio and the possible winding variants that depend on it.
Synchronmotoren entwickeln mit steigender Relativgeschwindigkeit zwischen Stator bzw. Primärteil und Läufer, d.h. dem Sekundärteil, eine steigende elektrische Gegenspannung. Diese Gegenspannung ergibt sich zu Ug = kv • v bzw. Ug = kω . ω. Wenn die Gegenspannung in den Bereich der Betriebsspannung bzw. der Zwischenkreisspannung bei Umrichtern gelangt, wird der Stromfluss in den Motor limitiert und es ist keine weitere Geschwindigkeitserhöhung mehr möglich.Synchronous motors develop an increasing electrical counter voltage with increasing relative speed between stator or primary part and rotor, ie the secondary part. This counter voltage results in U g = k v • v or U g = k ω . ω. If the counter voltage reaches the range of the operating voltage or the intermediate circuit voltage for converters, the current flow into the motor is limited and no further speed increase is possible.
Besonders in dem Fall, wenn der Motor gleichzeitig eine hohe Kraft bzw. ein hohes Drehmoment und eine hohe Geschwindigkeit bzw. eine hohe Drehzahl erzeugen soll, ist die Spannungskonstante kv (kω) aufgrund der notwendigen hohen Polzahl sehr groß und der entsprechende Motor benötigt dann eine sehr hohe Betriebsspannung, um die gewünschten großen Geschwindigkeiten zu erreichen.Particularly in the case when the motor is to generate a high force or a high torque and a high speed or a high speed at the same time, the voltage constant k v (k ω ) is very large due to the necessary high number of poles and the corresponding motor is required then a very high operating voltage in order to achieve the desired high speeds.
Motoren mit hoher Kraft- bzw. Momentausbeute werden in ebenfalls bekannter Weise mit hohen Polzahlen ausgelegt, wobei hier nun das Problem der steigenden Gegenspannungen, welche zu unterdrücken sind, ansteht. Da bei gebräuchlichen Umrichtern die Zwischenkreisspannungen meist auf Werte zwischen 300 und 600 V begrenzt sind, lassen sich hohe Geschwindigkeiten außer bei Anwendung des sogenannten Feldschwäche- betriebs nur noch durch Senkung der kv (kω)-Konstante erreichen .Motors with a high power or torque yield are also designed in a known manner with large numbers of poles, the problem of increasing counter voltages, which must be suppressed, now arise. Since the intermediate circuit voltages of common inverters are usually limited to values between 300 and 600 V, high speeds can only be achieved by reducing the k v (k ω ) constant, except when using so-called field weakening operation.
Dies bedeutet in der Konsequenz, dass sehr niederohmige und niederinduktive Wicklungen mit entsprechend geringen Spannungskonstanten und damit einhergehenden geringen Kraftkonstanten zu realisieren sind. Demzufolge steigt aber der Strombedarf I = F/kf (I = M/Km) zur Erzeugung der gewünschten Kräfte F bzw. Drehmomente M aufgrund der Geschwindigkeitsanforderungen an, was wiederum bedeutet, dass die Wicklungen entweder mit sehr großen Querschnitten ausgelegt sein müssen oder aber die Anordnung mehrerer gleichphasig liegender Teilwicklungen vorzusehen ist, welche parallel zu schalten sind.The consequence of this is that very low-resistance and low-inductance windings with correspondingly low voltage constants and the associated low force constants can be realized. As a result, however, the current requirement I = F / k f (I = M / Km) for generating the desired forces F or torques M increases due to the speed requirements, which in turn means that the windings must either be designed with very large cross sections or else the arrangement of several in-phase partial windings is to be provided, which are to be connected in parallel.
Die vorstehend erläuterte Methode zur Realisierung geringer Wicklungswiderstände weist jedoch entscheidende Nachteile auf.However, the method explained above for realizing low winding resistances has decisive disadvantages.
Ein Parallelschalten von Teilwicklungen hat den Nachteil, dass geringste Differenzen der in den Teilwicklungen erzeugten Gegenspannungen zu ungewollten Ausgleichsströmen und ab einer bestimmten Geschwindigkeit zu nicht mehr beherrschbaren thermischen- und Dämpfungseffekten führen.A parallel connection of partial windings has the disadvantage that the smallest differences in the counter voltages generated in the partial windings lead to unwanted equalizing currents and, from a certain speed, to thermal and damping effects which can no longer be controlled.
Eine weitere Erhöhung des Wicklungsquerschnitts bei konventionellen Motoraufbauten mit Lackdrahtwicklungen in den Nuten ist aufgrund der handhabbaren Drahtquerschnitte entweder begrenzt oder auch bei üblichen Polteilungsverhältnissen zwischen Primär- und Sekundärteil mit einem erheblichen Verdrahtungsaufwand außerhalb der Nuten verbunden .A further increase in the winding cross-section in conventional motor structures with enamelled wire windings in the slots is either limited due to the manageable wire cross-sections or, in the case of usual pole pitch ratios between the primary and secondary part, involves a considerable amount of wiring outside the slots.
Letztendlich kommt es bei herkömmlichen Drahtwicklungen mit hohen Wicklungsquerschnitten durch Wirbelstromeffekte zu unerwünschten Wärmeverlusten. Alle bisher aus dem Stand der Technik bekannten Polteilungs- und Wicklungskonstellationen erfüllen die gegebenen Forderungen nach geringer Geschwindigkeitskonstante bei hoher Kraftausbeute bei einem minimierten elektrischen Widerstand mit minimalen Reluktanzrippel nicht in der gewünschten Weise.Ultimately, with conventional wire windings with large winding cross sections, eddy current effects lead to undesirable heat losses. All pole pitch and winding constellations known to date from the prior art do not meet the given requirements for a low speed constant with a high power yield with a minimized electrical resistance with minimal reluctance ripples in the desired manner.
Bezüglich des Standes der Technik sei weiterhin auf die DE 92 958 verwiesen, welche eine Mehrphasenmaschine mit ungleicher Ankerspulen- und Polzahl beschreibt. Gemäß der dortigen Lösung wird zur effizienteren Wicklungsgestaltung ein bestimmtes Polteilungsverhältnis vorgeschlagen und weiterhin eine Reihenschaltung von in Polgruppen zusammengefaßten Wicklungen offenbart.With regard to the prior art, reference is also made to DE 92 958, which describes a multi-phase machine with an unequal number of armature coils and poles. According to the solution there, a specific pole pitch ratio is proposed for more efficient winding design and a series connection of windings combined in pole groups is also disclosed.
Die dortige Lösung bezieht sich jedoch nicht auf eine Synchronmaschine mit Permamentmagneten und liefert keine Aussagen zur oben erläuterten Gegenspannungs-Problematik bzw. zur Reluktanzrippel-Unterdrückung.However, the solution there does not relate to a synchronous machine with permanent magnets and does not provide any information on the counter-voltage problem explained above or on reluctance ripple suppression.
Die Lehre nach DE 33 20 805 C2 zielt auf die Effizienzverbesserung und Reluktanzrippel-Minimierung eines Synchronmotors ab, wobei dort der Motor in Zonen aufgeteilt wird und eine Verschaltung separater Wicklungen in Reihe erfolgt. Ebenfalls wird dort ein geringer Phasenversatz von Wicklung zu Wicklung bis zum Phasenwinkel zwischen zwei Phasen angesprochen.The teaching according to DE 33 20 805 C2 aims at improving the efficiency and minimizing the reluctance ripple of a synchronous motor, where the motor is divided into zones and separate windings are connected in series. A small phase offset from winding to winding up to the phase angle between two phases is also addressed there.
In eine ähnliche Lösungsrichtung mit der Zielstellung der Effizienzver- besserung eines Motors und einer verbesserten Herstellungs-Technologie geht das deutsche Patent DE 195 03 610 C2. Ein Wicklungsleiter ist innerhalb einer definierten Zone mit wechselnder Richtung um aufeinander folgende Ständerpole angeordnet. Weiterhin wird dort eine mäanderförmige Umwicklung gezeigt, wobei allerdings die Polwicklungen in Reihe verschaltet sind. Bei der dortigen Lösung entspricht die Nutbreite grundsätzlich der Breite des Wicklungsleiters und es sind innerhalb einer Polnut zusammentreffende Abschnitte des Wicklungsleiters übereinander angeordnet. Bei dem Spindelmotor mit minimierten Torquerippeln gemäß US-PS 4,874,712 wird auf eine feste Polteilung mit neun Zahnpolen und acht Magnetpolen abgestellt, wobei die Polwicklungen in Reihe geschaltet sind. Ein Phasenversatz zwischen den Zähnen liegt nicht vor. Bei den dortigen Zahnwicklungen ist nur jede zweite in Reihe geschaltet, wobei dieThe German patent DE 195 03 610 C2 goes in a similar direction with the aim of improving the efficiency of an engine and improved manufacturing technology. A winding conductor is arranged within a defined zone with an alternating direction around successive stator poles. Furthermore, a meandering winding is shown there, although the pole windings are connected in series. In the solution there, the slot width basically corresponds to the width of the winding conductor, and sections of the winding conductor which meet within a pole slot are arranged one above the other. In the spindle motor with minimized torque cross nipples according to US Pat. No. 4,874,712, a fixed pole pitch with nine tooth poles and eight magnetic poles is used, the pole windings being connected in series. There is no phase shift between the teeth. In the tooth windings there, only every second one is connected in series, with the
Zuordnung zu den drei Phasen nicht dem logischen Phasenversatz der Pole entspricht. Die Gegenspannungs-Problematik ist in der zitierten US- Patentschrift nicht angesprochen.Assignment to the three phases does not correspond to the logical phase offset of the poles. The counter voltage problem is not addressed in the cited US patent.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten, mehrphasigen, vielpoligen, schnelllaufenden Linearoder Rotationssynchronmotor mit Primär- und Sekundärteil anzugeben, wobei der Motor eine effiziente und niederohmige Wicklung zum Betreiben auch bei höchsten Geschwindigkeiten aufweisen soll und der sich als besonders reluktanzrippelarm darstellt.From the above, it is therefore an object of the invention to provide a further developed, multi-phase, multi-pole, high-speed linear or rotary synchronous motor with primary and secondary part, the motor should have an efficient and low-resistance winding for operation even at the highest speeds and which is particularly low in reluctance ripples ,
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegenstand gemäß der Lehre nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.The object of the invention is achieved with an object according to the teaching of claim 1, the subclaims representing at least expedient refinements and developments.
Erfindungsgemäß wird also bei der vorgeschlagenen Motorkonstruktion von mehreren, in nebeneinander benachbarten Nuten verlaufenden Wicklungen ausgegangen, die mit der gleichen elektrischen Motorphase und Bestromung beschaltet sind. Die der gleichen Motorphase zugehörigen Wicklungen sind in Serie geschaltet, wobei der Wicklungssinn und die Stromrichtung von Nut zu Nut wechselt.According to the invention, the proposed motor construction is therefore based on a plurality of windings which run in adjacent grooves and which are connected to the same electrical motor phase and current supply. The windings belonging to the same motor phase are connected in series, with the winding direction and the current direction changing from slot to slot.
Jede Wicklung ist als einen Zahn umfassende Zahnwicklung ausgebildet und weist n Windungen auf. Eine solche Zahnwicklung ist am effizientesten und technologisch sehr einfach auszuführen.Each winding is designed as a tooth winding comprising a tooth and has n turns. Such a tooth winding is the most efficient and technologically very easy to carry out.
Die Reihenschaltung der Zahnwicklungen ist im Vergleich zu bekannten Parallelschaltungen günstiger, d.h. die beim Stand der Technik gegebenen Nebeneffekte, die die Effizienz des Motors beeinträchtigen, treten nicht auf. Der Weg zwischen den Zahnwicklungen bzw. von Nut zu Nut wird so kurz wie möglich gewählt.The series connection of the tooth windings is cheaper than known parallel connections, ie the side effects given in the prior art, which impair the efficiency of the motor, do not occur. The path between the tooth windings or from slot to slot is chosen to be as short as possible.
Um die Wicklungsstränge außerhalb der Nuten so kurz wie möglich zu halten, liegen die einer Phase zugehörigen Wicklungsstränge und Zahnwicklungen eng beeinander.In order to keep the winding strands outside of the slots as short as possible, the winding strands and toothed windings belonging to one phase lie closely together.
Auch bezogen auf den Verdrahtungsaufwand zwischen den in Reihe geschalteten Wicklungssträngen wird eine Minimierung angestrebt.The aim is also to minimize the amount of wiring between the winding strands connected in series.
Das erfindungsgemäße Polteilungsverhältnis Tn/Tp mindestens über Abschnitte des Motors nahe 1, d.h. auch nahe größer oder nahe kleiner 1, gewährleistet, dass innerhalb eines breiten Bereichs über mehrere Zähne hinweg von Nut zu benachbarter Nut im Hinblick auf die Richtung des Sollstroms und damit des Wicklungssinns ein stetiger Wechsel vorliegt. Damit können unmittelbar benachbarte Wicklungsstränge, die die Zahnwicklungen bilden, in gewünschter Weise elektrisch in Reihe geschaltet werden.The pole division ratio T n / T p according to the invention at least over sections of the motor close to 1, ie also close to larger or close to 1, ensures that within a wide range over several teeth from slot to adjacent slot with regard to the direction of the desired current and thus there is a constant change in the winding direction. Directly adjacent winding strands, which form the tooth windings, can thus be electrically connected in series in the desired manner.
An sich wird durch jede Nut über eine Magnetperiode eine merkbare Reluktanzrippelwelle hervorgerufen. Durch das vorgeschlagene Polteilungsverhältnis Tn/Tp nahe 1 überlagern sich die durch die Einzelnuten hervorgerufenen Rippelwellen in der Art, dass eine gegenseitige, weitgehende Kompensation bzw. ein Auslöschen erfolgt. Hierdurch reduziert sich die Zahl der resultierenden Reluktanzrippel drastisch.In itself, a noticeable reluctance ripple wave is caused by each groove over a magnetic period. Due to the proposed pole pitch ratio T n / T p close to 1, the ripple waves caused by the individual slots overlap in such a way that mutual, extensive compensation or cancellation takes place. This drastically reduces the number of reluctance ripples that result.
Die anspruchsseitig erwähnte Vielzahl von Zähnen beträgt mindestens sechs, wobei der geringe elektrische Phasenversatz auf Werte < 60° eingestellt ist.The plurality of teeth mentioned on the claims is at least six, the low electrical phase offset being set to values <60 °.
In vorteilhafter Weise ist die Wicklung als durchgehende, elektrisch isolierte, hochtemperaturfeste Litze, welche bezogen auf das Einbrigen in die Nut stopffähig sein kann, ausgeführt und weist einen großen Querschnitt zur Führung eines hohen Sollstroms auf. Die Wicklung selbst besitzt nur wenige Zahnwindungen und ist dementsprechend in den Nuten verlegt. Durch diese Maßnahme tritt die gewünschte Reduzierung des Verdrahtungsaufwands ein und es ist eine Minimierung des Wicklungswiderstands des Gesamtmotors gegeben mit der Folge der angestrebten Effizienzerhöhung.The winding is advantageously designed as a continuous, electrically insulated, high-temperature-resistant strand, which can be stuffable in relation to the insertion into the groove, and has a large cross section for carrying a high desired current. The winding itself has only a few tooth turns and is accordingly in the slots laid. This measure results in the desired reduction in the wiring effort and there is a minimization of the winding resistance of the overall motor, with the result of the desired increase in efficiency.
Die Verwendung einer elektrisch isolierten Litze minimiert bei üblicher hochfrequenter Ansteuerung unerwünschte Skin- oder sonstige Wirbelstromeffekte mit den dadurch gegebenen Vorteilen gegenüber einer Wicklung bestehend aus einem Kupferdraht mit großem Querschnitt. Die Litze besteht hier aus mindestens 20, bevorzugt 60 bis 100 Einzeladern, d.h. es liegt Hochadrigkeit vor.The use of an electrically insulated strand minimizes undesirable skin or other eddy current effects with the usual high-frequency control, with the advantages that this gives compared to a winding consisting of a copper wire with a large cross section. The strand here consists of at least 20, preferably 60 to 100 individual cores, i.e. there is high core.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine spezielle Ausbildung der Zahnköpfe vorgenommen. Hierbei sind die Zahnköpfe in der Lage, Formkörper oder Formstücke aufzunehmen mit dem Ziel, in technologisch einfacher Weise die Wicklungslitze, auch vorgefertigt, in Nuten, d.h. die Zahnzwischenräume einzubringen.In an advantageous embodiment of the invention, the tooth tips are specially designed. Here, the tooth heads are able to accommodate shaped bodies or shaped pieces with the aim of making the winding strand, also prefabricated, in grooves in a technologically simple manner, i.e. to bring the interdental spaces.
Zu diesem Zweck weisen die jeweiligen Zahnkopfenden eine Ausnehmung oder einen Rücksprung auf. Diese Ausnehmungen bzw. Rücksprünge dienen dem Fixieren der vorerwähnten Formkörper oder Formstücke, die so orientiert sind, dass sich die Breite des Nutausgangs verringert.For this purpose, the respective tooth tip ends have a recess or a recess. These recesses or recesses serve to fix the aforementioned shaped bodies or shaped pieces, which are oriented in such a way that the width of the groove exit is reduced.
Die Formkörper oder Formstücke werden nach dem Einbringen oder Anordnen der Wicklung in die Nuten mit den freien Zahnkopfenden stoffschlüssig und/oder formschlüssig, respektive kraftschlüssig verbunden.After the winding has been introduced or arranged in the slots, the shaped bodies or shaped pieces are connected to the free tooth tip ends in a material-locking and / or positive-locking or non-positive manner.
Die Formstücke oder Formkörper bestehen bevorzugt aus einem weichmagnetischen Material, das bei einer besonderen Ausgestaltung gegenüber dem Zahnmaterial, d.h. dem Blechpaket des Primärteils, elektrisch isoliert ist.The shaped pieces or shaped bodies preferably consist of a soft magnetic material which, in a special embodiment, is different from the tooth material, i.e. the laminated core of the primary part is electrically insulated.
Die Formkörper oder Formstücke sind mit der jeweiligen Ausnehmung oder dem jeweiligen Rücksprung bevorzugt verklebt. Im Anschluss nach dem Einbringen der Wicklung und dem Fixieren der Formkörper oder Formstücke erfolgt ein Gesamtverguss der Teilanordnung.The shaped bodies or shaped pieces are preferably glued to the respective recess or recess. After the Introducing the winding and fixing the shaped bodies or shaped pieces results in an overall potting of the partial arrangement.
Die Isolation zwischen Formkörper oder Formstück und dem Zahnmaterial kann bevorzugt durch eine Kleberschicht gebildet werden, welche auch zum Befestigen des jeweiligen Formkörpers in der entsprechenden Ausnehmung dient.The insulation between the shaped body or shaped piece and the tooth material can preferably be formed by an adhesive layer which also serves to fasten the respective shaped body in the corresponding recess.
Die Ausnehmungen oder Rücksprünge sind bei einer Ausführungsform der Erfindung beidseitig eines jeweiligen Zahnkopfendes ausgebildet und besitzen eine Nutform. Diese Nut kann einen halbkreisförmigen, rechteckigen, quadratischen, dreieckigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweisen.In one embodiment of the invention, the recesses or recesses are formed on both sides of a respective tooth tip end and have a groove shape. This groove can have a semicircular, rectangular, square, triangular or trapezoidal cross section.
Alternativ oder ergänzend können Ausnehmungen oder Rücksprünge stirnseitig des Zahnkopfes befindlich sein, wobei der jeweilige Formkörper oder das Formstück, den Zahnkopf verbreiternd, aufgesetzt und arretiert wird.As an alternative or in addition, recesses or recesses can be located on the end face of the tooth head, the respective molded body or the shaped piece, widening the tooth head, being placed and locked.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment and with the aid of figures.
Hierbei zeigen:Here show:
Fig. 2a einen Abschnitt eines Linearmotors bzw. einer Abwicklung eines rotativen Motors mit Primärteil und Sekundärteil;2a shows a section of a linear motor or a development of a rotary motor with primary part and secondary part;
Fig. 2b ein Wicklungsschema mit Angaben zum elektrischen Phasenversatz bei einem Motor gemäß Ausführungsbeispiel;2b shows a winding diagram with information on the electrical phase shift in a motor according to the exemplary embodiment;
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung eines rotativen Synchronmotors mit sieben Polpaaren bzw. vierzehn Permamentmagnetpolen undFig. 3 is a schematic diagram of a rotary synchronous motor with seven pole pairs or fourteen permanent magnet poles and
Fig. 4 einen Motor analog der Darstellung nach Fig. 3, jedoch mit einer mäanderförmig durch die Nuten verlegten Wicklung. Bezüglich der Fig. 2a sei auf die Erläuterungen zur Grundkonstruktion eines Synchronmotors in der Beschreibungseinleitung verwiesen, wobei für dieselben Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden. Mit Bn ist die Breite der Nutausgänge definiert, wobei zur Verbreiterung der Zahnköpfe 4a Formstücke vorgesehen sind, die sich in Ausnehmungen oder Rücksprüngen des jeweiligen Zahnkopfes befinden bzw. dort eingebracht werden.Fig. 4 shows a motor analogous to the illustration of Fig. 3, but with a winding meandering through the grooves. With regard to FIG. 2a, reference is made to the explanations of the basic construction of a synchronous motor in the introduction to the description, the same reference numerals being used for the same parts. B n defines the width of the slot exits, with shaped pieces being provided for widening the tooth tips 4 a, which are located in recesses or recesses of the respective tooth tip or are introduced there.
Diese Verbreiterung der Zahnköpfe zum Zweck des Reduzierens der Breite Bn ist unter Beachtung der Vermeidung störender Reluktanzrippel von Vorteil.This widening of the tooth heads for the purpose of reducing the width B n is advantageous, taking into account the avoidance of annoying reluctance ripples.
Bei der vorgeschlagenen Konstruktion ist sichergestellt, dass je nach Gesamtpolzahl 6 des Sekundärteils 2 oder der Gesamtzähnezahl 4 des Primärteils 1, die durch die Phasenzahl teilbar sein sollte, das Polteilungsverhältnis Tn/Tp sich derart einstellt, dass die gleiche Zahn- Magnet-Konstellation sich erst über eine möglichst große Zahl von Zähnen 4 und damit Magnetperioden 2 Tp wiederholt.The proposed construction ensures that depending on the total number of poles 6 of the secondary part 2 or the total number of teeth 4 of the primary part 1, which should be divisible by the number of phases, the pole pitch ratio T n / T p is set such that the same tooth-magnet constellation is repeated only over the largest possible number of teeth 4 and thus magnetic periods 2 T p .
Gemäß Fig. 2a sind dies neun Zähne bei einem Verhältnis Tn/Tp = 0,88. Damit liegt bezogen auf in den benachbarten Nutwicklungen 8 erzeugten Teil-EMK bzw. nutbezogenen Gegenspannungen ein Phasenversatz von 40° vor, der es gestattet, diese über insgesamt 120° elektrisch in Reihe zu schalten, damit an der gleichen Motorphase zu betreiben und der gleichen Sollbestromung auszusetzen. Bei Motoren gemäß dem bekannten Stand der Technik ist dies nicht möglich, weil dort die Phasenzuordnung über mehrere Nuten hinweg wechselt. Entweder treten dort Überlappungen auf oder bei sogenannten Zahnwicklungen liegt ein ständiger Wechsel der Phasenzuordnung vor.According to FIG. 2a, these are nine teeth with a ratio T n / T p = 0.88. There is therefore a phase shift of 40 ° with respect to the partial EMF or slot-related counter voltages generated in the adjacent slot windings 8, which allows them to be electrically connected in series over a total of 120 °, so that they operate on the same motor phase and the same target current suspend. In motors according to the known prior art, this is not possible because there the phase assignment changes over several grooves. Either there is overlap or there is a constant change of phase assignment in the case of so-called tooth windings.
Bei größeren Motoren mit höheren Polzahlen können wesentlich mehr Zähne zu derartigen Polgruppen innerhalb einer Motorphase zusammengefasst werden. Hierbei ist mit einem gegen 1 gehenden Verhältnis Tn/Tp ein wesentlich besserer Effekt mit Blick auf die gewünschte Reluktanzrippel- Unterdrückung erreichbar. Jede Phasenwicklung U, V, W ist eine Reihenschaltung von aufeinander folgenden unmittelbar benachbarten Zahnwicklungen mit n Windungen, wobei von Nut zu Nut der Wicklungssinn der Wicklungsstränge 8 wechselt.In the case of larger motors with a higher number of poles, significantly more teeth can be combined into such pole groups within one motor phase. With a ratio T n / T p going towards 1, a much better effect can be achieved with a view to the desired reluctance ripple suppression. Each phase winding U, V, W is a series connection of successively immediately adjacent tooth windings with n turns, the winding direction of the winding strands 8 changing from slot to slot.
Fig. 2b zeigt das Wickelschema und den elektrischen Phasenversatz, bezogen auf die über die jeweilige Nutlänge bei generatorischem Betrieb des Motors erzeugten elektromotorischen Kräfte.2b shows the winding diagram and the electrical phase offset, based on the electromotive forces generated over the respective slot length when the motor is operating as a generator.
Da der Sollstrom eines Synchronmotors in jeder Motorphase phasengleich mit der entsprechenden phasenbezogenen EMK ist, setzt sich die resultierende Kraft des Gesamtmotors aus den jeweiligen phasenversetzten Teilkräften der in einer Phase verschalteten Nutwicklungen und der Überlagerung der Phasenkräfte in einem Mehrphasensystem in bekannter Weise zusammen.Since the target current of a synchronous motor in each motor phase is in phase with the corresponding phase-related EMF, the resulting force of the entire motor is made up of the respective phase-shifted partial forces of the slot windings connected in one phase and the superimposition of the phase forces in a multi-phase system in a known manner.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine lange und durchgehende, elektrisch isolierte, hochadrige Litze mit einem dem Sollstrom entsprechenden großen Querschnitt mit nur wenigen Zahn- Windungen in den jeweiligen Nuten verlegt.In a particularly advantageous embodiment of the invention, a long and continuous, electrically insulated, high-wire strand with a large cross section corresponding to the target current is laid in the respective grooves with only a few tooth turns.
Durch diese Maßnahme kann der Verdrahtungsaufwand reduziert werden und es verringert sich der Wicklungswiderstand des Gesamtmotors mit der Folge einer Effizienzerhöhung.With this measure, the wiring effort can be reduced and the winding resistance of the entire motor is reduced, with the result of an increase in efficiency.
Als Grenzfall und kleinstes realisierbares Motorelement ist ein Primärteil oder ein Primärteilausschnitt mit sechs Zähnen und sechs Nuten anzusehen, bei dem drei nebeneinander liegende Zahnwicklungen drei verschiedenen Motorphasen zugeordnet sind und die Zahl der Magneten bei fünf liegt.A primary part or a primary part cutout with six teeth and six slots, in which three adjacent tooth windings are assigned to three different motor phases and the number of magnets is five, is to be regarded as the limit case and the smallest motor element that can be realized.
Der EMK-bezogene elektrische Phasenversatz von Nut zu Nut beträgt bei einer derartigen Variante 60°. Bei geschlossenen bzw. rotativen Motoren müssen dann mindestens zwei derartige Motorsegmente umfangsmäßig verteilt und elektrisch gegensinnig verschaltet werden. Im Idealfall ist gemäß dem Grundgedanken der Erfindung die gesamte Zähnezahl eines Primärteils in eine der Phasenzahl entsprechende gleiche Anzahl von Nut-Zahn-Gruppen aufgeteilt und mit einem geringen EMK- bezogenen elektrischen Phasenversatz von wenigen Grad versehen. Dieser elektrische Phasenversatz beträgt 360° / Zahl der Nuten.The EMF-related electrical phase shift from groove to groove is 60 ° in such a variant. In the case of closed or rotary motors, at least two such motor segments must then be distributed over the circumference and electrically connected in opposite directions. Ideally, according to the basic idea of the invention, the total number of teeth of a primary part is divided into an equal number of groove-tooth groups corresponding to the number of phases and provided with a low EMF-related electrical phase offset of a few degrees. This electrical phase offset is 360 ° / number of slots.
Bei einem entsprechend großen Motordurchmesser ist damit z.B. bei 44 Magnetpolen 6 und 45 Nuten 3 eine Aufteilung der Gesamtnutzahl in drei Nut-Zahn-Gruppen mit jeweils fünf in Reihe geschalteten Nutwicklungen, die den Motorphasen U, V, W zugeordnet sind, möglich. Das Polteilungsverhältnis Tn/Tp liegt dann sehr günstig bei 0,977.With a correspondingly large motor diameter, it is thus possible, for example with 44 magnetic poles 6 and 45 slots 3, to divide the total useful number into three slot-tooth groups, each with five slot windings connected in series, which are assigned to the motor phases U, V, W. The pole pitch ratio T n / T p is then very favorably 0.977.
Bei der Darstellung nach Fig. 3 wird von einem rotativen Synchronmotor mit sieben Polpaaren bzw. vierzehn Permamentmagnetpolen 6 ausgegangen. Die Zahl der Nuten und Zähne beträgt dort fünfzehn. Damit ist ein Polteilungsverhältnis Tn/Tp von 0,933 realisiert.3, a rotary synchronous motor with seven pole pairs or fourteen permanent magnet poles 6 is assumed. The number of grooves and teeth there is fifteen. This results in a pole pitch ratio T n / T p of 0.933.
Es ist ersichtlich, dass sich erst nach jedem fünfzehnten Zahn die gleiche Relativstellung von Primär- und Sekundärteil wiederholt. Hierdurch werden die Reluktanzunterschiede bei der Bewegung weitgehend aufgehoben und auf ein praktisch nicht mehr relevantes Maß reduziert. Die schematisierte Wicklung stellt bezüglich der Windungszahl um jeden Zahn nur eine mögliche Variante dar.It can be seen that the same relative position of the primary and secondary part is repeated only after every fifteenth tooth. As a result, the reluctance differences during the movement are largely eliminated and reduced to a practically irrelevant level. The schematic winding represents only one possible variant with regard to the number of turns around each tooth.
Der EMK-bezogene Phasenversatz zwischen zwei benachbarten Wicklungs- strängen gemäß Fig. 3 beträgt 24°. Von den fünfzehn Zähnen bzw. Nuten sind jeweils fünf in einer Nut-Zahn-Gruppe zusammengefasst, die ihrerseits jeweils den drei Phasen U, V, W zugeordnet sind.The EMF-related phase offset between two adjacent winding strands according to FIG. 3 is 24 °. Of the fifteen teeth or grooves, five are combined in a groove-tooth group, which in turn are each assigned to the three phases U, V, W.
Jede Phasenwicklung besteht aus einer einzigen, durchgehenden Litze, die um jeden der fünf Zähne mit je 3,5 Zahnwindungen durch die Nuten verlegt ist. In jeder Nut liegt damit ein Wicklungsstrang mit sieben Adern. Die Zahnwicklungen werden bei dieser Konstellation von Nut zu Nut auf kürzestem Wege verlegt. Durch die Verwendung einer Litze mit hohem Leitungsquerschnitt im Bereich von 2,5 bis 6 mm2 ergibt sich ein sehr geringer Wicklungswiderstand mit einer entsprechend geringen Spannungs- konstante. Die drei Phasenwicklungen werden in bekannter Weise in einem elektrischen Dreiphasensystem verschaltet und angeschlossen.Each phase winding consists of a single, continuous strand, which is laid around each of the five teeth with 3.5 tooth turns through the slots. There is a winding strand with seven wires in each slot. In this constellation, the tooth windings are laid from slot to slot in the shortest possible way. The use of a strand with a large cable cross-section in the range of 2.5 to 6 mm 2 results in a very low winding resistance with a correspondingly low voltage constant. The three phase windings are connected and connected in a known manner in an electrical three-phase system.
Einen ähnlichen Motor wie oben beschrieben zeigt die Darstellung nach Fig. 4, wobei dort von mäanderförmig verlegten Wicklungen ausgegangen wird. Dieses Beispiel ist ein Extremfall für eine Wicklung mit minimierter Gegenspannung bei definierter Polzahl.The illustration according to FIG. 4 shows a similar motor as described above, with meandering windings being assumed there. This example is an extreme case for a winding with minimized counter voltage with a defined number of poles.
Es sei darauf hingewiesen, dass für die Verwendung der erfindungsgemäßen Lehre es unerheblich ist, ob es sich um einen geschlossenen, rotativen oder endlichen Linearmotor handelt. Die auf ein derart definiertes Motorelement entfallenden Relativkräfte und Geschwindigkeiten sind über den gegebenen Radius in bekannter Weise umrechenbar.It should be pointed out that it is irrelevant for the use of the teaching according to the invention whether it is a closed, rotary or finite linear motor. The relative forces and speeds attributable to a motor element defined in this way can be converted in a known manner over the given radius.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Primärteil 2 Sekundärteil1 primary part 2 secondary part
3 Nuten3 grooves
3a Nut mit einer Breite Bn 3a groove with a width B n
4 Zähne4 teeth
4a Zahnköpfe / Formstücke 5 Joch4a tooth heads / fittings 5 yokes
6 Permamentmagnete6 permanent magnets
7 gemeinsame Rückflusssohle7 common reflux sole
8 Wicklung Tp Polteilung Tn Nutteilung ω Kreisfrequenz rotativ v Geschwindigkeit linear8 winding T p pole pitch T n slot pitch ω angular frequency rotary v velocity linear
M DrehmomentM torque
F Kraft R Radius bezogen auf den Kraftangriffspunkt Af KraftkonstanteF force R radius related to the force application point Af force constant
Km DrehmomentkonstanteKm torque constant
Ku GegenspannungskonstanteKu counter voltage constant
I Motorstrom I motor current

Claims

Patentansprüche claims
1. Mehrphasiger, vielpoliger, schnelllaufender Linear- oder Rotationssynchronmotor mit einem Primärteil, umfassend ein vorzugsweise geblechtes Joch mit einer Vielzahl von Zähnen mit Zahnköpfen und dazwischen befindlichen Nuten, sowie in den Nuten angeordnete Pol- oder Ankerwicklungen, einem Sekundärteil, welches im wesentlichen dem Primärteil gegenüberliegend ausgebildet ist und eine Vielzahl von Permamentmagneten wechselnder Polarität aufweist, die auf einer gemeinsamen Rückflusssohle angeordnet sind, wobei weiterhin die1. Multi-phase, multi-pole, high-speed linear or rotary synchronous motor with a primary part, comprising a preferably laminated yoke with a plurality of teeth with tooth tips and grooves located between them, as well as pole or armature windings arranged in the grooves, a secondary part, which is essentially the primary part is formed opposite and has a plurality of permanent magnets of alternating polarity, which are arranged on a common reflux sole, wherein the
Nutausgänge eine im wesentlichen gleichmäßige Nutteilung (Tn) sowie die Permamentmagnetköpfe eine im wesentlichen gleichmäßige Polteilung (Tp) aufweisen und wobei mehrere in nebeneinander liegenden Nuten verlaufende Wicklungen mit gleicher Bestromung beschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, in nebeneinander benachbarten Nuten verlaufende Wicklungen mit der gleichen elektrischen Motorphase und Bestromung beschaltet sowie die der gleichen Motorphase zugehörigen Wicklungen in Serie geschaltet sind, weiterhin der Wicklungssinn und die Stromrichtung von Nut zu Nut wechselt, jede Wicklung als einen Zahn umfassende Zahnwicklung ausgebildet ist und n Windungen aufweist, das Verhältnis zwischen Nutteilung (Tn) und Polteilung (Tp) mindestens über Abschnitte des Motors nahe 1 gewählt ist und sich die jeweilige gleiche Zuordnung von Zahn und Permamentmagnet erst über eine Vielzahl von Zähnen wiederholt und zwischen zwei benachbarten Nuten bezüglich der über die Nutlänge in der jeweiligen Wicklung erzeugten EMK bezogen auf die Magnetperiode 2 Tp ein geringer elektrischer Phasenversatz vorliegt.Slot outputs have an essentially even slot pitch (T n ) and the permanent magnet heads have an essentially even slot pitch (T p ) and several windings running in adjacent slots are connected with the same current, characterized in that several windings running in adjacent slots wired with the same electrical motor phase and current supply and the windings belonging to the same motor phase are connected in series, the winding direction and the current direction change from slot to slot, each winding is designed as a toothed winding and has n turns, the ratio between slot pitch (T n ) and pole pitch (T p ) is selected at least over sections of the motor close to 1 and the respective identical assignment of tooth and permanent magnet is repeated only over a large number of teeth and between two adjacent grooves with respect to the over Slot length in the respective winding generated EMF with respect to the magnet period 2 T p there is a small electrical phase offset.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Zähnen den Wert > 6 besitzt. 2. Motor according to claim 1, characterized in that the plurality of teeth has the value> 6.
3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenversatz < 60° beträgt.3. Motor according to claim 1 or 2, characterized in that the phase offset is <60 °.
4. Motor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in drei benachbarten Nuten je eine durchgehende Wicklung mit gleicher Motorphase und Bestromung vorgesehen ist.4. Motor according to one of the preceding claims, characterized in that a continuous winding with the same motor phase and current supply is provided in at least three adjacent grooves.
5. Motor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils einer Phase zugehörigen Stränge der Wicklung aus einer einzigen, außen isolierten, hochtemperaturfesten, vieladrigen Litze mit großem Querschnitt besteht und diese durch alle der jeweiligen Phase zugeordneten Nuten mit geringer Windungsanzahl verlegt ist.5. Motor according to one of the preceding claims, characterized in that each phase associated strands of the winding consists of a single, externally insulated, high-temperature-resistant, multi-core strand with a large cross-section and this is laid through all the slots associated with the respective phase with a small number of turns ,
6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Litze mäanderförmig um die Zähne in den Nuten angeordnet ist.6. Motor according to claim 5, characterized in that the strand is arranged in a meandering shape around the teeth in the grooves.
7. Motor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnköpfe Formkörper oder Formstücke umfassen, welche nach Einbringen oder Anordnen der Wicklung in die Nuten mit dem freien7. Motor according to one of the preceding claims, characterized in that the tooth heads comprise shaped bodies or shaped pieces which, after introducing or arranging the winding in the slots with the free
Zahnkopfende stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden werden, wobei hierfür die jeweiligen Zahnkopfenden mindestens eine Ausnehmung oder einen Rücksprung aufweisen.Tooth end ends are integrally and / or positively connected, for which purpose the respective tooth head ends have at least one recess or recess.
8. Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper oder Formstücke aus einem weichmagnetischen Material bestehen. 8. Motor according to claim 7, characterized in that the moldings or moldings consist of a soft magnetic material.
9. Motor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper oder Formstücke gegenüber dem Zahnmaterial elektrisch isoliert sind.9. Motor according to claim 7 or 8, characterized in that the moldings or moldings are electrically insulated from the tooth material.
10. Motor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper oder Formstücke mit der jeweiligen Ausnehmung oder dem jeweiligen Rücksprung verklebt sind.10. Motor according to one of claims 7 to 9, characterized in that the shaped bodies or shaped pieces are glued to the respective recess or the respective recess.
11. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation zwischen Formkörper oder Formstück und dem Zahnmaterial durch die Kleberschicht gebildet ist.11. Motor according to claim 10, characterized in that the insulation between the molded body or molding and the tooth material is formed by the adhesive layer.
12. Motor nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen oder Rücksprünge beidseitig eines jeweiligen Zahn- köpfendes ausgebildet sind und eine Nutform besitzen.12. Motor according to one of claims 7 to 11, characterized in that the recesses or recesses are formed on both sides of a respective tooth tip end and have a groove shape.
13. Motor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutform einen halbkreisförmigen, rechteckigen, quadratischen, dreieckigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweist.13. Motor according to claim 12, characterized in that the groove shape has a semicircular, rectangular, square, triangular or trapezoidal cross section.
14. Motor nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen oder Rücksprünge stirnseitig der Zahnköpfe befindlich sind, wobei der jeweilige Formkörper oder das jeweilige Formstück den Zahnkopf verbreiternd aufgesetzt ist. 14. Motor according to one of claims 7 to 11, characterized in that the recesses or recesses are located on the end face of the tooth tips, the respective molded body or the respective shaped piece being placed widening the tooth tip.
15. Motor nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Formstücke oder Formkörper die magnetisch wirksame Breite des Nutausgangs verringern. 15. Motor according to one of claims 7 to 14, characterized in that the shaped pieces or shaped bodies reduce the magnetically effective width of the groove outlet.
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