WO2018166930A1 - Electronically commutated electrical machine - Google Patents

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WO2018166930A1
WO2018166930A1 PCT/EP2018/055993 EP2018055993W WO2018166930A1 WO 2018166930 A1 WO2018166930 A1 WO 2018166930A1 EP 2018055993 W EP2018055993 W EP 2018055993W WO 2018166930 A1 WO2018166930 A1 WO 2018166930A1
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stator teeth
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PCT/EP2018/055993
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Steven Andrew Evans
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02K2213/12Machines characterised by the modularity of some components

Definitions

  • the invention relates to electronically commutated electrical machines, in particular electrical machines with measures for increased fault tolerance.
  • Electronically commutated electrical machines in particular permanent magnet-excited electrical machines, can be designed for increased robustness against electrical faults with a plurality of separate winding units.
  • the Wcklungsticianen each comprise separate phase strands, each with one or more phase coils.
  • the separate weighers are each driven by separate power modules to provide high electrical isolation, thereby providing a high degree of robustness against faults. This is especially true for electrical machines in which the phase strands of the individual Wcklungsüen not distributed, but are arranged in segments on a stator of the electric machine.
  • the separate polyphase dicing units are electrically isolated, but not magnetically and thermally isolated from one another, whereby the fault tolerance of the electric machine is limited to short circuit faults within one of the dewatering units.
  • an uncontrollable short-circuit current in one of the faulty reject units may generate a magnetic flux that is in one of the adjacent faultless ones Winding units coupled and the control or regulation of the phase currents in the error-free winding unit difficult. This can potentially endanger the operation of the electrical machine.
  • a short-circuit current can cause high ohmic losses in the faulty winding unit, whereby the thermal integrity of the adjacent fault-free Wcklungsäen can be affected due to lack of thermal insulation between the winding units.
  • a three-phase electric machine which have four Wcklungsäen, each associated with a quarter segment of the stator assembly.
  • the electric machine has twelve slots and eight rotor poles, so that the respective weigher units are each formed with three stator teeth, so that each of the stator coils is assigned to a phase.
  • the four individual units are powered by four separate three-phase power modules in the form of three-phase converters to provide the electrical insulation between the winding units necessary for fault tolerance.
  • the four winding units are not magnetically and thermally isolated from each other, and phase strands of adjacent winding units lie in a common stator slot so that a short circuit between the phase strings of two weeder units can result in the failure of two of the weighers.
  • a stator assembly for an electric machine comprising:
  • a cylindrical stator yoke having main stator teeth and spacer stator teeth projecting therefrom, wherein a plurality of stator teeth groups of a plurality of mutually adjacent main stator teeth are separated from each other by a spacer stator tooth;
  • winding units each having a number of phase strands, each having one or more phase coils, wherein the winding units are each associated with one of the stator tooth groups of the stator assembly and arranged thereon.
  • stator arrangement is to arrange several separate Wecklungs- units each having a number of phase strands, each having one or more phase coils, in each case in segments of stator tooth groups of the stator assembly, so that the separate Wcklungsticianen adjacent to each other are provided on the stator.
  • the Wecklungsticianen do not overlap, so that phase coils of different Wcklungsüen are not arranged in a common Statornut. Therefore, in the event of an electrical short in one of the weeding units, the electrical integrity of the other winding units is not impaired.
  • a spacer stator tooth is provided, which has a geometry deviating from the stator teeth of the stator tooth groups. In this way, an improved thermal and magnetic decoupling can be achieved.
  • the width of the tooth shanks of the spacer stator teeth may be equal to or greater than the width of the main stator teeth.
  • the Abstandstatorzähne and the Hauptstatorzähne may each have tooth tips, which are widened with respect to the toothed shaft in the circumferential direction. It can be provided that in an electrical machine having a pole pair number O and a number N of separate winding units, a distance stator tooth angle CIST, ie the angular range covered by one of the spacer stator teeth, is 360 ° (1 / N-1/0) ,
  • a main stator tooth angle CIMT i. the range of angles covered by one of the main stator teeth is 360 ° / (O P).
  • a distance stator tooth angle CIST i. the angular range covered by one of the spacer stator teeth corresponds to 1/2 ap, where ap corresponds to a pole angle of a rotor pole.
  • a main stator tooth angle CIMT i. the angular range covered by one of the main stator teeth corresponds to 2/3 ap, where ap corresponds to a pole angle of a rotor pole.
  • an electric machine with the above stator arrangement and a rotor with rotor poles is provided.
  • the pole pair number of the rotor can correspond to five.
  • a motor system with the above electrical machine and with power modules is provided which are each designed to drive one or more of the winding units.
  • the power modules can be designed or controllable in order to drive the winding units with a phase offset of the phase currents.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view through an electronically commutated electrical machine
  • FIG. 2 shows a section through the electric machine of FIG. 1 for illustrating the dimensioning of the stator teeth of the stator arrangement of the electric machine;
  • Figure 3 is a schematic representation of a control of the electric machine with separate power modules
  • FIG. 4 shows a diagram for illustrating the profiles of the phase currents of one of the winding units.
  • Figure 5 is a representation of the torque curve over the angle of rotation.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional representation through an exemplary permanent magnet-excited electric machine 1.
  • the electric machine has a stator arrangement 2 and a rotor 3.
  • the stator assembly 2 is formed substantially cylindrical and has a likewise cylindrical inner recess 4, in which the rotor 3 is arranged rotatably.
  • the stator assembly 2 has a cylindrical stator yoke 21 from which evenly spaced stator teeth 22 project inwardly.
  • 16 stator teeth 22 are provided.
  • the stator teeth 22 include main stator teeth 22a and spacer stator teeth 22b.
  • Each of the stator teeth 22a, 22b is provided with a toothed shaft 23 projecting from the stator yoke 21, at the inwardly projecting end thereof a tooth tip 24 is arranged.
  • the tooth heads 24 represent over the width of the tooth shanks 23 protruding tooth head portions which widen the stator tooth 22 at its end, and form the cylindrical contour of the inner recess. 4
  • the rotor 3 is provided with a rotor body 31 and with the rotor poles 32 forming permanent magnets 33.
  • the permanent magnets 33 are provided as surface-mounted magnets which have a contouring, for example a judge contour or the like, on their surfaces facing the stator teeth.
  • the rotor 3 may also be formed with buried permanent magnets.
  • the electric machine 1 has sixteen stator teeth 22 and ten rotor poles 32.
  • the sixteen stator teeth 22 include four stator teeth groups of adjacent main stator teeth 22a, each separated by one of the spacer stator teeth 22b.
  • the main stator teeth 22a of a stator tooth group G are each wound with a stator coil 26, which are assigned to a phase or a phase strand.
  • the stator coils 26 of one of the stator tooth groups G form a winding unit 28.
  • the stator coils 26 of a stator tooth group G are each assigned to different phases, so that stator coils 26 for three phases are arranged on the stator teeth 22a of a stator tooth group G in the exemplary embodiments shown.
  • the distance stator tooth 22b between two adjacent stator tooth groups G allows the immediately adjacent stator coils 26 of two adjacent stator tooth groups G not to be in the same stator slot 25, so that short circuits between the stator coils of different winding units can not occur.
  • FIG. 2 shows, in a detailed view of the electric machine 1, the dimensioning of the spacing stator tooth 22b, the main stator teeth 22a and the rotor poles 32 illustrates.
  • the main stator tooth width WMT ie the width of the main stator teeth 22a in the circumferential direction, is equal to or smaller than the distance stator tooth width WST, ie the width of the spacer stator teeth 22b in the circumferential direction (this is not drawn to scale in FIGS. 1-3):
  • stator teeth 22 are not uniformly spaced from each other with their center axis and form stator slots 25 therebetween.
  • main pitches OH between the center axes of the main stator teeth 22a are larger than the pitch pitches CIA between the center axis of a main stator tooth and the center axis of an adjacent spacer stator tooth 22b.
  • the main tooth distances OH angular distance
  • ⁇ ⁇ 360 (N (P + 1)) + ⁇
  • a A 360 (N (P + 1)) - ⁇ ( ⁇ -1) / 2 corresponds to a number N of separate winding units and P corresponds to the phase number of each of the winding units.
  • corresponds to a selectable difference distance which can be selected in the range up to 10% of 360 N.
  • the main electric stator angle CIMT i. the Wnkelbe- area is covered by one of the main stator teeth 22a, measured between the centers of the slot openings of the respective main stator tooth 22a defining stator slots 25, 120 ° electrical position angle
  • the electrical attitude angle is defined as 360 ° by the number of pole pairs of the rotor 3.
  • CIMT 2/3 cip
  • cip corresponds to the rotor pole angle, ie the angle range which covers a rotor pole.
  • the distance stator tooth angle CIST ie the angle range which is covered by one of the spacer stator teeth 22b, measured from the centers of the slot openings of the adjacent stator slots 25, should correspond to 90 ° electrical contact position, which corresponds to one half of a rotor pole angle cip:
  • QMT 360 ° / (O P), where P corresponds to the number of phases of the electric machine.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a control of the electric machine of Figure 1 is shown. It can be seen that the three phases of each of the winding units 28 are driven by a separate power module 5. In this case, the phase strands of each of the winding units 28 can be connected either in a star or a polygon circuit.
  • the winding units which are diametrically opposed to each other, are driven by three-phase drive currents, as shown, for example, in the diagram of FIG. 4, which are offset from one another by 90 ° from the drive currents of a drive for the other two weeding units 28, which are likewise opposite one another ,
  • FIG. 5 shows the normalized torque curve over a range of electrical position angles for the cases in which only the winding units W1 and W3 and only the reject units W2 and W4 are driven, and in the case where all four winding units are offset from each other by 90.degree Phase flow can be controlled. As a result, the torque ripple of the electric machine can be significantly reduced, for the present embodiment from 13.5% to 1, 9% of the average torque.

Abstract

The invention relates to a stator assembly (2) for an electrical machine, comprising: a cylindrical stator yoke (21), which has main stator teeth (22a) and spacing stator teeth (22b) protruding therefrom, a plurality of stator tooth groups (G) each having a plurality of adjacent main stator teeth (22a) being separated from each other by means of a spacing stator tooth (22b) in each case; a plurality of separate winding units (28), each of which has a number of phase conductors, each of which has one or more phase coils (26), each winding unit (28) being associated with one of the stator tooth groups (G) and being arranged thereon.

Description

Beschreibung  description
Titel title
Elektronisch kommutierte elektrische Maschine  Electronically commutated electrical machine
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft elektronisch kommutierte elektrische Maschinen, insbesondere elektrische Maschinen mit Maßnahmen für eine erhöhte Fehlertoleranz. The invention relates to electronically commutated electrical machines, in particular electrical machines with measures for increased fault tolerance.
Technischer Hintergrund Technical background
Elektronisch kommutierte elektrische Maschinen, insbesondere permanentmagneterregte elektrische Maschinen, können für eine erhöhte Robustheit gegen elektrische Fehler mit mehreren separaten Wicklungseinheiten ausgebildet sein. Die Wcklungseinheiten umfassen jeweils separate Phasenstränge mit jeweils einer oder mehreren Phasenspulen. Die separaten Wcklungseinheiten werden jeweils durch getrennte Leistungsmodule angesteuert, um eine hohe elektrische Isolation bereitzustellen und dadurch ein hohes Maß an Robustheit gegen Fehler zu erhalten. Dies gilt insbesondere für elektrische Maschinen, bei denen die Phasenstränge der einzelnen Wcklungseinheiten nicht verteilt, sondern segmentweise an einem Stator der elektrischen Maschine angeordnet sind. Electronically commutated electrical machines, in particular permanent magnet-excited electrical machines, can be designed for increased robustness against electrical faults with a plurality of separate winding units. The Wcklungseinheiten each comprise separate phase strands, each with one or more phase coils. The separate weighers are each driven by separate power modules to provide high electrical isolation, thereby providing a high degree of robustness against faults. This is especially true for electrical machines in which the phase strands of the individual Wcklungseinheiten not distributed, but are arranged in segments on a stator of the electric machine.
Durch die Anordnung an dem Stator sind die separaten mehrphasigen Wcklungseinheiten zwar elektrisch, nicht jedoch magnetisch und thermisch voneinander isoliert, wodurch sich die Fehlertoleranz der elektrischen Maschine auf Kurzschlussfehler innerhalb einer der Wcklungseinheiten beschränkt. Darüber hinaus kann ein unkontrollierbarer Kurzschlussstrom in einer der fehlerhaften Wcklungseinheiten einen magnetischen Fluss erzeugen, der sich in eine der benachbarten fehlerfreien Wicklungseinheiten einkoppelt und die Steuerung bzw. Regelung der Phasenströme in der fehlerfreien Wicklungseinheit erschwert. Dies kann potenziell den Betrieb der elektrischen Maschine gefährden. By virtue of the arrangement on the stator, the separate polyphase dicing units are electrically isolated, but not magnetically and thermally isolated from one another, whereby the fault tolerance of the electric machine is limited to short circuit faults within one of the dewatering units. In addition, an uncontrollable short-circuit current in one of the faulty reject units may generate a magnetic flux that is in one of the adjacent faultless ones Winding units coupled and the control or regulation of the phase currents in the error-free winding unit difficult. This can potentially endanger the operation of the electrical machine.
Weiterhin kann ein Kurzschlussstrom hohe ohmsche Verluste in der fehlerhaften Wicklungseinheit hervorrufen, wodurch die thermische Integrität der benachbarten fehlerfreien Wcklungseinheiten aufgrund fehlender thermischer Isolierungen zwischen den Wicklungseinheiten beeinträchtigt werden kann. Furthermore, a short-circuit current can cause high ohmic losses in the faulty winding unit, whereby the thermal integrity of the adjacent fault-free Wcklungseinheiten can be affected due to lack of thermal insulation between the winding units.
Aus dem Stand der Technik ist eine dreiphasige elektrische Maschine bekannt, die vier Wcklungseinheiten aufweisen, die jeweils einem Viertelsegment der Statoranordnung zugeordnet sind. Die elektrische Maschine weist zwölf Nuten und acht Rotorpole auf, so dass die jeweiligen Wcklungseinheiten jeweils mit drei Statorzähnen ausgebildet sind, so dass jede der Statorspulen einer Phase zugeordnet ist. Die vier einzelnen Wcklungseinheiten werden durch vier separate dreiphasige Leistungsmodule in Form von Dreiphasenwandlern mit elektrischer Energie versorgt, um die für die Fehlertoleranz notwendige elektrische Isolierung zwischen den Wicklungseinheiten zur Verfügung zu stellen. Jedoch sind bei dieser Maschinentopologie die vier Wicklungseinheiten nicht magnetisch und thermisch voneinander isoliert, und Phasenstränge benachbarter Wicklungseinheiten liegen in einer gemeinsamen Statornut, so dass ein Kurzschluss zwischen den Phasensträngen zweier Wcklungseinheiten zum Ausfall von zwei der Wcklungseinheiten führen kann. From the prior art, a three-phase electric machine is known, which have four Wcklungseinheiten, each associated with a quarter segment of the stator assembly. The electric machine has twelve slots and eight rotor poles, so that the respective weigher units are each formed with three stator teeth, so that each of the stator coils is assigned to a phase. The four individual units are powered by four separate three-phase power modules in the form of three-phase converters to provide the electrical insulation between the winding units necessary for fault tolerance. However, in this machine topology, the four winding units are not magnetically and thermally isolated from each other, and phase strands of adjacent winding units lie in a common stator slot so that a short circuit between the phase strings of two weeder units can result in the failure of two of the weighers.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine fehlertolerante, elektronisch kom- mutierte elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, bei der die Robustheit gegenüber Fehlern in einer der Wcklungseinheiten verbessert ist. It is an object of the present invention to provide a fault-tolerant, electronically commutated electrical machine in which the robustness against errors in one of the wetting units is improved.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch die Statoranordnung für eine elektrische Maschine nach Anspruch 1 sowie durch die elektrische Maschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. This object is achieved by the stator assembly for an electric machine according to claim 1 and by the electric machine according to the independent claim. Further embodiments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Statoranordnung für eine elektrische Maschine vorgesehen, umfassend: According to a first aspect, there is provided a stator assembly for an electric machine, comprising:
ein zylindrisches Statorjoch mit davon abstehenden Hauptstatorzähnen und Abstandsstatorzähnen, wobei mehrere Statorzahngruppen aus mehreren zueinander benachbarten Hauptstatorzähnen jeweils durch einen Abstands- statorzahn voneinander getrennt sind;  a cylindrical stator yoke having main stator teeth and spacer stator teeth projecting therefrom, wherein a plurality of stator teeth groups of a plurality of mutually adjacent main stator teeth are separated from each other by a spacer stator tooth;
mehrere separate Wicklungseinheiten mit jeweils einer Anzahl von Phasensträngen, die jeweils eine oder mehrere Phasenspulen aufweisen, wobei die Wicklungseinheiten jeweils einer der Statorzahngruppen der Statoranordnung zugeordnet und an dieser angeordnet sind.  a plurality of separate winding units each having a number of phase strands, each having one or more phase coils, wherein the winding units are each associated with one of the stator tooth groups of the stator assembly and arranged thereon.
Eine Idee der obigen Statoranordnung besteht darin, mehrere separate Wcklungs- einheiten mit jeweils einer Anzahl von Phasensträngen, die jeweils eine oder mehrere Phasenspulen aufweisen, jeweils segmentweise an Statorzahngruppen der Statoranordnung anzuordnen, so dass die separaten Wcklungseinheiten zueinander benachbart an der Statoranordnung vorgesehen sind. Die Wcklungseinheiten überlappen sich nicht, so dass Phasenspulen verschiedener Wcklungseinheiten nicht in einer gemeinsamen Statornut angeordnet sind. Daher ist bei einem elektrischen Kurzschluss in einer der Wcklungseinheiten die elektrische Integrität der anderen Wicklungseinheiten nicht beeinträchtigt. Zwischen den den einzelnen Wicklungseinheiten zugeordneten Statorzahngruppen ist ein Abstandsstatorzahn vorgesehen, der eine von den Statorzähnen der Statorzahngruppen abweichende Geometrie aufweist. Auf diese Weise kann eine verbesserte thermische und magnetische Entkopplung erreicht werden. An idea of the above stator arrangement is to arrange several separate Wecklungs- units each having a number of phase strands, each having one or more phase coils, in each case in segments of stator tooth groups of the stator assembly, so that the separate Wcklungseinheiten adjacent to each other are provided on the stator. The Wecklungseinheiten do not overlap, so that phase coils of different Wcklungseinheiten are not arranged in a common Statornut. Therefore, in the event of an electrical short in one of the weeding units, the electrical integrity of the other winding units is not impaired. Between the stator tooth groups associated with the individual winding units, a spacer stator tooth is provided, which has a geometry deviating from the stator teeth of the stator tooth groups. In this way, an improved thermal and magnetic decoupling can be achieved.
Weiterhin kann die Breite der Zahnschäfte der Abstandsstatorzähne gleich oder größer sein als die Breite der Hauptstatorzähne. Insbesondere können die Abstandsstatorzähne und die Hauptstatorzähne jeweils Zahnköpfe aufweisen, die bezüglich des Zahnschaftes in Umfangsrichtung verbreitert sind. Es kann vorgesehen sein, dass bei einer elektrischen Maschine mit einer Polpaarzahl O und einer Anzahl N von separaten Wicklungseinheiten ein Abstandsstator- zahnwinkel CIST, d.h. der Winkelbereich der durch einen der Abstandsstatorzähne überdeckt wird, 360°(1/N - 1/0) beträgt. Furthermore, the width of the tooth shanks of the spacer stator teeth may be equal to or greater than the width of the main stator teeth. In particular, the Abstandstatorzähne and the Hauptstatorzähne may each have tooth tips, which are widened with respect to the toothed shaft in the circumferential direction. It can be provided that in an electrical machine having a pole pair number O and a number N of separate winding units, a distance stator tooth angle CIST, ie the angular range covered by one of the spacer stator teeth, is 360 ° (1 / N-1/0) ,
Weiterhin kann bei einer elektrischen Maschine mit einer Polpaarzahl O, einer Phasenzahl P und einer Anzahl N von separaten Wcklungseinheiten ein Hauptstatorzahnwinkel CIMT, d.h. der Wnkelbereich der durch einen der Hauptstatorzähne überdeckt wird, 360° / (O P) betragen. Further, in an electric machine having a pole pair number O, a phase number P and a number N of separate weeding units, a main stator tooth angle CIMT, i. the range of angles covered by one of the main stator teeth is 360 ° / (O P).
Es kann vorgesehen sein, dass bei einer elektrischen Maschine mit einer Polpaarzahl von 5, vier separaten Wicklungseinheiten und einer Phasenzahl von 3 ein Abstandsstatorzahnwinkel CIST, d.h. der Wnkelbereich der durch einen der Abstandsstatorzähne überdeckt wird, 1/2 ap entspricht, wobei ap einem Polwinkel eines Läuferpols entspricht. It can be provided that in an electric machine with a pole pair number of 5, four separate winding units and a phase number of 3, a distance stator tooth angle CIST, i. the angular range covered by one of the spacer stator teeth corresponds to 1/2 ap, where ap corresponds to a pole angle of a rotor pole.
Gemäß einer Ausführungsform kann bei einer elektrischen Maschine mit einer Polpaarzahl von 5, vier separaten Wcklungseinheiten und einer Phasenzahl von 3 ein Hauptstatorzahnwinkel CIMT , d.h. der Wnkelbereich der durch einen der Hauptstatorzähne überdeckt wird, 2/3 ap entsprechen, wobei ap einem Polwinkel eines Läuferpols entspricht. According to one embodiment, in an electric machine having a pole pair number of 5, four separate weeding units and a number of phases of 3, a main stator tooth angle CIMT, i. the angular range covered by one of the main stator teeth corresponds to 2/3 ap, where ap corresponds to a pole angle of a rotor pole.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine mit der obigen Statoranordnung und einem Läufer mit Läuferpolen vorgesehen. According to a further aspect, an electric machine with the above stator arrangement and a rotor with rotor poles is provided.
Weiterhin kann die Polpaarzahl des Läufers fünf entsprechen. Furthermore, the pole pair number of the rotor can correspond to five.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit der obigen elektrischen Maschine und mit Leistungsmodulen vorgesehen, die jeweils zur Ansteuerung einer oder mehrerer der Wicklungseinheiten ausgebildet sind. According to a further aspect, a motor system with the above electrical machine and with power modules is provided which are each designed to drive one or more of the winding units.
Weiterhin können die Leistungsmodule ausgebildet oder ansteuerbar sein, um die Wicklungseinheiten mit einem Phasenversatz der Phasenströme anzusteuern. Kurzbeschreibung der Zeichnungen Furthermore, the power modules can be designed or controllable in order to drive the winding units with a phase offset of the phase currents. Brief description of the drawings
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Embodiments are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figur 1 eine Querschnittsdarstellung durch eine elektronisch kommu- tierte elektrische Maschine; FIG. 1 is a cross-sectional view through an electronically commutated electrical machine;
Figur 2 einen Ausschnitt durch die elektrische Maschine der Figur 1 zur Veranschaulichung der Dimensionierung der Statorzähne der Statoranordnung der elektrischen Maschine; FIG. 2 shows a section through the electric machine of FIG. 1 for illustrating the dimensioning of the stator teeth of the stator arrangement of the electric machine;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Ansteuerung der elektrischen Maschine mit separaten Leistungsmodulen; Figure 3 is a schematic representation of a control of the electric machine with separate power modules;
Figur 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Verläufe der Phasenströme einer der Wicklungseinheiten; und FIG. 4 shows a diagram for illustrating the profiles of the phase currents of one of the winding units; and
Figur 5 eine Darstellung des Momentenverlaufs über dem Drehwinkel. Figure 5 is a representation of the torque curve over the angle of rotation.
Beschreibung von Ausführungsformen Description of embodiments
In Figur 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine beispielhafte permanentmagneterregte elektrische Maschine 1 dargestellt. Die elektrische Maschine weist eine Statoranordnung 2 und einen Läufer 3 auf. Die Statoranordnung 2 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist eine ebenfalls zylindrische Innenausnehmung 4 auf, in der der Läufer 3 drehbeweglich angeordnet ist. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional representation through an exemplary permanent magnet-excited electric machine 1. The electric machine has a stator arrangement 2 and a rotor 3. The stator assembly 2 is formed substantially cylindrical and has a likewise cylindrical inner recess 4, in which the rotor 3 is arranged rotatably.
Die Statoranordnung 2 weist ein zylindrisches Statorjoch 21 auf, von dem gleichmäßig beabstandete Statorzähne 22 nach innen abstehen. Im vorliegenden Aus- führungsbeispiel sind 16 Statorzähne 22 vorgesehen. Die Statorzähne 22 umfassen Hauptstatorzähne 22a und Abstandsstatorzähne 22b. Jeder der Statorzähne 22a, 22b ist mit einem von dem Statorjoch 21 abstehenden Zahnschaft 23 vorgesehen, an dessen nach innen abstehenden Ende ein Zahnkopf 24 angeordnet ist. Die Zahnköpfe 24 stellen über die Breite der Zahnschäfte 23 überstehende Zahnkopfabschnitte dar, die den Statorzahn 22 an dessen Ende verbreitern, und bilden die zylindrische Kontur der Innenausnehmung 4. The stator assembly 2 has a cylindrical stator yoke 21 from which evenly spaced stator teeth 22 project inwardly. In the present Guidance example, 16 stator teeth 22 are provided. The stator teeth 22 include main stator teeth 22a and spacer stator teeth 22b. Each of the stator teeth 22a, 22b is provided with a toothed shaft 23 projecting from the stator yoke 21, at the inwardly projecting end thereof a tooth tip 24 is arranged. The tooth heads 24 represent over the width of the tooth shanks 23 protruding tooth head portions which widen the stator tooth 22 at its end, and form the cylindrical contour of the inner recess. 4
Der Läufer 3 ist mit einem Läuferkörper 31 und mit die Läuferpole 32 ausbildenden Permanentmagneten 33 vorgesehen. Die Permanentmagnete 33 sind als aufgesetzte Oberflächenmagnete vorgesehen, die an ihren den Statorzähnen zugewandten Flächen eine Konturierung, beispielsweise eine Richterkontur oder dergleichen aufweisen. In alternativen Ausführungsformen kann der Läufer 3 auch mit vergrabenen Permanentmagneten ausgebildet sein. The rotor 3 is provided with a rotor body 31 and with the rotor poles 32 forming permanent magnets 33. The permanent magnets 33 are provided as surface-mounted magnets which have a contouring, for example a judge contour or the like, on their surfaces facing the stator teeth. In alternative embodiments, the rotor 3 may also be formed with buried permanent magnets.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist die elektrische Maschine 1 sechzehn Statorzähne 22 und zehn Läuferpole 32 auf. Die sechzehn Statorzähne 22 umfassen vier Statorzahngruppen von benachbarten Hauptstatorzähnen 22a, die jeweils durch einen der Abstandsstatorzähne 22b voneinander getrennt sind. According to the embodiment, the electric machine 1 has sixteen stator teeth 22 and ten rotor poles 32. The sixteen stator teeth 22 include four stator teeth groups of adjacent main stator teeth 22a, each separated by one of the spacer stator teeth 22b.
Die Hauptstatorzähne 22a einer Statorzahngruppe G sind jeweils mit einer Statorspule 26 umwickelt, die einer Phase bzw. einem Phasenstrang zugeordnet sind. Die Statorspulen 26 einer der Statorzahngruppen G bilden eine Wicklungseinheit 28. Die Statorspulen 26 einer Statorzahngruppe G sind jeweils unterschiedlichen Phasen zugeordnet, so dass in den gezeigten Ausführungsbeispielen an den Statorzähnen 22a einer Statorzahngruppe G Statorspulen 26 für drei Phasen angeordnet sind. Der Abstandsstatorzahn 22b zwischen zwei benachbarten Statorzahngruppen G ermöglicht es, dass die einander unmittelbar benachbarten Statorspulen 26 von zwei benachbarten Statorzahngruppen G nicht in derselben Statornut 25 liegen, so dass Kurzschlüsse zwischen den Statorspulen von verschiedenen Wicklungseinheiten nicht auftreten können. The main stator teeth 22a of a stator tooth group G are each wound with a stator coil 26, which are assigned to a phase or a phase strand. The stator coils 26 of one of the stator tooth groups G form a winding unit 28. The stator coils 26 of a stator tooth group G are each assigned to different phases, so that stator coils 26 for three phases are arranged on the stator teeth 22a of a stator tooth group G in the exemplary embodiments shown. The distance stator tooth 22b between two adjacent stator tooth groups G allows the immediately adjacent stator coils 26 of two adjacent stator tooth groups G not to be in the same stator slot 25, so that short circuits between the stator coils of different winding units can not occur.
In Figur 2 ist in einer Detailansicht der elektrischen Maschine 1 die Dimensionierung des Abstandsstatorzahns 22b, der Hauptstatorzähne 22a und der Läuferpole 32 veranschaulicht. Die Hauptstatorzahnbreite WMT, d.h. die Breite der Hauptstatorzähne 22a in Umfangsrichtung, ist dabei gleich oder kleiner als die Abstands- statorzahnbreite WST, d.h. die Breite der Abstandsstatorzähne 22b in Umfangsrichtung (dies ist in Fig. 1 - 3 nicht maßstabgetreu eingezeichnet): FIG. 2 shows, in a detailed view of the electric machine 1, the dimensioning of the spacing stator tooth 22b, the main stator teeth 22a and the rotor poles 32 illustrates. The main stator tooth width WMT, ie the width of the main stator teeth 22a in the circumferential direction, is equal to or smaller than the distance stator tooth width WST, ie the width of the spacer stator teeth 22b in the circumferential direction (this is not drawn to scale in FIGS. 1-3):
WMT <= WST WMT <= WST
Dies ermöglicht es, beim Betrieb der elektrischen Maschine eine magnetische Sättigung in dem Abstandsstatorzahn 22b zu vermeiden. This makes it possible to avoid magnetic saturation in the distance stator tooth 22b during operation of the electric machine.
Die Statorzähne 22 sind mit ihrer Mittenachse nicht gleichmäßig voneinander beabstandet und bilden zwischen ihnen Statornuten 25 aus. The stator teeth 22 are not uniformly spaced from each other with their center axis and form stator slots 25 therebetween.
Insbesondere sind Hauptzahnabstände OH zwischen den Mittenachsen der Hauptstatorzähne 22a größer als die Abstandszahnabstände CIA zwischen der Mittenachse eines Hauptstatorzahns und der Mittenachse eines benachbarten Ab- standsstatorzahns 22b. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel betragen die Hauptzahnabstände OH (Winkelabstand) 24° und Abstandszahnabstände CIA 21 °. Allgemein gilt αΗ =360 (N (P+1)) +ΔΑ In particular, main pitches OH between the center axes of the main stator teeth 22a are larger than the pitch pitches CIA between the center axis of a main stator tooth and the center axis of an adjacent spacer stator tooth 22b. In the present embodiment, the main tooth distances OH (angular distance) are 24 ° and pitch distances CIA 21 °. In general, α Η = 360 (N (P + 1)) + ΔΑ
aA =360 (N (P+1)) - ΔΑ(Ρ-1)/2 einer Anzahl N von separaten Wicklungseinheiten und P der Phasenzahl jeder der Wicklungseinheiten entspricht. ΔΑ entspricht einem wählbaren Unterschiedsabstand der im Bereich bis 10 % von 360 N gewählt werden kann. a A = 360 (N (P + 1)) - ΔΑ (Ρ-1) / 2 corresponds to a number N of separate winding units and P corresponds to the phase number of each of the winding units. ΔΑ corresponds to a selectable difference distance which can be selected in the range up to 10% of 360 N.
Weiterhin beträgt der elektrische Hauptstatorzahnwinkel CIMT , d.h. der Wnkelbe- reich der durch einen der Hauptstatorzähne 22a überdeckt wird, gemessen zwischen den Mitten der Nutöffnungen der den betreffenden Hauptstatorzahn 22a begrenzenden Statornuten 25, 120° elektrischem Lagewinkel, wobei der elektrische Lagewinkel als 360° durch die Polpaarzahl des Läufers 3 definiert ist. Furthermore, the main electric stator angle CIMT, i. the Wnkelbe- area is covered by one of the main stator teeth 22a, measured between the centers of the slot openings of the respective main stator tooth 22a defining stator slots 25, 120 ° electrical position angle, the electrical attitude angle is defined as 360 ° by the number of pole pairs of the rotor 3.
Weiterhin soll gelten: CIMT = 2/3 cip, wobei cip dem Läuferpolwinkel, d.h. den Winkelbereich, der ein Läuferpol überdeckt, entspricht. Weiterhin soll der Abstandsstatorzahnwinkel CIST , d.h. der Winkelbereich der durch einen der Abstandsstatorzähne 22b überdeckt wird, gemessen von den Mitten der Nutöffnungen der benachbarten Statornuten 25 , 90° elektrischer Wnkellage entsprechen, was eine Hälfte der eines Läuferpolwinkels cip entspricht: Furthermore, the following applies: CIMT = 2/3 cip, where cip corresponds to the rotor pole angle, ie the angle range which covers a rotor pole. Furthermore, the distance stator tooth angle CIST, ie the angle range which is covered by one of the spacer stator teeth 22b, measured from the centers of the slot openings of the adjacent stator slots 25, should correspond to 90 ° electrical contact position, which corresponds to one half of a rotor pole angle cip:
Allgemein gilt für eine elektrische Maschine mit einer Polpaarzahl von O, einer Anzahl N von separaten Wicklungseinheiten für den Abstandsstatorzahnwinkel CIST aST = 360°(1/N - 1/0). Generally, for an electric machine having a pole pair number of O, a number N of separate winding units for the pitch stator tooth angle CIST a ST = 360 ° (1 / N - 1/0).
Entsprechend gilt für den mechanischen Hauptstatorzahnwinkel CIMT eines der Hauptstatorzähne 22a Accordingly, for the mechanical main stator tooth angle CIMT, one of the main stator teeth 22a
QMT = 360° / (O P), wobei P der Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine entspricht. QMT = 360 ° / (O P), where P corresponds to the number of phases of the electric machine.
In Figur 3 ist eine schematische Darstellung einer Ansteuerung der elektrischen Maschine der Figur 1 dargestellt. Man erkennt, dass die drei Phasen jeder der Wicklungseinheiten 28 durch ein separates Leistungsmodul 5 angesteuert werden. Dabei können die Phasenstränge jeder der Wicklungseinheiten 28 entweder in einer Stern- oder einer Polygonschaltung verschaltet werden. 3 shows a schematic representation of a control of the electric machine of Figure 1 is shown. It can be seen that the three phases of each of the winding units 28 are driven by a separate power module 5. In this case, the phase strands of each of the winding units 28 can be connected either in a star or a polygon circuit.
Die Wicklungseinheiten, die diametral einander gegenüberliegen, werden mit dreiphasigen Ansteuerströmen, wie sie beispielsweise in dem Diagramm der Figur 4 dargestellt sind, angesteuert, die zueinander um 90° von den Ansteuerströmen einer Ansteuerung der übrigen beiden Wcklungseinheiten 28, die ebenfalls einander gegenüberliegen, versetzt sind. Beispielsweise können für die Ansteuerung der Wcklungseinheiten W1 und W3 folgende Stromverläufe über dem elektrischen Lagewinkel Θ vorgesehen werden: iA = I sin(ö) iB = I sin(0 + 120°) The winding units, which are diametrically opposed to each other, are driven by three-phase drive currents, as shown, for example, in the diagram of FIG. 4, which are offset from one another by 90 ° from the drive currents of a drive for the other two weeding units 28, which are likewise opposite one another , For example, the following current profiles over the electrical position angle Θ can be provided for the control of the weeding units W1 and W3: i A = I sin (ö) i B = I sin (0 + 120 °)
ic = I sin(Ö - 120°) wobei die Stromverläufe der Wicklungseinheiten W2 und W4 wie folgt angesteuert werden. ίΑ = I sin(0 + 90°) i c = I sin (Ö - 120 °) wherein the current waveforms of the winding units W2 and W4 are controlled as follows. ί Α = I sin (0 + 90 °)
iB = I sin(0 - 150°) i B = I sin (0-150 °)
ic = I sin(0 - 30°) i c = I sin (0 - 30 °)
In Figur 5 ist der normalisierte Drehmomentenverlauf über einen Bereich von elektrischen Lagewinkeln dargestellt für die Fälle, dass nur die Wicklungseinheiten W1 und W3 und nur die Wcklungseinheiten W2 und W4 angesteuert werden, und für den Fall, dass alle vier Wicklungseinheiten mit der 90° zueinander versetzten Phasenströmung angesteuert werden. Dadurch kann das Drehmomentenrippel der elektrischen Maschine erheblich, für das vorliegende Ausführungsbeispiel von 13,5% auf 1 ,9% des durchschnittlichen Drehmoments, reduziert werden. FIG. 5 shows the normalized torque curve over a range of electrical position angles for the cases in which only the winding units W1 and W3 and only the reject units W2 and W4 are driven, and in the case where all four winding units are offset from each other by 90.degree Phase flow can be controlled. As a result, the torque ripple of the electric machine can be significantly reduced, for the present embodiment from 13.5% to 1, 9% of the average torque.

Claims

Ansprüche claims
1. Statoranordnung (2) für eine elektrische Maschine, umfassend: A stator assembly (2) for an electrical machine, comprising:
ein zylindrisches Statorjoch (21) mit davon abstehenden Hauptstatorzähnen (22a) und Abstandsstatorzähnen (22b), wobei mehrere Statorzahngruppen (G) aus mehreren benachbarten Hauptstatorzähnen (22a) jeweils durch einen Abstandsstatorzahn (22b) voneinander getrennt sind;  a cylindrical stator yoke (21) having main stator teeth (22a) and spacer stator teeth (22b) projecting therefrom, a plurality of stator tooth groups (G) being separated from a plurality of adjacent main stator teeth (22a) by a spacer stator tooth (22b), respectively;
mehrere separate Wicklungseinheiten (28) mit jeweils einer Anzahl von Phasensträngen, die jeweils eine oder mehrere Phasenspulen (26) aufweisen, wobei die Wicklungseinheiten (28) jeweils einer der Statorzahngruppen (G) zugeordnet und an dieser angeordnet sind.  a plurality of separate winding units (28), each having a number of phase strands, each having one or more phase coils (26), wherein the winding units (28) are each associated with one of the stator tooth groups (G) and arranged thereon.
2. Statoranordnung (2) nach Anspruch 1 , wobei die Breite von Zahnschäfte (23) der Abstandsstatorzähne (22b) gleich oder größer ist als die Breite von Zahnschäften (23) der Hauptstatorzähne (22a). The stator assembly (2) according to claim 1, wherein the width of tooth shanks (23) of the spacer stator teeth (22b) is equal to or greater than the width of tooth shanks (23) of the main stator teeth (22a).
3. Statoranordnung (2) nach Anspruch 2, wobei die Abstandsstatorzähne (22b) und die Hauptstatorzähne (22a) jeweils Zahnköpfe (24) aufweisen, die bezüglich der Zahnschäfte (23) in Umfangsnchtung verbreitert sind, wobei insbesondere der Zahnkopfüberstand in Umfangsnchtung bei den Hauptstatorzähnen (22a) größer ist als bei den Abstandsstatorzähnen (22b). The stator assembly (2) according to claim 2, wherein the spacer stator teeth (22b) and the main stator teeth (22a) each have teeth heads (24) which are widened circumferentially with respect to the tooth shanks (23), in particular the tooth head projection in circumferential direction at the main stator teeth (22a) is larger than the spacer stator teeth (22b).
4. Statoranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei einer Polpaarzahl O und einer Anzahl N von separaten Wcklungseinheiten ein Abstandsstatorzahn- winkel CIST, d.h. der Wnkelbereich der durch einen der Abstandsstatorzähne (22b) überdeckt wird, 360° (1/N - 1/0) beträgt. The stator assembly (2) according to any one of claims 1 to 3, wherein a pole pair number O and a number N of separate weeding units have a pitch stator tooth angle CIST, i. the angular range covered by one of the spacer stator teeth (22b) is 360 ° (1 / N - 1/0).
5. Statoranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei bei einer Polpaarzahl O, einer Phasenzahl P und einer Anzahl N von separaten Wcklungseinheiten (28) ein Hauptstatorzahnwinkel CIMT, d.h. der Winkelbereich der durch einen der Hauptstatorzähne (22b) überdeckt wird, 360° / (O * P) beträgt. 5. stator arrangement (2) according to one of claims 1 to 4, wherein at a pole pair number O, a phase number P and a number N of separate Wcklungseinheiten (28) A main stator tooth angle CIMT, that is, the angular range covered by one of the main stator teeth (22b) is 360 ° / (O * P).
6. Statoranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Hauptzahnab- stände QH zwischen den Mittenachsen der Hauptstatorzähne (22a) größer sind, als die Abstandszahnabstände CIA zwischen der Mittenachse eines Hauptstatorzahns (22a) und der Mittenachse eines benachbarten Abstandsstatorzahns (22b), und insbesondere die Hauptzahnabstände QH (Winkelabstand) 24° und die Abstandszahnabstände (Wnkelabstand) CIA 210 betragen. The stator assembly (2) according to any one of claims 1 to 5, wherein the main teeth pitches QH between the center axes of the main stator teeth (22a) are larger than the pitch pitches CIA between the center axis of a main stator tooth (22a) and the center axis of an adjacent spacer stator tooth (22). 22b), and in particular the main pitches QH (angular distance) 24 ° and the pitch spacing (Wnkelabstand) CIA 21 0 .
7. Elektrische Maschine (1) mit einer Statoranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und einem Läufer (3) mit Läuferpolen. 7. Electrical machine (1) with a stator assembly (2) according to one of claims 1 to 6 and a rotor (3) with rotor poles.
8. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 7, wobei bei einer Polpaarzahl von 5, vier separaten Wcklungseinheiten (28) und einer Phasenzahl von 3 ein Abstands- statorzahnwinkel CIST, d.h. der Winkelbereich der durch einen der Abstands- statorzähne (22b) überdeckt wird, 1/2 ap entspricht, wobei ap einem Polwinkel eines Läuferpols entspricht. 8. An electric machine (1) according to claim 7, wherein at a pole pair number of 5, four separate weeding units (28) and a phase number of 3, a pitch stator tooth angle CIST, i. the angle range covered by one of the spacer stator teeth (22b) corresponds to 1/2 ap, where ap corresponds to a pole angle of a rotor pole.
9. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei bei einer Polpaarzahl von 5, vier separaten Wcklungseinheiten und einer Phasenzahl von 3 ein Hauptstatorzahnwinkel CIMT , d.h. der Wnkelbereich der durch einen der Hauptstatorzähne überdeckt wird, 2/3 ap entspricht, wobei ap einem Polwinkel eines Läuferpols entspricht. An electric machine (1) according to any one of claims 7 to 8, wherein at a pole pair number of 5, four separate weeding units and a phase number of 3, a main stator tooth angle CIMT, i. the range of angles covered by one of the main stator teeth corresponds to 2/3 ap, where ap corresponds to a pole angle of a rotor pole.
10. Motorsystem mit einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9 und mit Leistungsmodulen (5), die jeweils zur Ansteuerung einer oder mehrerer der Wicklungseinheiten (28) ausgebildet sind. 10. Motor system with an electric machine according to one of claims 7 to 9 and with power modules (5) which are each designed to control one or more of the winding units (28).
1 1. Motorsystem nach Anspruch 10, wobei die Leistungsmodule (5) ausgebildet sind oder ansteuerbar sind, um die Wcklungseinheiten (28) mit einem Phasenversatz der Phasenströme anzusteuern. 1 1. An engine system according to claim 10, wherein the power modules (5) are formed or are controllable to drive the Wecklungseinheiten (28) with a phase offset of the phase currents.
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