EP2160569A1 - Elektrische maschine mit vereinfachter drehwinkelgeberausrichtung - Google Patents

Elektrische maschine mit vereinfachter drehwinkelgeberausrichtung

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Publication number
EP2160569A1
EP2160569A1 EP08761320A EP08761320A EP2160569A1 EP 2160569 A1 EP2160569 A1 EP 2160569A1 EP 08761320 A EP08761320 A EP 08761320A EP 08761320 A EP08761320 A EP 08761320A EP 2160569 A1 EP2160569 A1 EP 2160569A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
electrical machine
shaft
coupling element
encoder
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08761320A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Eckert
Hans-Jürgen TÖLLE
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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 Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2160569A1 publication Critical patent/EP2160569A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/3473—Circular or rotary encoders
    • G01D5/34738—Axles; Driving or coupling means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby

Definitions

  • the invention relates to an electric machine with a stator, a rotatable rotor and an air gap formed between the stator and the rotor, wherein upon rotation of the rotor through the rotor in the air gap, a rotating field can be generated, which has a plurality of pole pairs, and with a rotary encoder for determining the angle of rotation of the rotor, wherein the rotary encoder has a rotatable encoder shaft which is rotatably connected to the rotor.
  • Air gap generates a rotating rotating field, which consists of alternating magnetic north and south poles, which rotate along the air gap.
  • the total number of all north and south poles determines the so-called pole number (2p) or pole pair number (p).
  • the rotating field can be generated either by arranged on the rotor, current-carrying rotor windings or by permanent magnets, which are arranged on the rotor.
  • stator has a plurality of winding strands, which are fed by a separate, single-phase converter in each case.
  • the machine For high-precision control of the machine or the stator winding supplying power converters by means of a control device, the machine has a high-quality signal generator for detecting the rotation angle of the rotor of the machine and for generating corresponding signal information for the Control device on. With the aid of this signal information, a phase or phase assignment of the winding currents in the stator of the machine, a field-oriented regulation of the converters close to the power converter and in particular a noise-optimized modulation of the motor currents is made possible.
  • the rotary encoder usually generates a so-called zero signal once per complete (i.e., 360 °) revolution of the encoder shaft or the associated rotor, with the aid of which the absolute angular position of the rotor with respect to the stator can be determined.
  • the angular point of this zero signal is determined within a period of the voltage induced in a stator winding during rotation of the rotor and then the regulation of the stator currents is aligned with this angular point.
  • the angle of the zero signal of the encoder does not normally coincide with the angular point set during the initial installation. This is because usually both the rotor shaft and the encoder shaft have a round profile, which are connected to each other in a rotationally fixed manner by a frictional connection. As a result, in the direction of rotation of the rotor an unlimited number of positions of the rotor with respect to the encoder shaft and thus different angles for the zero signal possible.
  • the encoder must therefore be aligned by an elaborate electronic measurement only to the previously set angular point, so that the power converters that feed the stator winding, get correct rotation angle values. With every rotation angle sensor dismantling and subsequent reassembly, extensive work is therefore necessary to restore the machine to full operational readiness.
  • the US 5,184,038 A deals with the exact alignment of the encoder shaft to the rotor of an electric DC Current motor.
  • the rotor shaft on a pin which engages in a groove on the encoder shaft and thereby allows only a single position of the encoder shaft with respect to the rotor.
  • the invention is based on the finding that the number of possible correct orientations of the rotary encoder, in which the angular point of the zero signal of the angle sensor within a period of the voltage induced in a stator winding during a rotation of the rotor in a stator winding during a new installation the angular point of the zero signal of the first assembly corresponds to the number of periods of the voltage induced in a stator winding during a complete revolution of the rotor and thus corresponds to the number of pole pairs of the rotating field generated by the rotor.
  • the inventive connectivity of the encoder shaft with the rotor such that in the direction of rotation of the rotor only a numerically limited, dependent on the number of pole pairs number of different positions of the rotor with respect to the encoder shaft is possible, it can be ensured that in a new installation of an angle sensor the angular point of Zero signal within a period of the voltage induced in a stator winding voltage automatically corresponds to the angular point of the zero signal of the first assembly.
  • a complex remeasurement and alignment of the encoder omitted after its assembly, whereby the operational readiness of the engine can be restored in a shorter time than before.
  • the mounting of the encoder can be done very easily. This is particularly of great advantage in a mounting of the encoder in very confined spaces, as they are e.g. in a submarine.
  • connection can be realized structurally simply in that the encoder shaft with the rotor by a positive fit in the direction of rotation of the rotor is connectable.
  • a coupling for positive connection of the rotor is provided with the encoder shaft, wherein the coupling has a variable in relation to the axis of rotation of the rotor radial expansion coupling element and a counter-coupling element, wherein the coupling element for positive connection in an interior of the counter-coupling engages element, and wherein the interior and the coupling element in the direction of rotation of the rotor have adapted Profiles profiled.
  • the profilings are designed as a polygonal profile. Furthermore, this torque can be transmitted very reliable.
  • the coupling element or the counter-coupling element may in this case be part of the rotor, the encoder shaft, but also part of a shaft adapter which is rotatably connected to the rotor.
  • the counter-coupling element is part of the encoder shaft, wherein the encoder shaft is formed as a hollow shaft and the interior is formed by at least a portion of the cavity of the hollow shaft.
  • the stator winding has a plurality of winding strands, which are each fed by a separate, single-phase inverter.
  • a particularly small footprint with high power density is possible because the machine is designed as a synchronous machine with a permanent magnetically excited rotor.
  • the electric machine is particularly suitable for use as a drive motor for a ship, especially a submarine.
  • FIG 1 is a schematic diagram of an arrangement of winding strands and converters of an electric machine
  • FIG 2 is a schematic diagram of the pole pairs of the rotor of
  • FIG. 3 shows a time profile of the voltage induced in a stator winding
  • FIG 4 shows a longitudinal section through a coupling with a square profile and
  • FIG 5 is a plan view of the shaft adapter of FIG 4 and
  • An electrical machine 1 which is simplified in FIG. 1 and shown in a schematic representation has a stator 2 with a stator winding 3, which in turn consists of several individual winding strands 3 '. Each individual winding strand 3 'is fed by a separate converter 5 provided only for this winding strand 3'. In each case two of the converters 5 are combined to form a converter module 6.
  • the converter modules 6 are arranged inside the machine.
  • the stator 2 surrounds a rotatable rotor 7, often referred to as a "pole wheel.”
  • a plurality of permanent magnets are distributed in the circumferential direction on the rotor 7, each comprising a magnetic north pole N and a magnetic pole N South pole S exist.
  • a rotating rotating field is generated in the air gap 4 and in the stator winding 3, which consists of alternating magnetic north poles N and south poles S, each forming a pole pair P and which rotate along the air gap 4.
  • the total number of all north and south poles determines the so-called pole number (2p) or pole pair number (p).
  • pole number 2p
  • a voltage U is induced in a winding strand 3 'of the stator winding 3, whose time course is shown by way of example in FIG.
  • N denotes the voltage induced by a south pole
  • S the voltage induced by a south pole.
  • the voltage U induced during a complete revolution of the rotor passes through four periods P 1, P 2, P 3, P 4, ie the number of induced voltage periods P 1, P 2, P 3, P 4 corresponds to the number of pole pairs P or the pole pair number p.
  • FIG. 4 shows one of the output end of the electrical Machine 1 protruding part of the rotor 7, which is rotatably arranged between a fixed bearing plate 11.
  • the housing 12 of the encoder 8 is connected to the rotation of a holder 28 with the fixed bearing plate 11.
  • the hollow shaft 9 of the encoder 8 is rotatably connected via a coupling 10 with the rotor 7 for transmitting the rotational movement of the rotor 7 to the hollow shaft 9.
  • the connection between the shaft 9 and rotor 7 is designed such that the number of different positions of the rotor 7 with respect to the shaft 9 is an integer divisor of the number of pole pairs P, that is in that either 1, 2 or 4 different positions of the rotor 7 with respect to the shaft 9 are possible.
  • a correct orientation of the shaft 9 with respect to the rotor 7 is automatically ensured in a new installation of the encoder 8.
  • the number of different positions is greater than 1, i. in the present case 2 or 4 different positions are possible.
  • the hollow shaft 9 is connected to the rotor 7 by a positive connection in the direction of rotation of the rotor 7.
  • a coupling 10 is provided, which on the one hand has a variable in its radial expansion coupling element 15 and on the other hand, the hollow shaft 9 of the encoder 8 as a counter-coupling element 14.
  • the coupling element 15 is in this case a part of a wave adapter 13 shown in plan view in detail in FIG. 5, which on its side facing away from the transmitter 8 by means of screws 26 rotatably connected to the rotor 7 and on its side facing the transmitter 8 side, the coupling element 15 has.
  • the hollow shaft 9 For a positive connection in the direction of rotation of the rotor 7, the hollow shaft 9 is pushed onto the coupling element 15, whereby the coupling element 15 engages in a coupling element 15 facing region 27 of the hollow shaft 9 enclosed interior 21.
  • the inner wall of the hollow shaft 9 in this region 27 of the inner space 21 and the surface of the coupling element 15 in an area facing the transmitter 8 20 have in the direction of rotation of the rotor 7 adapted to each other profiles, which are formed for example as a polygonal profile.
  • the profiles in the direction of rotation on a square profile i. There are 4 different positions of the rotor 7 with respect to the hollow shaft 9 possible.
  • the number of different positions of the rotor 7 with respect to the hollow shaft 9 is determined by the number of edges in the direction of rotation of the rotor 7. However, this must be matched with the number of pole pairs, i. the number of edges must be an integer divisor of the number of pole pairs.
  • the square profile of the coupling element 15 can be changed by a spreading element 16 in its radial extent and has for this purpose - as shown in FIG 5 removable - at the corners 23 between the edges 24 each extending in the axial direction slot 25.
  • the expansion element 16 has a diameter tapering in the direction of the rotor 7 and a bore 17, through which a screw 18 supplied via the hollow shaft 9 can be screwed into an internal thread 19 provided in the shaft adapter 13.
  • Screwing the screw 18 into the internal thread 19 leads to a movement of the expansion element 16 along the axis of rotation 22 of the rotor 7 in the direction of the rotor 7. This results in a spreading of the square profile of the Coupling element 15 in the direction of the inner wall of the hollow shaft 9.
  • the expansion element 16 is guided so far in the direction of the rotor 7 until between the square profile in the region 20 of the coupling element 15 and the square profile in the region 27 of the hollow shaft 9 a positive connection in the direction of rotation Runner 7 and a frictional connection in the direction of the axis of rotation 22 of the rotor 7 sets.

Landscapes

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Abstract

Bei einer elektrischen Maschine (1) mit einem Ständer (2), einem drehbaren Läufer (7) und einem zwischen dem Ständer (2) und dem Läufer (7) ausgebildeten Luftspalt (4), wobei bei einer Drehung des Läufers (7) durch den Läufer (7) in dem Luftspalt (4) ein Drehfeld erzeugbar ist, das mehrere Polpaare (P) aufweist, und mit einem Drehwinkelgeber (8) zur Bestimmung des Drehwinkels (a) des Läufers (7), wobei der Drehwinkelgeber (8) eine drehbare Geberwelle (9) aufweist, die mit dem Läufer (7) drehfest verbindbar ist, kann bei einer Neumontage eines Drehwinkelgebers (8) die Drehwinkelgeberausrichtung dadurch vereinfacht werden, dass die Geberwelle (9) mit dem Läufer (7) in Drehrichtung des Läufers (7) nur in einer zahlenmäßig begrenzten, von der Anzahl der Polpaare (P) abhängigen Anzahl unterschiedlicher Stellungen des Läufers (7) in Bezug auf die Geberwelle (9) verbindbar ist.

Description

Beschreibung
Elektrische Maschine mit vereinfachter Drehwinkelgeberausrichtung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer, einem drehbaren Läufer und einem zwischen dem Ständer und dem Läufer ausgebildeten Luftspalt, wobei bei einer Drehung des Läufers durch den Läufer in dem Luftspalt ein Drehfeld erzeugbar ist, das mehrere Polpaare aufweist, und mit einem Drehwinkelgeber zur Bestimmung des Drehwinkels des Läufers, wobei der Drehwinkelgeber eine drehbare Geberwelle aufweist, die mit dem Läufer drehfest verbindbar ist.
Bei einer derartigen Maschine wird durch den Läufer in dem
Luftspalt ein umlaufendes Drehfeld erzeugt, das aus einander abwechselnden magnetischen Nord- und Südpolen besteht, die entlang des Luftspaltes rotieren. Die Gesamtzahl aller Nord- und Südpole bestimmt dabei die so genannte Polzahl (2p) oder Polpaarzahl (p) . Das Drehfeld kann hierbei entweder durch auf dem Läufer angeordnete, stromdurchflossene Läuferwicklungen oder durch Permanentmagnete erzeugt werden, die auf dem Läufer angeordnet sind.
Eine derartige, als Synchronmaschine ausgebildete elektrische Maschine mit einem permanentmagnetisch erregten Läufer mit einer Polpaarzahl von beispielsweise p = 16 kommt aufgrund des geringen Platzbedarfs und der geringen Geräuscharmut bevorzugt bei U-Boot-Antriebsmotoren zum Einsatz. Hierbei kann, wie in der DE 10 301 272 Al dargestellt, der Ständer mehrere Wicklungsstränge aufweisen, die durch jeweils einen separaten, einphasigen Stromrichter gespeist werden.
Zu hochgenauen Regelung der Maschine bzw. der die Ständer- wicklung speisenden Stromrichter mit Hilfe einer Regelungsvorrichtung weist die Maschine einen hochwertigen Signalgeber zur Erfassung des Drehwinkels des Läufers der Maschine und zur Erzeugung von entsprechenden Signalinformationen für die Regelungsvorrichtung auf. Mit Hilfe dieser Signalinformationen wird eine Strang- bzw. Phasenzuordnung der Wicklungsströme im Ständer der Maschine, eine feldorientierte, stromrichternahe Regelung der Stromrichter und insbesondere eine ge- räuschoptimierte Modulation der Motorströme ermöglicht.
Der Drehwinkelgeber erzeugt üblicherweise einmal pro ganzer (d.h. 360°) Umdrehung der Geberwelle bzw. des damit verbundenen Läufers ein sogenanntes Nullsignal, anhand dessen die ab- solute Winkellage des Läufers in Bezug auf den Ständer ermittelt werden kann. Bei der Erstmontage des Drehwinkelgebers wird der Winkelpunkt dieses Nullsignales innerhalb einer Periode der bei einer Drehung des Läufers durch diesen in einer Ständerwicklung induzierten Spannung ermittelt und danach die Regelung der Ständerströme auf diesen Winkelpunkt ausgerichtet.
Bei einem späteren Abbau des Gebers und einer Neumontage dieses oder eines anderen Gebers stimmt im Normalfall der Win- kelpunkt des Nullsignales des Gebers nicht mit dem bei der Erstmontage eingestellten Winkelpunkt überein. Dies liegt daran, dass üblicherweise sowohl die Läuferwelle als auch die Geberwelle ein Rundprofil aufweisen, die durch einen Kraft- schluss drehfest miteinander verbunden werden. Hierdurch sind in Drehrichtung des Läufers eine unbegrenzte Anzahl von Stellungen des Läufers in Bezug auf die Geberwelle und somit unterschiedlichster Winkelpunkte für das Nullsignal möglich.
Der Geber muss deshalb durch eine aufwändige elektronische Vermessung erst wieder auf den vorher eingestellten Winkelpunkt ausgerichtet werden, damit die Stromrichter, die die Ständerwicklung speisen, korrekte Drehwinkelwerte erhalten. Bei jedem Drehwinkelgeberabbau und anschließender Neumontage sind deshalb umfangreiche Arbeiten nötig, um die Funktionsbe- reitschaft der Maschine wieder herzustellen.
Die US 5,184,038 A beschäftigt sich mit der exakten Ausrichtung der Geberwelle zu dem Rotor eines elektrischen Gleich- Strommotors. Hierzu weist die Rotorwelle einen Stift auf, der in eine Nut auf der Geberwelle greift und dadurch nur eine einzige Stellung der Geberwelle in Bezug auf den Läufer ermöglicht .
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, bei einer elektrischen Maschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 die Drehwinkelgeberausrichtung zu vereinfachen und damit die Funktionsbereitschaft der Maschine zu erhöhen.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Eine besonders vorteilhafte Verwendung der elektrischen Ma- schine ist Gegenstand des Anspruchs 11.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Anzahl der möglichen korrekten Ausrichtungen des Drehwinkelgebers, in denen der Winkelpunkt des Nullsignales des Winkelgebers innerhalb einer Periode der bei einer Drehung des Läufers durch diesen in einer Ständerwicklung induzierten Spannung bei einer Neumontage dem Winkelpunkt des Nullsignales der Erstmontage entspricht, der Anzahl der Perioden des bei einer ganzen Umdrehung des Läufers in einer Ständerwicklung indu- zierten Spannung und somit der Anzahl der Polpaare des von dem Läufer erzeugten Drehfeldes entspricht. Damit gibt es beispielsweise bei einer Polpaarzahl von 20 genau 20 mögliche unterschiedliche Stellungen des Läufers in Bezug auf die Geberwelle, in denen der Winkelpunkt des Nullsignales des Win- kelgebers bei einer Neumontage dem Winkelpunkt des Nullsignales der Erstmontage entspricht ist.
Durch die erfindungsgemäße Verbindbarkeit der Geberwelle mit dem Läufer derart, dass in Drehrichtung des Läufers nur eine zahlenmäßig begrenzte, von der Anzahl der Polpaare abhängige Anzahl unterschiedlicher Stellungen des Läufers in Bezug auf die Geberwelle möglich ist, kann sichergestellt werden, dass bei einer Neumontage eines Winkelgebers der Winkelpunkt des Nullsignales innerhalb einer Periode der in einer Ständerwicklung induzierten Spannung automatisch dem Winkelpunkt des Nullsignales der Erstmontage entspricht. Hierdurch kann eine aufwendige Neuvermessung und -ausrichtung des Gebers nach dessen Montage entfallen, wodurch die Funktionsbereitschaft des Motors in kürzerer Zeit als bisher wiederhergestellt werden kann.
Wenn eine Ständerwicklung ein Drehfeld mit einer Polpaarzahl p erzeugt, müssen jedoch für eine automatisch korrekte Ausrichtung der Geberwelle nicht auch genau so viele Stellungen in Bezug auf den Läufer möglich sein, sondern es ist für eine automatisch korrekte Ausrichtung ausreichend, wenn die Anzahl der unterschiedlichen Stellungen der Geberwelle in Bezug auf den Läufer ein ganzzahliger Teiler der Polpaarzahl p ist. Bei einer Polpaarzahl von p = 20 ist es somit ausreichend, wenn die Geberwelle mit dem Läufer in 1, 2, 4, 5, 10 oder 20 unterschiedlichen Stellungen des Läufers in Bezug auf die Geberwelle verbindbar ist.
Wenn die Anzahl der möglichen unterschiedlichen Stellungen des Läufers in Bezug auf die Geberwelle größer als 1 ist, d.h. dass mehr als eine Stellung des Läufers in Bezug auf die Geberwelle möglich ist, kann die Montage des Gebers besonders einfach erfolgen. Dies ist insbesondere von großem Vorteil bei einer Montage des Gebers unter sehr beengten Platzverhältnissen, wie sie z.B. in einem U-Boot vorliegen.
Die Verbindung kann konstruktiv einfach dadurch realisiert werden, dass die Geberwelle mit dem Läufer durch einen Form- schluss in Drehrichtung des Läufers verbindbar ist.
Bevorzugt ist eine Kupplung zur formschlüssigen Verbindung des Läufers mit der Geberwelle vorgesehen, wobei die Kupplung ein in seiner in Bezug auf die Drehachse des Läufers radialen Ausdehnung veränderbares Kupplungselement und ein Gegenkupplungselement aufweist, wobei das Kupplungselement zur formschlüssigen Verbindung in einen Innenraum des Gegenkupplungs- elementes eingreift, und wobei der Innenraum und das Kupplungselement in Drehrichtung des Läufers aneinander angepass- te Profilierungen aufweisen.
In einer konstruktiv besonders einfachen und montagefreundlichen Ausgestaltung sind die Profilierungen als ein Mehrkantprofil ausgebildet. Weiterhin können hierdurch Drehmomente besonders zuverlässig übertragen werden.
Das Kupplungselement bzw. das Gegenkupplungselement kann hierbei Teil des Läufers, der Geberwelle, aber auch Teil eines Wellenadapters sein, der drehfest mit dem Läufer verbunden ist.
In einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung ist das Gegenkupplungselement Teil der Geberwelle, wobei die Geberwelle als Hohlwelle ausgebildet ist und der Innenraum durch zumindest einen Teil des Hohlraums der Hohlwelle gebildet ist.
Bevorzugt weist die Ständerwicklung mehrere Wicklungsstränge aufweist, die von jeweils einem separaten, einphasigen Umrichter gespeist werden.
Ein besonders geringer Platzbedarf bei hoher Leistungsdichte ist dadurch möglich, dass die Maschine als Synchronmaschine mit einem permanentmagnetisch erregten Läufer ausgebildet ist .
Aufgrund ihres geringen Platzbedarfes und ihrer Geräuscharmut eignet sich die elektrische Maschine besonders zur Verwendung als Antriebsmotor für ein Schiff, insbesondere ein U-Boot.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen: FIG 1 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung von Wicklungssträngen und Umrichtern einer elektrischen Maschine, FIG 2 eine Prinzipdarstellung der Polpaare des Läufers der
Maschine von FIG 1, FIG 3 einen zeitlichen Verlauf der in einer Ständerwicklung induzierten Spannung,
FIG 4 einen Längsschnitt durch eine Kupplung mit einem Vierkantprofil und FIG 5 eine Draufsicht auf den Wellenadapter von FIG 4 und
Eine in FIG 1 vereinfacht und in einer Prinzipdarstellung gezeigte elektrische Maschine 1 weist einen Ständer 2 mit einer Ständerwicklung 3 auf, die wiederum aus mehreren einzelnen Wicklungssträngen 3' besteht. Jeder einzelne Wicklungsstrang 3' wird durch jeweils einen gesonderten, nur für diesen Wicklungsstrang 3' vorgesehenen Umrichter 5 gespeist. Jeweils zwei der Umrichter 5 sind zu einem Umrichtermodul 6 zusammen- gefasst. Die Umrichtermodule 6 sind im Inneren der Maschine angeordnet .
Der Ständer 2 umgibt unter Bildung eines Luftspaltes 4 einen drehbaren Läufer 7, häufig auch als „Polrad" bezeichnet. Auf dem Läufer 7 sind - wie vereinfacht in FIG 2 dargestellt - in Umfangsrichtung mehrere Permanentmagnete verteilt, die aus jeweils einem magnetischen Nordpol N und einem Südpol S bestehen .
Bei einer Drehung des Läufers 7 wird in dem Luftspalt 4 und in der Ständerwicklung 3 ein umlaufendes Drehfeld erzeugt, das aus einander abwechselnden magnetischen Nordpolen N und Südpolen S besteht, die jeweils ein Polpaar P bilden und die entlang des Luftspaltes 4 rotieren. Die Gesamtzahl aller Nord- und Südpole bestimmt dabei die so genannte Polzahl (2p) oder Polpaarzahl (p) . Im Fall der FIG 2 werden durch den Läu- fer 7 acht Pole erzeugt, d.h. die Polpaarzahl beträgt p = 4.
Durch das rotierende Drehfeld werden in einem Wicklungsstrang 3' der Ständerwicklung 3 eine Spannung U induziert, deren zeitlicher Verlauf beispielhaft in FIG 3 dargestellt wird. Dabei ist mit „N" die durch einen Nordpol und mit „S" die durch einen Südpol induzierte Spannung bezeichnet. Die bei einer ganzen Umdrehung des Läufers induzierte Spannung U durchläuft vier Perioden Pl, P2, P3, P4, d.h. die Anzahl der induzierten Spannungsperioden Pl, P2, P3, P4 entspricht dabei der Anzahl der Polpaare P bzw. der Polpaarzahl p.
Ein in FIG 4 näher dargestellter Drehwinkelgeber 8 mit einer als Hohlwelle 9 ausgebildeten drehbaren Geberwelle dient zur Erfassung des Drehwinkels α des Läufers 7 und zur Erzeugung einer entsprechenden Signalinformation für eine Regelungseinrichtung der Umrichter 5. Die FIG 4 zeigt hierbei einen aus dem abtriebsseitigen Ende der elektrischen Maschine 1 heraus- ragenden Teil des Läufers 7, der drehbar zwischen einem feststehenden Lagerschild 11 angeordnet ist. Das Gehäuse 12 des Gebers 8 ist zur Verdrehsicherung über eine Halterung 28 mit dem feststehenden Lagerschild 11 verbunden. Die Hohlwelle 9 des Gebers 8 ist über eine Kupplung 10 mit dem Läufer 7 zur Übertragung der Drehbewegung des Läufers 7 an die Hohlwelle 9 drehfest verbunden.
Einmal pro vollständiger Umdrehung des Läufers 7 wird von dem Drehwinkelgeber 8 ein Nullsignal erzeugt, das im Fall der in FIG 3 dargestellten, in einer Ständerwicklungsstrang induzierten Spannung zeitlich beispielsweise in der zweiten Periode P2 bei einem Winkelpunkt φ = x liegt, und das für die Bestimmung der absoluten Winkellage des Läufers 7 in Bezug auf den Ständer 2 dient.
Wenn sowohl die Hohlwelle 9 als auch der Läufer 7 ein Rundprofil aufweisen und die beiden bei einem Abbau des Drehwinkelgebers 8 und anschließender Neumontage durch eine kraftschlüssigen Verbindung drehfest miteinander verbunden werden, wird das Nullsignal nach der Neumontage im Normalfall in der gleichen Periode P2 oder in einer der anderen Perioden Pl, P3, P4 bei einem zum Winkelpunkt φ = x unterschiedlichen Winkelpunkt φ = y erzeugt werden. Für eine optimale Stromrege- lung müsste der Geber 8 durch eine aufwändige elektronische Vermessung dann erst wieder auf den ursprünglichen Winkelpunkt φ = x ausgerichtet werden.
Erfindungsgemäß ist dagegen die Hohlwelle 9 mit dem Läufer 7 in dessen Drehrichtung nur in einer zahlenmäßig begrenzten, von der Anzahl der Polpaare P abhängigen Anzahl unterschiedlicher Stellungen des Läufers 7 in Bezug auf die Geberwelle verbindbar. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Welle 9 des Gebers 8 in Bezug auf den Läufer 7 automatisch derart ausgerichtet ist, dass das Nullsignal beim gleichen Winkelpunkt φ = x der gleichen Periode P2 oder beim gleichen Winkelpunkt φ = x' = x in einer der anderen Perioden Pl, P3 oder P4 erzeugt wird.
Da der Läufer 7 ein Drehfeld mit vier Polpaaren erzeugt, ist die Verbindung zwischen Welle 9 und Läufer 7 derart ausgebildet, dass die Anzahl der unterschiedlichen Stellungen des Läufers 7 in Bezug auf die Welle 9 ein ganzzahliger Teiler der Anzahl der Polpaare P ist, das heißt, dass entweder 1, 2 oder 4 unterschiedliche Stellungen des Läufers 7 in Bezug auf die Welle 9 möglich sind. In jedem dieser Fälle ist bei einer Neumontage des Gebers 8 automatisch eine korrekte Ausrichtung der Welle 9 in Bezug auf den Läufer 7 sichergestellt. Vor- zugsweise ist die Anzahl der unterschiedlichen Stellungen dabei größer als 1, d.h. im vorliegenden Fall sind 2 oder 4 unterschiedlichen Stellungen möglich.
Wie in FIG 4 und 5 dargestellt, ist die Hohlwelle 9 mit dem Läufer 7 durch einen Formschluss in Drehrichtung des Läufers 7 verbindbar. Für diese formschlüssige Verbindung ist eine Kupplung 10 vorgesehen, die zum einen ein in seiner radialen Ausdehnung veränderbares Kupplungselement 15 und zum anderen die Hohlwelle 9 des Gebers 8 als Gegenkupplungselement 14 aufweist. Das Kupplungselement 15 ist hierbei ein Teil eines in FIG 5 in Draufsicht näher gezeigten Wellenadapters 13, der auf seiner dem Geber 8 abgewandten Seite mittels Schrauben 26 drehfest mit dem Läufer 7 verbunden ist und auf seiner dem Geber 8 zugewandten Seite das Kupplungselement 15 aufweist.
Zur formschlüssigen Verbindung in Drehrichtung des Läufers 7 wird die Hohlwelle 9 auf das Kupplungselement 15 geschoben, wodurch das Kupplungselement 15 in einen dem Kupplungselement 15 zugewandten Bereich 27 des von der Hohlwelle 9 umschlossenen Innenraumes 21 eingreift. Die Innenwandung der Hohlwelle 9 in diesem Bereich 27 des Innenraums 21 und die Oberfläche des Kupplungselementes 15 in einem dem Geber 8 zugewandten Bereich 20 weisen in Drehrichtung des Läufers 7 aneinander angepasste Profilierungen auf, die beispielsweise als ein Mehrkantprofil ausgebildet sind. Im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 4 und 5 weisen die Profilierungen in Drehrichtung ein Vierkantprofil auf, d.h. es sind 4 unterschiedliche Stellungen des Läufers 7 in Bezug auf die Hohlwelle 9 möglich.
Grundsätzlich wird bei einem Mehrkantprofil durch die Anzahl der Kanten in Drehrichtung des Läufers 7 die Anzahl der un- terschiedlichen Stellungen des Läufers 7 in Bezug auf die Hohlwelle 9 bestimmt. Diese muss jedoch mit der Anzahl der Polpaare abgestimmt sein, d.h. die Anzahl der Kanten muss ein ganzzahliger Teiler der Polpaarzahl sein.
Das Vierkantprofil des Kupplungselements 15 ist durch ein Spreizelement 16 in seiner radialen Ausdehnung veränderbar und weist hierzu - wie aus FIG 5 entnehmbar - an den Ecken 23 zwischen den Kanten 24 jeweils einen in axialer Richtung verlaufenden Schlitz 25 auf. Das Spreizelement 16 weist einen in Richtung zu dem Läufer 7 sich verjüngenden Durchmesser und eine Bohrung 17 auf, durch die eine über die Hohlwelle 9 zugeführte Schraube 18 in ein in dem Wellenadapter 13 vorgesehenes Innengewinde 19 einschraubbar ist.
Ein Einschrauben der Schraube 18 in das Innengewinder 19 führt zu einer Bewegung des Spreizelementes 16 entlang der Drehachse 22 des Läufers 7 in Richtung zu dem Läufer 7. Hierdurch kommt es zu einer Aufspreizung des Vierkantprofils des Kupplungselementes 15 in Richtung zu der Innenwandung der Hohlwelle 9. Das Spreizelement 16 wird so weit in Richtung zu dem Läufer 7 geführt, bis sich zwischen dem Vierkantprofil im Bereich 20 des Kupplungselementes 15 und dem Vierkantprofil im Bereich 27 der Hohlwelle 9 ein Formschluss in Drehrichtung des Läufers 7 und ein Kraftschluss in Richtung der Drehachse 22 des Läufers 7 einstellt.
Es wird somit auf einfache Weise sichergestellt, dass bei ei- ner erneuten Montage eines Drehwinkelgebers 8 automatisch eine korrekte Ausrichtung des Drehwinkelgebers 8 in Bezug auf den Läufer 7 erfolgt.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine (1) mit einem Ständer (2), einem drehbaren Läufer (7) und einem zwischen dem Ständer (2) und dem Läufer (7) ausgebildeten Luftspalt (4), wobei bei einer Drehung des Läufers (7) durch den Läufer (7) in dem Luftspalt (4) ein Drehfeld erzeugbar ist, das mehrere Polpaare (P) aufweist, und mit einem Drehwinkelgeber (8) zur Bestimmung des Drehwinkels (α) des Läufers (7), wobei der Drehwinkelgeber (8) eine drehbare Geberwelle (9) aufweist, die mit dem Läufer (7) drehfest verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Geberwelle (9) mit dem Läufer (7) in Drehrichtung des Läufers (7) nur in einer zahlenmäßig begrenzten, von der Anzahl der Polpaare (P) abhängigen Anzahl unterschiedlicher Stellungen des Läufers (7) in Bezug auf die Geberwelle (9) verbindbar ist.
2. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der unterschiedlichen Stellungen der Geberwelle (9) in Bezug auf den Läufer (7) ein ganzzahliger Teiler der Anzahl der Polpaare (P) ist.
3. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der unterschiedlichen Stellungen größer als 1 ist.
4. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Geberwelle (9) mit dem Läufer (7) durch einen Formschluss in Drehrichtung des Läufers (7) verbindbar ist.
5. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Kupplung (10) zur formschlüssigen Verbindung des Läufers (7) mit der Geberwelle (9), wobei die Kupplung (10) ein in seiner in Bezug auf die Drehachse (22) des Läufers (7) radialen Ausdehnung veränderbares Kupplungselement (15) und ein Gegenkupplungselement (14) aufweist, wobei das Kupplungselement (15) zur formschlüssigen Verbindung in einen Innenraum (21) des Gegenkupplungselementes (14) eingreift und wobei der Innenraum (21) und das Kupplungselement (20) in Drehrichtung des Läufers (7) aneinander angepasste Profilierungen aufweisen.
6. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierungen als ein Mehrkantprofil ausgebildet sind.
7. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (15) oder das Gegenkupplungselement (14) Teil eines Wellenadapters (13) ist, der drehfest mit dem Läufer (7) verbunden ist
8. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenkupplungselement (14) Teil der Geberwelle (9) ist, wobei die Geberwelle (9) als Hohlwelle ausgebildet ist und der Innenraum (21) durch zumindest einen Teil des Hohlraums der Hohlwelle gebildet ist.
9. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer (2) eine Ständerwicklung (3) mit mehreren Wicklungssträngen (3') aufweist, die von jeweils einem separaten, einphasigen Umrichter (5) gespeist werden.
10. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Synchronmaschine mit einem permanentmagnetisch erregten Läufer (7) aus- gebildet ist.
11. Verwendung der elektrischen Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Antriebsmotor für ein Schiff, insbesondere ein U-Boot.
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