WO2008155293A2 - Electronically commutated motor having an improved stator - Google Patents

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WO2008155293A2
WO2008155293A2 PCT/EP2008/057465 EP2008057465W WO2008155293A2 WO 2008155293 A2 WO2008155293 A2 WO 2008155293A2 EP 2008057465 W EP2008057465 W EP 2008057465W WO 2008155293 A2 WO2008155293 A2 WO 2008155293A2
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Inventor
Torsten Wilharm
Tilo Koenig
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Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings

Definitions

  • the invention relates to an electronically commutated electric motor with a stator that is improved over the prior art.
  • Such electric motors are particularly in applications intensified distribution, where it depends on longevity and low wear and compact designs are indispensable.
  • the time required for the operation of such electric motors periodic switching of magnetic field generating coils is no longer done by a mechanical commutator, but by electronic switching devices.
  • For the synchronization of the switching operations is usually the determination of at least one rotor position, wherein the switching operations in coordination with the rotational speed of the rotor are made such that a magnetic rotating field is generated.
  • the rotating field interacts with a magnet-equipped rotor, which sets this in rotation.
  • Each phase has at least one strand for this, which comprises a plurality of coils which are connected in parallel or in series.
  • stator designs with coils arranged on the circumference of the stator, which alternately belong to different strings is often a magnetic coupling between the individual strings, which leads to an effective increase of the inductance.
  • the associated current limit often leads to an unsatisfactory torque output in medium speed ranges.
  • the invention is based on interconnecting the individual coils of the stator so that in each case two coils adjacent to one another directly on the circumference of the stator belong to one and the same strand. This eliminates at least the formation of such pairs of coils otherwise required long connecting elements.
  • Under strand within the meaning of the invention is to be understood as any arrangement of a plurality of coils of the stator, which are energized simultaneously during operation of the electric motor. The nature of the interconnection of these coils is not important.
  • the two adjacent coils of a coil pair are each wound in opposite directions within a strand.
  • This circuit concept can be used with advantage if the individual coils each encompass only one tooth of the stator.
  • the invention thus consists in an electronically commutated electric motor, comprising a stator surrounding a rotor, wherein the stator comprises a plurality of strands, each having at least one coil pair, wherein the coils of this coil pair are arranged adjacent to the circumference of the stator and wound in opposite directions.
  • Stators for the winding or interconnection of individual coils according to the invention accordingly have a number of teeth which can be divided by two and by the number of strands.
  • at least two coil pairs formed according to the invention each belong to one strand, wherein in turn advantageously these at least two coil pairs are diametrically opposed. This results in a particularly good running smoothness executed such electric motors, since the interaction between the rotor and stator generates a pure torque about the axis of rotation of the rotor and vibrations are largely avoided.
  • each case the two coils, which form an adjacent coil pair within a strand, are operated in series. This makes it possible at least to wind through the coils of each coil pair.
  • stators according to the invention it remains the same possible to wind through all the coils of the stator in a winding tube, which represents a significant technological advantage.
  • a delta connection has the advantage over a star connection that with the same available voltage of a supply network, smaller wire thicknesses are required for the winding of the individual coils, which represents a considerable advantage, in particular in the field of motor vehicle electrics, since there with relatively high currents and low voltages is worked and the resulting wire thicknesses are quite high anyway.
  • a reduced wire thickness is of particular interest because it ensures better windability.
  • the number of poles of the rotor slightly higher than the number of coils of the stator. In this case, there is a slight geometric mismatch between the poles of the rotor and the stator, which causes the
  • Electric motors with advantage to comply when a twelve-tooth stator with twelve coils and a fourteen-pole rotor are combined.
  • Fig. 1 is a winding diagram for a stator for operating the electric motor according to the invention in parallel delta connection;
  • FIG. 2 shows a winding diagram for a stator for operating the electric motor according to the invention in a series delta connection
  • FIG. 3 is a sectional view of a stator body of an electronically commutated electric motor according to the invention with inserted rotor;
  • Fig. 4 is a simplified circuit diagram for operating an electric motor according to the invention in delta connection.
  • Fig. 1 shows a winding diagram for a stator for operating the electric motor according to the invention in a parallel delta connection.
  • the individual strands are designated A, B and C.
  • the winding scheme is explained based on a possible winding order.
  • the arrows in the winding diagram show the winding direction and the order of the winding process.
  • the stator is designed as a twelve-toothed stator, which is particularly suitable for the winding scheme according to the invention.
  • the winding takes place in such a way that first tooth 1 and then tooth 2 are wound in opposite directions.
  • the two teeth 1 and 2 then carry a coil pair S1, S2, which belongs to the strand A.
  • tooth 3 and 4 which receive a coil pair S3, S4, which belongs to strand C.
  • the winding sense of the coil pair S3, S4 on the teeth 3 and 4 is opposite to the coil pair S1, S2 on the teeth 1 and 2 reversed.
  • the teeth 5 and 6 which receive a pair of coils S5, S6, which belongs to strand B, wherein the winding sense of the coil pair S5, S6 on the teeth 5 and 6 relative to the coil pair S3, S4 on the teeth 3 and 4 reverses again.
  • the winding scheme shown results in a stator with three strands A, B, C, each having two coil pairs S1, S2; S3, S4 and S5, S6; S7, S8 and S9, S10; S11, S12 include, which are diametrically opposite each other on the circumference of the stator, wherein the individual strands A, B, C are magnetically largely decoupled from each other.
  • each strand is energized via contact elements 13, 14, 15, which act on two respective points between respectively adjacent coil pairs. In this way, there is only one energized pair of coils between two contact points, via which the power supply takes place.
  • the contact elements 13, 14, 15 take over in this embodiment simultaneously the function of connecting elements to bridge the distance between the individual diametrically opposite to the circumference of the stator coil pairs.
  • Fig. 2 shows a winding diagram for a stator for operating the electric motor according to the invention in a series delta connection.
  • the difference to the winding scheme shown in Fig. 1 is that initially all four coils of a strand are wound before changing to the next strand. This is begun in an analogous manner by first tooth 1 and then tooth 2 are wound in opposite directions. The two teeth 1 and 2 then carry a pair of coils S1, S2, that belongs to strand A. Subsequently, the winding wire is guided in a large winding step to the tooth 7. Thereafter, tooth 7 and 8 continue, which pick up a coil pair S7, S8, which also belongs to strand A.
  • tooth 9 and 10 which receive a pair of coils S9, S10, which belongs to strand C.
  • the winding wire is guided in a large winding step to the tooth 3.
  • tooth 3 and 4 which receive a pair of coils S3, S4, which also belongs to strand C.
  • teeth 5 and 6 continue, which receive a pair of coils S5, S6, which belongs to strand B.
  • the winding wire is guided in a large winding step to the tooth 11.
  • teeth 11 and 12 continue, which receive a pair of coils S11, S12, which also belongs to strand B.
  • FIG. 3 shows a sectional view of a stator body 19 of an electronically commutated electric motor according to the invention with inserted rotor 20.
  • the stator body 19 is of radially symmetrical construction and has twelve teeth 1 to 12 which serve to receive coils (not shown), each of which has a tooth of the Stators embrace.
  • a fourteen-pole rotor 20 is arranged in the central region of the stator body 19.
  • the design as a twelve-toothed stator allows the inventive design of three strands, which can be formed according to the previous winding schemes of two opposing coil pairs, wherein the three strands be operated in the form of a triangle circuit.
  • the shape of the stator body 19 is made in a known manner by contouring a stack of so-called electrical sheets.
  • the individual teeth 1 to 12 of the stator body 19 have rotor-side tooth heads 21 which determine the shape of the gap between permanent magnets 22 arranged on the rotor 20 and the teeth 1 to 12 of the stator body.
  • Their widened form opposite to the teeth also ensures effective guidance of the magnetic flux and secure support of the wound on the individual teeth coils.
  • the illustration shows the advantageous geometric mismatch between the poles of the rotor 20 and the 12-tooth stator, which results when the rotor 20 is designed as a fourteen-pole rotor.
  • the permanent magnets 22 located on the rotor 20 are arranged symmetrically in front of a respective tooth head 21, while others are arranged just between two tooth heads 21.
  • the ratio between magnetic poles of the rotor and the number of teeth of the stator in the present example is 7 to 6, wherein the boundary condition of an even number of poles of the rotor at this ratio leads to the minimum number of teeth of 12 for a stator designed according to the invention.
  • the resulting slight geometric mismatch between rotor and stator does not affect the performance of the electric motor of the present invention.
  • the electric motor comprises three strands A, B, C, which are each shown as a simple coil. On the specific embodiment of the interconnection of multiple coils to a strand is not important for the operation of the circuit shown.
  • Power supply 23 provides a required operating voltage.
  • the strand ends of the strands A, B, C are connected via corresponding semiconductor switches T1 to T6 with phases U, V, W, whereby the operation of the erfindungsge- ze H electric motor required rotating field can be generated within inventively ausgestalteter stators.
  • inventively ausgestalteter stators The skilled person will readily understand that the number of strands and phases with a corresponding continuation of the circuit shown, ie an extension to other semiconductor switches and inductors and a corresponding modification of the number of phases dependent synchronization of the required for generating a rotating field switching operations can be varied can.

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  • Power Engineering (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

The invention relates to an electronically commutated electric motor comprising a stator encompassing a rotor (20), the stator comprising a plurality of branches (A, B, C), each comprising at least one pair of coils (S1, S2; S3, S4; S5, S6), the coils of said pair of coils being adjacently disposed on the circumference of the stator and wound in opposite directions.

Description

Beschreibung description
Titeltitle
Elektronisch kommutierter Motor mit verbessertem StatorElectronically commutated motor with improved stator
Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Elektromotor mit einem gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Stator.The invention relates to an electronically commutated electric motor with a stator that is improved over the prior art.
Stand der TechnikState of the art
Derartige Elektromotoren finden insbesondere in Anwendungsbereichen verstärkte Verbreitung, in denen es auf Langlebigkeit und Verschleißarmut ankommt und kompakte Bauformen unabdingbar sind. Das für die Funktionsweise von derartigen Elektromotoren erforderliche periodische Schalten von magnetfelderzeugenden Spulen erfolgt dabei nicht mehr durch einen mechanischen Kommutator, sondern durch elektronische Schalteinrichtungen. Zur Synchronisation der Schaltvorgänge erfolgt in der Regel die Bestimmung mindestens einer Rotorposition, wobei die Schaltvorgänge in Abstimmung mit der Drehzahl des Rotors derart vorgenommen werden, dass ein magnetisches Drehfeld erzeugt wird.Such electric motors are particularly in applications intensified distribution, where it depends on longevity and low wear and compact designs are indispensable. The time required for the operation of such electric motors periodic switching of magnetic field generating coils is no longer done by a mechanical commutator, but by electronic switching devices. For the synchronization of the switching operations is usually the determination of at least one rotor position, wherein the switching operations in coordination with the rotational speed of the rotor are made such that a magnetic rotating field is generated.
Dazu werden mehrere, in der Regel drei, Phasen einer Statorwicklung zurFor this purpose, several, usually three, phases of a stator winding for
Erzeugung des Drehfeldes elektronisch kommutiert. Das Drehfeld wechselwirkt mit einem magnetbestückten Rotor, was diesen in Rotation versetzt. Jede Phase weist dazu mindestens einen Strang auf, der mehrere Spulen umfasst, die parallel oder in Reihe geschaltet sind.Generation of the rotating field electronically commutated. The rotating field interacts with a magnet-equipped rotor, which sets this in rotation. Each phase has at least one strand for this, which comprises a plurality of coils which are connected in parallel or in series.
Es ist bekannt, unmittelbar miteinander zu verschaltende Einzelzahnspulen so anzuordnen, dass sie symmetrisch über den Umfang des Stators verteilt sind. Dabei wechseln sich die einzelnen Spulen der unterschiedlichen Stränge am Umfang des Stators ab. Dieser geometrische Aufbau erfordert zur Verschaltung und Kontaktierung der einzelnen Spulen lange Verbindungselemente. Diese Verbindungselemente nehmen relativ viel Platz ein, was der Vorgabe einer kompakten Ausführung derartiger Elektromotoren zuwider läuft. Ein weiterer Nachteil langer Verbindungselemente besteht darin, dass sie zu einer Erhöhung des Wicklungswiderstandes beitragen, was sich durch unnötige ohmsche Verluste bemerkbar macht und zu einer unerwünschten oder kritischen Erwärmung derart ausgelegter Elektromotoren führen kann. Wird die Gesamtanordnung der Spulen nicht durchgewickelt, ist zur Integration der Verbindungselemente zwischen den einzelnen Spulen außerdem eine entsprechende Kontaktierung vorzunehmen, was mit zusätzlichen Kosten verbunden ist und insbesondere bei stark mechanisch beanspruchten Motoren eine potentielle Fehlerquelle darstellt, die bereits in der Fertigung besondere Aufmerksamkeit erfordert.It is known to arrange directly to be interconnected single-toothed coils so that they are distributed symmetrically over the circumference of the stator. The individual coils of the different strands alternate at the circumference of the stator. This geometric structure requires the interconnection and Contacting the individual coils long connecting elements. These fasteners take up a relatively large amount of space, which runs contrary to the specification of a compact design of such electric motors. Another disadvantage of long connecting elements is that they contribute to an increase in the winding resistance, which is noticeable by unnecessary ohmic losses and can lead to an undesirable or critical heating of such designed electric motors. If the overall arrangement of the coils is not wound, the integration of the connecting elements between the individual coils also make a corresponding contact, which is associated with additional costs and represents a potential source of error especially in heavily mechanically stressed motors, which requires special attention already in the production.
Ein weiterer Nachteil von Statorkonstruktionen mit am Umfang des Stators angeordneten Spulen, die abwechselnd zu unterschiedlichen Strängen gehören, besteht häufig in einer magnetischen Kopplung zwischen den einzelnen Strängen, was zu einer effektiven Erhöhung der Induktivität führt. Die damit verbundene Strombegrenzung führt häufig zu einer unbefriedigenden Drehmomentenabgabe in mittleren Drehzahlbereichen. Mit der Erfindung werden die genannten Nachteile weitgehend vermieden.Another disadvantage of stator designs with coils arranged on the circumference of the stator, which alternately belong to different strings, is often a magnetic coupling between the individual strings, which leads to an effective increase of the inductance. The associated current limit often leads to an unsatisfactory torque output in medium speed ranges. With the invention, the disadvantages mentioned are largely avoided.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung beruht darauf, die einzelnen Spulen des Stators so miteinander zu verschalten, dass jeweils zwei direkt am Umfang des Stators benachbarte Spulen zu ein und demselben Strang gehören. Damit entfallen zumindest zur Bildung derartiger Spulenpaare die ansonsten erforderlichen langen Verbindungselemente. Unter Strang im Sinne der Erfindung ist dabei jede Anordnung aus mehreren Spulen des Stators zu verstehen, die während des Betriebes des Elektromotors gleichzeitig bestromt werden. Auf die Art der Zusammenschaltung dieser Spulen kommt es dabei nicht an.The invention is based on interconnecting the individual coils of the stator so that in each case two coils adjacent to one another directly on the circumference of the stator belong to one and the same strand. This eliminates at least the formation of such pairs of coils otherwise required long connecting elements. Under strand within the meaning of the invention is to be understood as any arrangement of a plurality of coils of the stator, which are energized simultaneously during operation of the electric motor. The nature of the interconnection of these coils is not important.
Für den Aufbau des Magnetfeldes in erfindungsgemäßen Elektromotoren ist es daneben erforderlich, dass die beiden benachbarten Spulen eines Spulenpaares innerhalb eines Stranges jeweils gegensinnig gewickelt sind. Dieses Schaltungskonzept lässt sich mit Vorteil anwenden, wenn die einzelnen Spulen jeweils nur einen Zahn des Stators umfangen.For the structure of the magnetic field in electric motors according to the invention, it is also necessary that the two adjacent coils of a coil pair are each wound in opposite directions within a strand. This circuit concept can be used with advantage if the individual coils each encompass only one tooth of the stator.
Die Erfindung besteht somit in einem elektronisch kommutierten Elektromotor, umfassend einen Stator der einen Rotor umgibt, wobei der Stator mehrere Stränge umfasst, die jeweils mindestens ein Spulenpaar aufweisen, wobei die Spulen dieses Spulenpaares am Umfang des Stators benachbart angeordnet und gegensinnig gewickelt sind.The invention thus consists in an electronically commutated electric motor, comprising a stator surrounding a rotor, wherein the stator comprises a plurality of strands, each having at least one coil pair, wherein the coils of this coil pair are arranged adjacent to the circumference of the stator and wound in opposite directions.
Statoren für die erfindungsgemäße Bewickelung bzw. Verschaltung von einzelnen Spulen weisen dementsprechend eine Anzahl von Zähnen auf, die durch zwei und durch die Anzahl der Stränge teilbar ist. Vorteilhafterweise gehören mindestens zwei erfindungsgemäß gebildete Spulenpaare jeweils zu einem Strang, wobei sich wiederum vorteilhafterweise diese mindestens zwei Spulenpaare diametral gegenüberliegen. Dadurch ergibt sich eine besonders gute Laufruhe derart ausgeführter Elektromotoren, da die Wechselwirkung zwischen Rotor und Stator ein reines Drehmoment um die Rotationsachse des Rotors erzeugt und Vibrationen weitgehend vermieden werden.Stators for the winding or interconnection of individual coils according to the invention accordingly have a number of teeth which can be divided by two and by the number of strands. Advantageously, at least two coil pairs formed according to the invention each belong to one strand, wherein in turn advantageously these at least two coil pairs are diametrically opposed. This results in a particularly good running smoothness executed such electric motors, since the interaction between the rotor and stator generates a pure torque about the axis of rotation of the rotor and vibrations are largely avoided.
Durch die gegensinnige Wicklung der Spulen, die innerhalb eines Stranges ein Spulenpaar bilden, kommt es zu einer weitgehenden magnetischen Entkopplung der einzelnen Stränge untereinander bzw. zu einer magnetischen Entkopplung zwischen benachbarten Spulenpaaren. Das führt zu einer Senkung der effektiv wirksamen Induktivität. Das wirkt sich wiederum vorteilhaft auf das maximaleDue to the opposing winding of the coils, which form a coil pair within a strand, there is a substantial magnetic decoupling of the individual strands with each other or to a magnetic decoupling between adjacent coil pairs. This leads to a reduction of the effectively effective inductance. This in turn has an advantageous effect on the maximum
Drehmoment in mittleren Drehzahlbereichen aus, da der Strom durch die geringere wirksame Induktivität weniger stark begrenzt wird und schnelle Stromanstiege in den jeweils bestromten Spulenpaaren ermöglicht werden.Torque in mid-speed ranges, since the current is less limited by the lower effective inductance and rapid current increases are possible in the respective energized coil pairs.
Vorteilhafterweise werden jeweils die beiden Spulen, die innerhalb eines Stranges ein benachbartes Spulenpaar bilden, in Reihe geschaltet betrieben. Das ermöglicht es zumindest, die Spulen jeweils eines Spulenpaares durchzuwickeln. In erfindungsgemäßen Ausführungsformen von Statoren ist es daneben weiterhin möglich, alle Spulen des Stators in einem Wickelschhtt durchzuwickeln, was einen erheblichen technologischen Vorteil darstellt.Advantageously, in each case the two coils, which form an adjacent coil pair within a strand, are operated in series. This makes it possible at least to wind through the coils of each coil pair. In addition, in embodiments of stators according to the invention, it remains the same possible to wind through all the coils of the stator in a winding tube, which represents a significant technological advantage.
Gehören jeweils mehrere, insbesondere zwei, Spulenpaare zu einem Strang, so können die Spulenpaare jedes Stranges wiederum in Reihe, aber auch parallel geschaltet werden. Besonders vorteilhaft ist es, erfindungsgemäße elektronisch kommutierte Elektromotoren in einer Dreieckschaltung zu betreiben. Eine Dreieckschaltung weist gegenüber einer Sternschaltung den Vorteil auf, dass bei gleicher zur Verfügung stehender Spannung eines Versorgungsnetzes geringere Drahtdicken für die Wicklung der einzelnen Spulen benötigt werden, was insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugelektrik einen erheblichen Vorteil darstellt, da dort mit relativ hohen Strömen und niedrigen Spannungen gearbeitet wird und die daraus resultierenden Drahtdicken ohnehin recht hoch sind. Eine reduzierte Drahtdicke ist insbesondere von Interesse, da durch sie eine bessere Wickelbarkeit gewährleistet wird.If several, in particular two, coil pairs belong to one strand, the coil pairs of each strand can in turn be connected in series, but also in parallel. It is particularly advantageous to operate electronically commutated electric motors according to the invention in a delta connection. A delta connection has the advantage over a star connection that with the same available voltage of a supply network, smaller wire thicknesses are required for the winding of the individual coils, which represents a considerable advantage, in particular in the field of motor vehicle electrics, since there with relatively high currents and low voltages is worked and the resulting wire thicknesses are quite high anyway. A reduced wire thickness is of particular interest because it ensures better windability.
Zur Erzielung guter Gleichlaufeigenschaften und zur Vermeidung starker Rastmomente ist es von Vorteil, die Zahl der Pole des Rotors etwas höher zu wählen als die Zahl der Spulen des Stators. In diesem Falle ergibt sich eine leichte geometrische Fehlanpassung zwischen den Polen des Rotors und dem Stator, welche dieTo achieve good synchronization properties and to avoid strong cogging moments, it is advantageous to choose the number of poles of the rotor slightly higher than the number of coils of the stator. In this case, there is a slight geometric mismatch between the poles of the rotor and the stator, which causes the
Funktions- bzw. Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Elektromotors nicht beeinträchtigt, das gleichzeitige Auftreten von Rastmomenten in allen Bereichen des Rotors jedoch sicher verhindert. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zahl der Pole des Rotors um höchstens 20% über der Zahl der Spulen des Stators liegt. Diese Randbedingung lässt sich in erfindungsgemäß ausgelegtenFunctioning or performance of the electric motor according to the invention is not affected, however, the simultaneous occurrence of cogging torque in all areas of the rotor safely prevented. It has proved to be advantageous if the number of poles of the rotor is at most 20% higher than the number of coils of the stator. This boundary condition can be designed according to the invention
Elektromotoren mit Vorteil einhalten, wenn ein zwölfzähniger Stator mit zwölf Spulen und ein vierzehnpoliger Rotor kombiniert werden.Electric motors with advantage to comply when a twelve-tooth stator with twelve coils and a fourteen-pole rotor are combined.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
An zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im Folgenden erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Wickelschema für einen Stator zum Betrieb des erfindungsgemäßen Elektromotors in paralleler Dreieckschaltung;Two embodiments of the invention will be explained below. Show it: Fig. 1 is a winding diagram for a stator for operating the electric motor according to the invention in parallel delta connection;
Fig. 2 ein Wickelschema für einen Stator zum Betrieb des erfindungsgemäßen Elektromotors in serieller Dreieckschaltung;FIG. 2 shows a winding diagram for a stator for operating the electric motor according to the invention in a series delta connection; FIG.
Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Statorkörpers eines erfindungsgemäßen elektronisch kommutierten Elektromotors mit eingefügtem Rotor; und3 is a sectional view of a stator body of an electronically commutated electric motor according to the invention with inserted rotor; and
Fig. 4 einen vereinfachten Schaltplan zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Elektromotors in Dreieckschaltung.Fig. 4 is a simplified circuit diagram for operating an electric motor according to the invention in delta connection.
Fig. 1 zeigt ein Wickelschema für einen Stator zum Betrieb des erfindungsgemäßen Elektromotors in paralleler Dreieckschaltung. Die einzelnen Stränge werden mit A, B und C bezeichnet. Das Wickelschema wird anhand einer möglichen Wickelreihenfolge erklärt. Die Pfeile im Wickelschema zeigen die Wickelrichtung und die Reihenfolge des Wickelvorganges an. Der Stator ist als zwölfzahniger Stator ausgebildet, der für das erfindungsgemäße Wickelschema besonders geeignet ist.Fig. 1 shows a winding diagram for a stator for operating the electric motor according to the invention in a parallel delta connection. The individual strands are designated A, B and C. The winding scheme is explained based on a possible winding order. The arrows in the winding diagram show the winding direction and the order of the winding process. The stator is designed as a twelve-toothed stator, which is particularly suitable for the winding scheme according to the invention.
Das Wickeln erfolgt derart, dass zuerst Zahn 1 und dann Zahn 2 gegensinnig bewickelt werden. Die beiden Zähne 1 und 2 tragen danach ein Spulenpaar S1 , S2, das zum Strang A gehört. Danach wird mit Zahn 3 und 4 fortgefahren, die ein Spulenpaar S3, S4 aufnehmen, welches zu Strang C gehört. Der Wickelsinn des Spulenpaares S3, S4 auf den Zähnen 3 und 4 ist gegenüber dem Spulenpaar S1 , S2 auf den Zähnen 1 und 2 umgekehrt. Anschließend wird mit den Zähnen 5 und 6 fortgefahren, die ein Spulenpaar S5, S6 aufnehmen, welches zu Strang B gehört, wobei sich der Wickelsinn des Spulenpaares S5, S6 auf den Zähnen 5 und 6 gegenüber dem Spulenpaar S3, S4 auf den Zähnen 3 und 4 wiederum umkehrt. Nach dieser Vorgehensweise ergibt sich eine Wickelstruktur, nach der benachbarte Spulen S2, S3 benachbarter Spulenpaare S1 , S2; S3, S4 jeweils gleichsinnig gewickelt sind. Anschließend werden die Zähne 7 bis 12 in gleicher weise bewickelt. Auf diese Weise wird der gesamte Stator ohne Absetzen und lange Wickelschritte zwischen einzelnen Zähnen 1 bis 12 bewickelt. Es sind also kaum verlustreiche Wickelbrücken enthalten, da im günstigsten Fall lediglich der Abstand zwischen zwei benachbarten Spulen zu überbrücken ist und selbst im ungünstigsten Fall lediglich die Ausdehnung von zwei benachbarten Spulen überbrückt werden muss, wobei Teile dieser Brücke dann bereits in die Wickelstruktur der einzelnen Spulen einbezogen sein können. Anfang und Ende des Wickeldrahtes werden miteinander verbunden. Jeweils zwischen Spulen, die zu unterschiedlichen Spulenpaaren, also zu unterschiedlichen Strängen gehören, wird der Draht jeweils in geeigneter Weise abgelegt, so dass eine einfache Kontaktierung der Strangenden zu einer in Fig. 4 gezeigten Endstufe möglich ist.The winding takes place in such a way that first tooth 1 and then tooth 2 are wound in opposite directions. The two teeth 1 and 2 then carry a coil pair S1, S2, which belongs to the strand A. Then it continues with tooth 3 and 4, which receive a coil pair S3, S4, which belongs to strand C. The winding sense of the coil pair S3, S4 on the teeth 3 and 4 is opposite to the coil pair S1, S2 on the teeth 1 and 2 reversed. Then continue with the teeth 5 and 6, which receive a pair of coils S5, S6, which belongs to strand B, wherein the winding sense of the coil pair S5, S6 on the teeth 5 and 6 relative to the coil pair S3, S4 on the teeth 3 and 4 reverses again. After this procedure, a winding structure, according to the adjacent coils S2, S3 adjacent coil pairs S1, S2; S3, S4 are each wound in the same direction. Subsequently, the teeth 7 to 12 are wound in the same way. In this way, the entire stator without settling and long winding steps between individual teeth 1 to 12 wound. So there are hardly lossy winding bridges included, since in the best case, only the distance between two adjacent coils to bridge and even in the worst case, only the expansion of two adjacent coils must be bridged, with parts of this bridge then already in the winding structure of the individual coils can be involved. The beginning and end of the winding wire are connected together. Between each coil, which belong to different coil pairs, that is to different strands, the wire is stored in each case in a suitable manner, so that a simple contacting of the strand ends is possible to a power amplifier shown in Fig. 4.
Das dargestellte Wickelschema ergibt einen Stator mit drei Strängen A, B, C, die jeweils zwei Spulenpaare S1 , S2; S3, S4 sowie S5, S6; S7, S8 sowie S9, S10; S11 , S12 umfassen, die sich jeweils am Umfang des Stators diametral gegenüberliegen, wobei die einzelnen Stränge A, B, C magnetisch weitgehend voneinander entkoppelt sind.The winding scheme shown results in a stator with three strands A, B, C, each having two coil pairs S1, S2; S3, S4 and S5, S6; S7, S8 and S9, S10; S11, S12 include, which are diametrically opposite each other on the circumference of the stator, wherein the individual strands A, B, C are magnetically largely decoupled from each other.
Zum Betrieb in paralleler Dreieckschaltung wird jeder Strang über Kontaktelemente 13, 14, 15 bestromt, die an jeweils zwei Punkten zwischen jeweils benachbarten Spulenpaaren angreifen. Auf diese Weise befindet sich jeweils nur ein bestromtes Spulenpaar zwischen zwei Kontaktstellen, über die die Stromeinspeisung erfolgt. Die Kontaktelemente 13, 14, 15 übernehmen in dieser Ausgestaltung gleichzeitig die Funktion von Verbindungselementen zur Überbrückung der Entfernung zwischen den einzelnen sich diametral am Umfang des Stators gegenüberliegenden Spulenpaaren.For operation in parallel delta connection, each strand is energized via contact elements 13, 14, 15, which act on two respective points between respectively adjacent coil pairs. In this way, there is only one energized pair of coils between two contact points, via which the power supply takes place. The contact elements 13, 14, 15 take over in this embodiment simultaneously the function of connecting elements to bridge the distance between the individual diametrically opposite to the circumference of the stator coil pairs.
Fig. 2 zeigt ein Wickelschema für einen Stator zum Betrieb des erfindungsgemäßen Elektromotors in serieller Dreieckschaltung. Der Unterschied zum in Fig. 1 dargestellten Wickelschema besteht darin, dass zunächst alle vier Spulen eines Stranges bewickelt werden, bevor zum nächsten Strang gewechselt wird. Dazu wird in analoger Weise begonnen, indem zuerst Zahn 1 und dann Zahn 2 gegensinnig bewickelt werden. Die beiden Zähne 1 und 2 tragen danach ein Spulenpaar S1 , S2, das zum Strang A gehört. Anschließend wird der Wickeldraht in einem großen Wickelschritt bis zum Zahn 7 geführt. Danach wird mit Zahn 7 und 8 fortgefahren, die ein Spulenpaar S7, S8 aufnehmen, welches ebenfalls zu Strang A gehört. Danach wird mit Zahn 9 und 10 fortgefahren, die ein Spulenpaar S9, S10 aufnehmen, welches zu Strang C gehört. Anschließend wird der Wickeldraht in einem großen Wickelschritt bis zum Zahn 3 geführt. Danach wird mit Zahn 3 und 4 fortgefahren, die ein Spulenpaar S3, S4 aufnehmen, welches ebenfalls zu Strang C gehört. Danach wird mit Zahn 5 und 6 fortgefahren, die ein Spulenpaar S5, S6 aufnehmen, welches zu Strang B gehört. Anschließend wird der Wickeldraht in einem großen Wickelschritt bis zum Zahn 11 geführt. Danach wird mit Zahn 11 und 12 fortgefahren, die ein Spulenpaar S11 , S12 aufnehmen, welches ebenfalls zu Strang B gehört. Auf diese Weise werden große Wickelschritte zwar nicht vollständig vermieden, ihre Anzahl wird jedoch gegenüber herkömmlichen Statorausführungen deutlich reduziert, was mit den anfangs beschriebenen Vorteilen verbunden ist. Anfang und Ende des Wickeldrahtes werden wiederum miteinander verbunden. Jeweils zwischen Spulen, die zu unterschiedlichen Spulenpaaren und zu unterschiedlichen Strängen gehören, wird der Draht im Bereich eines kurzen Wickelschrittes jeweils in geeigneter weise abgelegt, so dass eine einfache Kontaktierung der Strangenden zu einer nicht dargestellten Endstufe möglich ist. Durch die wickeltechnisch realisierte Serienschaltung aller Spulen eines Stranges genügt in diesem Falle jeweils eine einfache Kontaktierung, wodurch die Kontaktelemente 16, 17, 18 besonders einfach ausgestaltet werden können. Die erfindungsgemäße magnetische Entkopplung zwischen den einzelnen Strängen A, B, C lässt sich auch mit einem derartigen Wickelschema realisieren.Fig. 2 shows a winding diagram for a stator for operating the electric motor according to the invention in a series delta connection. The difference to the winding scheme shown in Fig. 1 is that initially all four coils of a strand are wound before changing to the next strand. This is begun in an analogous manner by first tooth 1 and then tooth 2 are wound in opposite directions. The two teeth 1 and 2 then carry a pair of coils S1, S2, that belongs to strand A. Subsequently, the winding wire is guided in a large winding step to the tooth 7. Thereafter, tooth 7 and 8 continue, which pick up a coil pair S7, S8, which also belongs to strand A. Then continue with tooth 9 and 10, which receive a pair of coils S9, S10, which belongs to strand C. Subsequently, the winding wire is guided in a large winding step to the tooth 3. Then it continues with tooth 3 and 4, which receive a pair of coils S3, S4, which also belongs to strand C. Thereafter, teeth 5 and 6 continue, which receive a pair of coils S5, S6, which belongs to strand B. Subsequently, the winding wire is guided in a large winding step to the tooth 11. Thereafter, teeth 11 and 12 continue, which receive a pair of coils S11, S12, which also belongs to strand B. Although large winding steps are not completely avoided in this way, their number is significantly reduced compared to conventional stator designs, which is associated with the advantages described initially. The beginning and end of the winding wire are in turn connected to each other. Between each coil, which belong to different pairs of coils and different strands, the wire in the region of a short winding step is stored in each case in a suitable manner, so that a simple contacting of the strand ends to an output stage, not shown, is possible. By winding technology realized series connection of all coils of a strand suffices in this case in each case a simple contact, whereby the contact elements 16, 17, 18 can be designed particularly simple. The inventive magnetic decoupling between the individual strands A, B, C can also be realized with such a winding scheme.
Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Statorkörpers 19 eines erfindungsgemäßen elektronisch kommutierten Elektromotors mit eingefügtem Rotor 20. Der Statorkörper 19 ist radialsymmetrisch aufgebaut und weist zwölf Zähne 1 bis 12 auf, die der Aufnahme von Spulen (nicht dargestellt) dienen, welche jeweils einen Zahn des Stators umfangen. Im zentralen Bereich des Statorkörpers 19 ist ein vierzehnpoliger Rotor 20 angeordnet. Die Ausführung als zwölfzahniger Stator ermöglicht die erfindungsgemäße Ausbildung von drei Strängen, die entsprechend der vorangegangenen Wickelschemata aus jeweils zwei gegenüberliegenden Spulenpaaren gebildet werden können, wobei die drei Stränge in Form einer Dreiecksschaltung betrieben werden. Ein derartiger Aufbau des Stators ermöglicht eine besonders effektive magnetische Entkopplung der einzelnen Stränge untereinander, was zu den bereits angesprochenen Vorteilen führt. Die Form des Statorkörpers 19 wird dabei in bekannter Weise durch die Konturierung eines Stapels sogenannter Elektrobleche vorgenommen. Die einzelnen Zähne 1 bis 12 des Statorkörpers 19 weisen rotorseitig Zahnköpfe 21 auf, welche die Form des Spaltes zwischen auf dem Rotor 20 angeordneten Permanentmagneten 22 und den Zähnen 1 bis 12 des Statorkörper bestimmen. Ihre gegenüber den Zähnen verbreiterte Form sorgt zudem für eine effektive Führung des Magnetflusses und eine sichere Stützung der auf die einzelnen Zähne gewickelten Spulen.3 shows a sectional view of a stator body 19 of an electronically commutated electric motor according to the invention with inserted rotor 20. The stator body 19 is of radially symmetrical construction and has twelve teeth 1 to 12 which serve to receive coils (not shown), each of which has a tooth of the Stators embrace. In the central region of the stator body 19, a fourteen-pole rotor 20 is arranged. The design as a twelve-toothed stator allows the inventive design of three strands, which can be formed according to the previous winding schemes of two opposing coil pairs, wherein the three strands be operated in the form of a triangle circuit. Such a structure of the stator allows a particularly effective magnetic decoupling of the individual strands with one another, which leads to the advantages already mentioned. The shape of the stator body 19 is made in a known manner by contouring a stack of so-called electrical sheets. The individual teeth 1 to 12 of the stator body 19 have rotor-side tooth heads 21 which determine the shape of the gap between permanent magnets 22 arranged on the rotor 20 and the teeth 1 to 12 of the stator body. Their widened form opposite to the teeth also ensures effective guidance of the magnetic flux and secure support of the wound on the individual teeth coils.
Der Darstellung ist die vorteilhafte geometrische Fehlanpassung zwischen den Polen des Rotors 20 und dem zwölfzahnigen Stator zu entnehmen, die sich ergibt, wenn der Rotor 20 als vierzehnpoliger Rotor ausgeführt ist. In diesem Falle sind stets einige der auf dem Rotor 20 befindlichen Permanentmagneten 22 symmetrisch vor jeweils einem Zahnkopf 21 angeordnet, während andere gerade zwischen zwei Zahnköpfen 21 angeordnet sind. Das führt zur Erzielung guter Gleichlaufeigenschaften und zur Vermeidung starker Rastmomente. Das Verhältnis zwischen magnetischen Polen des Rotors und der Anzahl der Zähne des Stators beträgt im vorliegenden Beispiel 7 zu 6, wobei die Randbedingung einer geradzahligen Polzahl des Rotors bei diesem Verhältnis zur Mindestzahnzahl von 12 für einen erfindungsgemäß ausgestalteten Stator führt. Die daraus folgende leichte geometrische Fehlanpassung zwischen Rotor und Stator beeinträchtigt die Funktions- bzw. Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Elektromotors nicht.The illustration shows the advantageous geometric mismatch between the poles of the rotor 20 and the 12-tooth stator, which results when the rotor 20 is designed as a fourteen-pole rotor. In this case, always some of the permanent magnets 22 located on the rotor 20 are arranged symmetrically in front of a respective tooth head 21, while others are arranged just between two tooth heads 21. This leads to the achievement of good synchronization properties and to avoid strong cogging moments. The ratio between magnetic poles of the rotor and the number of teeth of the stator in the present example is 7 to 6, wherein the boundary condition of an even number of poles of the rotor at this ratio leads to the minimum number of teeth of 12 for a stator designed according to the invention. The resulting slight geometric mismatch between rotor and stator does not affect the performance of the electric motor of the present invention.
Fig. 4 zeigt einen vereinfachten und an sich bekannten Schaltplan zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Elektromotors in Dreieckschaltung. Der Elektromotor umfasst drei Stränge A, B, C, die jeweils als einfache Spule dargestellt sind. Auf die konkrete Ausgestaltung des Zusammenschaltens mehrerer Spulen zu einem Strang kommt es für den Betrieb der dargestellten Schaltung nicht an. Eine4 shows a simplified circuit diagram known per se for operating a delta-connected electric motor according to the invention. The electric motor comprises three strands A, B, C, which are each shown as a simple coil. On the specific embodiment of the interconnection of multiple coils to a strand is not important for the operation of the circuit shown. A
Spannungsversorgung 23 stellt eine erforderliche Betriebsspannung bereit.Power supply 23 provides a required operating voltage.
Die Strangenden der Stränge A, B, C sind über entsprechende Halbleiterschalter T1 bis T6 mit Phasen U, V, W verbindbar, wodurch das zum Betrieb des erfindungsge- mäßen Elektromotors erforderliche Drehfeld innerhalb erfindungsgemäß ausgestalteter Statoren erzeugt werden kann. Dem Fachmann erschließt sich ohne weiteres, dass die Zahl der Stränge und Phasen bei entsprechender Fortsetzung der dargestellten Schaltung, also einer Erweiterung um weitere Halbleiterschalter und Induktivitäten und einer entsprechenden Abwandlung der von der Anzahl der Phasen abhängigen Synchronisation der zur Erzeugung eines Drehfeldes erforderlichen Schaltvorgänge variiert werden kann. The strand ends of the strands A, B, C are connected via corresponding semiconductor switches T1 to T6 with phases U, V, W, whereby the operation of the erfindungsge- mäßen electric motor required rotating field can be generated within inventively ausgestalteter stators. The skilled person will readily understand that the number of strands and phases with a corresponding continuation of the circuit shown, ie an extension to other semiconductor switches and inductors and a corresponding modification of the number of phases dependent synchronization of the required for generating a rotating field switching operations can be varied can.

Claims

Ansprüche claims
1. Elektronisch kommutierter Elektromotor, umfassend einen Stator, der einen Rotor (20) umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator mehrere Stränge umfasst (A, B, C), die jeweils mindestens ein Spulenpaar (S1 , S2; S3, S4; S5, S6) aufweisen, wobei die Spulen dieses Spulenpaares am Umfang des Stators benachbart angeordnet und gegensinnig gewickelt sind.An electronically commutated electric motor comprising a stator surrounding a rotor (20), characterized in that the stator comprises a plurality of strings (A, B, C) each having at least one coil pair (S1, S2, S3, S4, S5 , S6), wherein the coils of this coil pair are arranged adjacent to the circumference of the stator and wound in opposite directions.
2. Elektromotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strang (A, B, C) des Stators jeweils mindestens zwei Spulenpaare (S1 , S2, S7, S8; S3, S4, S9 S10; S5, S6, S11 , S12) aufweist, die sich am Umfang des Stators diametral gegenüberliegen.2. Electric motor according to claim 1, characterized in that each strand (A, B, C) of the stator in each case at least two coil pairs (S1, S2, S7, S8, S3, S4, S9 S10, S5, S6, S11, S12) has, which are diametrically opposed to the circumference of the stator.
3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator drei Stränge (A, B, C) umfasst.3. Electric motor according to claim 1 or 2, characterized in that the stator comprises three strands (A, B, C).
4. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20) ein mit Permanentmagneten (22) bestückter vierzehnpoliger Rotor ist.4. Electric motor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the rotor (20) is equipped with a permanent magnet (22) vierzehnpoliger rotor.
5. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Spulen (S1 bis S12) des Stators durchgehend gewickelt sind.5. Electric motor according to one of claims 1 to 4, characterized in that all coils (S1 to S12) of the stator are wound continuously.
6. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils beide Spulen (S1 bis S12) eines Spulenpaares (S1 , S2 bis S11 , S12) in Reihe geschaltet sind.6. Electric motor according to one of claims 1 to 5, characterized in that in each case both coils (S1 to S12) of a coil pair (S1, S2 to S11, S12) are connected in series.
7. Elektromotor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Spulenpaare (S1 , S2, S7, S8; S3, S4, S9 S10; S5, S6, S11 , S12) eines Stranges (A, B, C) in Reihe geschaltet sind. 7. Electric motor according to one of claims 2 to 6, characterized in that in each case two coil pairs (S1, S2, S7, S8, S3, S4, S9, S10, S5, S6, S11, S12) of a strand (A, B, C ) are connected in series.
8. Elektromotor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Spulenpaare (S1 , S2, S7, S8; S3, S4, S9 S10; S5, S6, S11 , S12) eines Stranges (A, B, C) parallel geschaltet sind.8. Electric motor according to one of claims 2 to 6, characterized in that in each case two coil pairs (S1, S2, S7, S8, S3, S4, S9 S10, S5, S6, S11, S12) of a strand (A, B, C ) are connected in parallel.
9. Elektromotor nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stränge (A, B, C) des Stators in einer Dreieckschaltung geschaltet sind.9. Electric motor according to one of claims 3 to 8, characterized in that the strands (A, B, C) of the stator are connected in a delta connection.
10. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Spulen (S2, S3; S4, S5; S6, S7; S8, S9; S10, S11 ; S12, S1 ) benachbarter Spulenpaare jeweils gleichsinnig gewickelt sind. 10. Electric motor according to one of claims 1 to 9, characterized in that adjacent coils (S2, S3; S4, S5; S6, S7; S8, S9; S10, S11; S12, S1) of adjacent coil pairs are each wound in the same direction.
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