WO2022084029A1 - Windungsschlusssichere elektrische maschine - Google Patents

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WO2022084029A1
WO2022084029A1 PCT/EP2021/077448 EP2021077448W WO2022084029A1 WO 2022084029 A1 WO2022084029 A1 WO 2022084029A1 EP 2021077448 W EP2021077448 W EP 2021077448W WO 2022084029 A1 WO2022084029 A1 WO 2022084029A1
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yoke
stator
rotor
electrical machine
circumferential direction
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PCT/EP2021/077448
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French (fr)
Inventor
Johannes Gabriel BAUER
Andreas REEH
Original Assignee
Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg
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    • H02K2213/06—Machines characterised by the presence of fail safe, back up, redundant or other similar emergency arrangements

Definitions

  • the invention relates to an interturn-proof electrical machine comprising a rotor with one or more permanent magnets and a stator, the stator comprising a large number of stator poles arranged around the rotor, a large number of slots which line the stator poles in a circumferential direction spaced apart, in each slot a yoke is arranged which forms a bridge-like connection between the stator poles in the circumferential direction.
  • Synchronous machines with permanently excited magnets are particularly advantageous here, as they offer high power and torque density and efficiency.
  • the permanent excitation also permanently induces voltages in the stator windings, which consist of several turns.
  • a continuous short circuit can occur, which is referred to as an interturn fault.
  • Due to the permanent excitation of the magnets a voltage is permanently induced in the defective component in the event of a short circuit, which causes very high short-circuit currents.
  • the object of the invention is to provide an electrical machine that can continue to be operated safely and with as little loss of power as possible even in the event of a shorted turn.
  • an electrical machine of the type mentioned is created, with at least one yoke winding being arranged on each yoke, which forms an electrical coil, with a coil axis direction corresponding to the circumferential direction, and with two adjacent yoke windings each enclosing a stator pole.
  • the invention is based on the finding that the arrangement of the stator coils on the yoke can provide an alternative path for the flux linkage in the event of a short circuit in one of the coils, which means that high short-circuit currents in the defective winding can be avoided. As a result, an immediate stop is no longer necessary, but the machine can continue to turn safely. In the event of a shorted turn, the magnetic flux is diverted tangentially through the yoke.
  • the coil affected by the interturn short is always excited by the rotor with the permanent magnet, as a result of which it forms its own magnetic flux as a result of the magnetic field caused by the induction current.
  • This counteracts the magnetic flux of the rotor and causes the resulting total flux, ie the flux linkage in the area of the defective coil, to change.
  • the resulting flux from affected turns is displaced and flux linkage is minimized.
  • This change in flux linkage depends on the coil arrangement relative to the rotor and on the stator geometry and the stator material.
  • the arrangement of the coils/windings on the yoke according to the invention forms two parallel flux paths.
  • the magnetic flux in the event of an interturn short is not conducted through areas of reduced permeability, but can flow along the stator pole and form exactly parallel to a magnetic flux through the remaining "healthy" coil.
  • the fact that the stator is provided with the yoke makes it possible for the entire magnetic flux to be able to form through the remaining coil and the highly permeable yoke. This is favored by the fact that the yoke, like the stator poles, consists of a material with high permeability. If the magnetic flux develops favorably through the remaining yoke, the voltage induced on the defective coil and, as a result, the power loss decreases. In the prior art, this power loss must be permanently dissipated and further damage to the coil is likely.
  • each stator pole is surrounded by two yoke windings.
  • An original pole coil is therefore divided into two yoke windings.
  • each of the two yoke windings that enclose a stator pole are electrically connected in series.
  • the two yoke windings can be operated with a single inverter. In normal operation there is no circulating flux, which in turn reduces the magnetic utilization of the material. In the case of a shorted turn, it depends on the specific machine whether the high and low sides of the bridge circuits are switched off or whether an external bypass circuit is formed.
  • the rotor is a double rotor and comprises two concentrically arranged rotor elements with permanent magnets. In particular, the two rotor elements surround the stator radially.
  • a disadvantage of the arrangement of the windings on yokes and the complete absence of pole windings is that the flux linkage is reduced, if necessary. is halved .
  • a single stator coil per stator pole is sufficient for a single rotor
  • two yoke coils of the same dimensions as the stator coil are necessary according to the invention for a single rotor in order to achieve the same flux linkage.
  • the flux linkage of the two yoke coils is the same as in the case of a coil around a stator pole, with the advantageous safety effect described above being retained.
  • a single rotor pole covers only a single stator pole, increasing torque density.
  • Yoke windings that enclose a stator pole in the circumferential direction spaced apart by a width of the stator pole.
  • the slots used for the outgoing and return conductors of a coil are each offset by one slot in the circumferential direction. This allows the north and south poles of the permanent magnets of the rotor, especially if the rotor is a double rotor, to be arranged in a staggered manner, which means that the yoke only has to have a minimum cross-section that is sufficient for the magnetic flux in the event of a shorted turn. Furthermore, it is favored that the magnetic flux forms through the yoke windings through areas of high permeability, namely through the stator pole.
  • a depth of a cross section of the yoke in the radial direction is at least 0.5 times greater than a width of a stator pole in the circumferential direction.
  • the depth of the cross section of the yoke in the radial direction corresponds to the width of a stator pole in the circumferential direction.
  • the yoke absorbs the entire changed magnetic flux. To do this, it must be sufficiently dimensioned. The yoke must therefore have a correspondingly large cross section in order to provide high magnetic conductivity. The higher the magnetic conductivity, the lower the short-circuit current in the defective coil. A "thick" yoke leads to high weight but low short-circuit current. From a weight perspective, a yoke that is as "thin” as possible is therefore preferred, with the question being which short-circuit current is just considered acceptable, i.e. causing no further damage.
  • the invention is based on the further finding that with a yoke depth in the radial direction that is half the width of the stator pole in the circumferential direction corresponds , there is a short - circuit current that is still acceptable and the motor does not become too heavy . If the depth of the yoke corresponds to the stator pole width, the short-circuit current is no longer present.
  • the selection of the depth of the yoke in the circumferential direction is therefore an important criterion when dimensioning the electrical machine and when considering the fail-safe principle.
  • the principle can also be applied to axial flux machines, then the depth of the yoke in the axial direction would be too relevant.
  • the electrical machine comprises 10 rotor poles and 12 stator poles.
  • the yoke also helps here with the mechanical stabilization of the stator.
  • the double rotor concept with the yoke windings can also be used to advantage in motors in which the rotor pole pitch is very close to the stator pole pitch.
  • the electrical machine includes two electrically separate two-phase winding arrangements of the yoke windings.
  • Each winding arrangement generates a magnetic force in the circumferential direction, with the forces generated by the two half-systems canceling each other out in normal operation and there is therefore no resulting magnetic flux in the circumferential direction. This allows a high power factor to be achieved, i . H . the active power of the electrical machine can be increased.
  • Figures 1a and 1b show an electrical machine from the prior art
  • FIGS. 2a and 2b show an electrical machine from the prior art with a double rotor arrangement
  • FIGS. 3a and 3b show an electrical machine with a winding arrangement according to the invention
  • FIGS. 4a and 4b show an electrical machine with a winding arrangement according to the invention with a double rotor arrangement
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a magnetic flux in an electrical machine with a stator/rotor pole ratio of 10/12;
  • Figures 6a-c schematic representations of a magnetic flux in a two-phase electrical machine according to the invention.
  • FIG. la shows an electrical machine 1 from the prior art.
  • the electrical machine 1 includes a rotor 2 which includes a first permanent magnet 3 .
  • the electrical machine 1 includes a stator 4 .
  • the stator 4 is in the form of a stator ring and includes a plurality of stator poles 5 .
  • the stator poles 5 are designed as radially protruding elements of the stator rim and are held by the stator rim.
  • Arranged between the stator poles 5 are slots 5 a which space the stator poles 5 apart from one another in the circumferential direction.
  • the stator poles 5 are connected to one another via bridge-like connections 6 which are arranged in the slots 5a.
  • the bridge-like connections 6 of the stator ring form yokes 7 .
  • Stator pole windings 8 are provided on the stator poles 5 , the stator pole windings 8 forming pole coils whose longitudinal axis points to a pivot point of the rotor 2 .
  • a magnetic flux 9 is formed symmetrically on both sides through the exemplary stator pole winding 8 .
  • FIG. 1b shows a state of the machine from FIG.
  • the magnetic flux 9 is impaired by the interturn short circuit.
  • the permanent excitation of the permanent magnet 3 of the rotor 2 means that voltages and thus currents are continuously induced in the defective stator pole winding 8 . This leads to overheating of the pole coil, which can lead to the electrical machine 1 burning up.
  • the short-circuit currents cause an opposing magnetic field (not shown), which deflects the magnetic flux 9 from FIG. 1a and leads to its formation according to FIG. 1b.
  • the changed magnetic flux 9 in FIG. 1b now no longer runs through the stator pole 5 but through an air gap 10 between the stator rim and the rotor 2 . In contrast to the stator pole 5, however, this is an area of reduced permeability. This leads to significant short-circuit currents.
  • FIG. 2a shows an electrical machine 1 from the prior art with a double rotor arrangement.
  • the rotor 2 comprises a first, inner rotor element 11 and a second, outer rotor element 12 .
  • the first and second rotor elements 11 , 12 are arranged concentrically and surround the stator 4 .
  • the rotor elements 11 , 12 carry permanent magnets 3 .
  • the stator poles 5 of the stator 4 are arranged so as to protrude inwards and outwards in the radial direction and each carry stator pole windings 8 .
  • FIG. 2b shows the electrical machine 1 from FIG. 2a, a shorted turn occurring in the internal stator coil 8 .
  • the magnetic flux 9 is deflected and now in turn penetrates areas of reduced permeability, namely the air gap 10 , which leads to high short-circuit currents.
  • FIG 3a shows an electrical machine 1 according to the invention.
  • the stator pole 5 does not carry any stator pole windings 8 .
  • Yoke windings 13 are arranged on each of the yokes 7 .
  • the yoke windings 13 form electrical coils, yoke coils, from.
  • the coil axis directions of the yoke coils roughly correspond to the circumferential direction of the stator 5 .
  • Two yoke coils are arranged on each yoke, one stator pole 5 being surrounded by two yoke coils.
  • the yoke coils are arranged in the slots 5a and are offset toward a respective stator pole 5 .
  • the yoke windings are each spaced apart from one another in the circumferential direction by at least the width of the stator pole 5 . Yoke coils of the two adjacent teeth must be accommodated per slot. Therefore the coil 13 is not drawn in the middle of the slot.
  • the magnetic flux 9 is formed analogously to the magnetic flux 9 in the machine from FIG.
  • the yoke 7 is dimensioned in the radial direction in such a way that its cross-section has an additional depth (ie a radial extension) which is at least half the width of a stator pole 5 in the circumferential direction. This ensures that the yoke 7 is sufficiently dimensioned to absorb the magnetic flux and has a sufficiently low magnetic resistance.
  • the dimensioning of the yoke 7 influences the size of the short-circuit current in the defective yoke coil . Especially when the depth of the cross section of the
  • yoke 7 corresponds to the width of the stator pole, no short-circuit current can be detected in the defective coil.
  • FIG. 3b shows the electrical machine from FIG. 3a, a short circuit occurring in one of the yoke coils 13.
  • the magnetic flux 9 is deflected by the opposing magnetic field generated in the yoke coil.
  • the changed magnetic flux does not run through areas of reduced permeability (namely the air gap 10), but rather parallel to the magnetic flux through the opposite, intact yoke coil 13.
  • the changed magnetic flux continues to run through the stator pole 5 and not through the air gap 10 through areas of high permeability. This reduces performance losses.
  • the yoke coils are electrically connected in series to avoid circulating flux during normal operation.
  • Figure 4a shows the electrical machine 1 from Figure 3a and b, with a double rotor. In a normal operating state, the magnetic flux develops analogously to the magnetic flux in the electrical machine from FIG. 2a.
  • FIG. 4b shows the electrical machine 1 from FIG. 4a, a short circuit occurring in one of the yoke coils 13.
  • FIG. 5 shows an electrical machine according to the invention, the electrical machine 1 comprising a double rotor with 10 rotor poles and 12 stator poles 5 .
  • the upper drawing of FIG. 5 shows a normal operating state and the formation of the magnetic flux here.
  • the lower drawing of FIG. 5 shows a normal operating state and the formation of the magnetic flux here.
  • the yoke 7 contributes to the structural stability of the stator 4 and enables the individual yoke coils to be separated in the single-layer winding scheme.
  • the concept can also be realized as a two-layer winding scheme.
  • Another variant is the use of yoke coils on a multi-lane machine.
  • FIGS. 6a-c show an electrical machine as described for FIG. 5, but with two separate two-phase winding systems 16. Each two-phase system 16 generates a rotating magnetic force. However, the magnetic forces counteract each other and ensure that no circulating magnetic flux is created during symmetrical operation (i.e. operation with two intact yoke coils). This leads to a high power factor.
  • FIG. 6b shows the operation of the electrical machine 1 from FIG. 6a, with an interturn short circuit. As discussed in connection with FIG. 3, the leakage current is limited.
  • Figure 6c shows the failure mode with a clamp circuit in the first winding system and an open circuit in the second winding system. This case corresponds to a DC link short circuit in a winding system. Due to the asymmetric operation (ie operation with only one intact yoke coil), a circulating flux is created which drives the short-circuit currents well below the value expected from the power factor under symmetric conditions. This allows for high power factor designs during normal operation and small short circuit currents due to the inductance increase when a yoke coil fails.

Abstract

Vorgeschlagen wird eine windungsschlusssichere elektrische Maschine, umfassend einen Rotor mit einem oder mehreren Permanentmagneten und einen Stator, der Stator umfassend eine Vielzahl von Statorpolen, die konzentrisch um den Rotor herum angeordnet sind, eine Vielzahl von Nuten, welche die Statorpole in einer Umfangsrichtung voneinander beabstanden, wobei in jeder Nut ein Joch angeordnet ist welches in Umfangsrichtung eine brückenartige Verbindung zwischen den Statorpolen bildet, wobei auf jedem Joch mindestens eine Jochwicklung angeordnet ist, die eine elektrische Spule bildet, wobei eine Spulenachsenrichtung der Umfangsrichtung entspricht, und wobei jeweils zwei benachbarte Jochwicklungen einen Statorpol umschließen.

Description

Windungsschlusssichere elektrische Maschine
Gebiet
Die Erfindung betri f ft eine windungsschlusssichere elektrische Maschine umfassend einen Rotor mit einem oder mehreren Permanentmagneten und einen Stator, der Stator umfassend eine Viel zahl von Statorpolen, die um den Rotor herum angeordnet sind, eine Viel zahl von Nuten, welche die Statorpole in einer Umfangsrichtung voneinander beabstanden, wobei in j eder Nut ein Joch angeordnet ist welches in Umfangsrichtung eine brückenartige Verbindung zwischen den Statorpolen bildet .
Hintergrund
Elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren, werden in zunehmendem Maße auch in Flugzeugen oder Automotive- Anwendungen eingesetzt . Besonders Synchronmaschinen mit permanent erregten Magneten sind hierbei von Vorteil , da sie eine hohe Leistungs- , Drehmomentdichte und Ef fi zienz bieten . Sie haben aber den Nachteil , dass durch die permanente Erregung auch permanent Spannungen in den Statorwicklungen, bestehend aus mehreren Windungen, induziert werden . Dies hat zur Folge , dass im Falle eines Versagens der I solationsschicht zwischen den Windungen ein fortwährender Kurzschluss entstehen kann, der als Windungsschluss bezeichnet wird . Wegen der permanenten Erregung der Magneten wird im Falle eines Windungsschlusses auch permanent eine Spannung in dem defekten Bauteil induziert , die sehr hohe Kurzschlussströme hervorruft . Diese Kurzschlussströme , welche ein Viel faches eines Kurzschlussstromes an der Klemme der Wicklung betragen können, führen dazu, dass sich lokal große Hitze entwickeln kann und die Gefahr besteht , dass das defekte Bauteil und umliegende Bauteile zu brennen beginnen . Der Einsatz von Permanentmagneten ist daher aufgrund der hohen Leistungsdichte vorteilhaft , birgt aber Sicherheitsrisiken . Hinzu tritt , dass beispielsweise in einem Flugzeug, die elektrische Maschine nicht sofort angehalten werden kann, wenn ein Windungsschluss auftritt und in dem schadhaften Bauteil fortdauernd schädigende Ströme hervorgerufen werden .
Bekannte Lösungen hierfür sind der Einbau von Kupplungen oder Freiläufen, die ein Abstellen des Motors erlauben, wobei sich abtriebsseitige Bauelemente , wie beispielsweise Propeller weiterdrehen können . Diese Ansätze haben den Nachteil , dass Kupplungen oder Freiläufe ein hohes Gewicht aufweisen . Zudem ist auch bei einem Abschalten der elektrischen Maschine mit einem Nachlaufen zu rechnen, welches ausreichend sein kann, um Folgeschäden auftreten zu lassen .
Weiterhin ist bekannt , zur Vermeidung von Windungsschlüssen die I solation zwischen den Windungen zu verstärken . Dies hat aber eine verschlechterte Leistungsausbeute und Kühlung zur Folge .
In der Druckschri ft " Inter-Turn Fault Tolerant Control System in Brushless DC Motor By using Yoke Winding" , Seung-Tae Lee et al . , vorgestellt 2014 auf der 17th International Conference on Electrical Machines and Systems ( ICEMS ) , Oct . 22-25 , Hangzhou, China, wird vorgeschlagen, in einem permanent erregten Elektromotor zusätzlich zu den Wicklungen um die Statorpole Jochwicklungen vorzusehen . Diese hat aber zur Folge , wenn ein Windungsschluss in einer Statorpolwicklung auftritt , dass die kurzgeschlossene Wicklung auch nach dem Abschalten des Wicklungssystems vom Rotor durchflutet wird . Die dabei freigesetzte lokal extrem hohe Verlustleistung muss dauerhaft abgeführt werden . Mit weiterem Abbrand der Windung ist daher zu rechnen . Die in dem Dokument vorgeschlagene Maßnahme dient dazu, am benachbarten Statorpol weiterhin 50% Drehmoment erzeugen . Daher ist die vorgeschlagene Anordnung zwar dazu geeignet einen Abfall der Gesamtleistung zu reduzierten, nicht aber dazu, die elektrische Maschine sicher weiter zu betreiben .
Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe eine elektrische Maschine bereitzustellen, die auch im Falle eines Windungsschlusses sicher und mit möglichst wenig Leistungsverlust weiter betrieben werden kann .
Kurzbeschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen .
Gemäß der Erfindung ist eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art geschaf fen, wobei auf j edem Joch mindestens eine Jochwicklung angeordnet ist , die eine elektrische Spule bildet wobei eine Spulenachsenrichtung der Umfangsrichtung entspricht , und wobei j eweils zwei benachbarte Jochwicklungen einen Statorpol umschließen .
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis , dass durch die Anordnung der Statorspulen auf dem Joch, im Falle eines Windungsschlusses in einer der Spulen ein alternativer Pfad für die Flussverkettung bereitgestellt werden kann, der dazu führt , dass hohe Kurzschlussströme in der schadhaften Wicklung vermieden werden können . In Folge dessen ist auch ein sofortiges Anhalten nicht mehr erforderlich, sondern die Maschine kann sicher weiterdrehen . Im Falle eines Windungsschlusses wird der magnetische Fluss tangential durch das Joch hindurch abgeleitet .
Die von dem Windungsschluss betrof fene Spule wird beim Betrieb der elektrischen Maschine von dem Rotor mit dem Permanentmagneten stets miterregt , wodurch sie infolge des durch den Induktionsstrom hervorgerufenen magnetischen Feldes einen eigenen magnetischen Fluss ausbildet . Dieser wirkt dem magnetischen Fluss des Rotors entgegen und bewirkt , dass sich der resultierende Gesamtfluss , also die Flussverkettung im Bereich der defekten Spule ändert . In Folge dessen wird der resultierende Fluss aus betrof fenen Windungen verdrängt und die Flussverkettung minimiert . Diese Änderung der Flussverkettung ist abhängig von der Spulenanordnung relativ zum Rotor und von der Statorgeometrie und dem Statormaterial .
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Spulen/Wicklungen auf dem Joch sind zwei parallel verlaufende Flusspfade gebildet . Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo die Wicklungen auf dem Statorpolen angeordnet sind und somit eine Wicklungslängsachse normal zur Umfangsrichtung angeordnet ist , wird bei der vorliegenden Erfindung der magnetische Fluss im Falle eines Windungsschlusses nicht durch Bereiche verminderter Permeabilität geleitet , sondern kann sich entlang des Statorpols und genau parallel zu einem magnetischen Fluss durch die verbliebene „gesunde" Spule ausbilden .
Wenn sich nämlich die Flussverkettung dergestalt ändert , dass Bereiche niedriger Permeabilität ( z . B . der Luftspalt ) vom Fluss/magnetischen Feld durchsetzt werden, führt dies zu sehr hohen Kurzschlussströmen in der kurzgeschlossenen Windung . Dadurch entstehen hohe Temperaturen und ein sofortiges Anhalten ist erforderlich . Gemäß der Erfindung wird durch das magnetische Gegenfeld derj enigen
Wicklung, in der der Windungsschluss auftritt , also der Fehlstelle , der magnetische Fluss um die Kurzschlussstelle herumgeführt . Dadurch, dass der Stator mit dem Joch versehen ist , wird ermöglicht , dass sich der gesamte magnetische Fluss durch die verbleibende Spule hindurch und das hochpermeable Joch ausbilden kann . Dies wird dadurch begünstigt , dass das Joch, wie auch die Statorpole aus einem Material hoher Permeabilität besteht . Bildet sich der magneti sche Fluss begünstigt durch das verbleibende Joch aus , verringert sich im Gegenzug dazu die an der schadhaften Spule induzierte Spannung und infolge dessen die Verlustleistung . Im Stand der Techni k muss diese Verlustleistung dauerhaft abgeführt werden und weiterer Schaden an der Spule ist wahrscheinlich .
In einer Weiterbildung der Erfindung sind auf j edem Joch zwei Jochwicklungen angeordnet , wobei ein Statorpol j eweils von zwei Jochwicklungen umschlossen ist . Eine ursprüngliche Polspule ist demnach in zwei Jochwicklungen auf geteilt .
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die j eweils zwei Jochwicklungen, die einen Statorpol umschließen, elektrisch in Reihe geschaltet .
In dieser Aus führungs form können die beiden Jochwicklungen ( Spulen) mit einem einzelnen Inverter betrieben werden . Es tritt im Normalbetrieb kein umlaufender Fluss auf , der wiederum die magnetische Ausnutzung des Materials reduziert . Im Fall eines Windungsschlusses hängt es von der konkreten Maschine ab, ob die High- und Low-Seiten der Brückenschaltungen abgeschaltet werden oder ob ein externer Überbrückungskreis gebildet wird . In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Rotor ein Doppelrotor und umfasst zwei konzentrisch angeordnete Rotorelemente mit Permanentmagneten . Insbesondere umgeben die beiden Rotorelemente den Stator radial .
Ein Nachteil der Anordnung der Wicklungen auf Jochen und dem vollständigen Verzicht auf Polwicklungen ist es , dass die Flussverkettung reduziert , ggf . halbiert wird . Während im Stand der Technik bei einem Einzelrotor eine einzelne Statorspule pro Statorpol ausreichend ist , sind gemäß der Erfindung bei einem Einzelrotor zwei Jochspulen derselben Dimensionierung wie die Statorspule notwendig, um dieselbe Flussverkettung zu erreichen . Bei der vorliegenden Ausgestaltung der Erfindung mit einem Doppelrotor ist die Flussverkettung der beiden Jochspulen dieselbe wie bei einer Spule um einen Statorpol , wobei der oben beschriebene vorteilhafte Sicherheitsef fekt erhalten bleibt . Zudem deckt ein einzelner Rotorpol nur einen einzelnen Statorpol ab, wodurch die Drehmomentdichte erhöht wird .
Insbesondere in einer Doppelrotoranordnung mit versetzten Statorpolen kann mittels um das Joch gewickelten Suchspulen eine einfache Detektionsmöglichkeit von Kurzschlüssen geschaf fen werden . Im Normalbetrieb ist kein Fluss im Joch vorhanden . Im Fehlerfall kommt es zur Asymmetrie und damit zu einem umlaufenden Magnetfluss . Dieser Fluss kann mit einer einzigen Sensorspule/Suchspule (welche in einer beliebigen Position um das Joch gewickelt ist ) detektiert werden . Das Signal kann genutzt werden, um Maßnahmen zur Mitigation ( z . B . Abschalten des Inverters ) verzögerungs frei aus zulösen .
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die j eweils zwei
Jochwicklungen die einen Statorpol umschließen in Umfangsrichtung durch eine Breite des Statorpols voneinander beabstandet . Die für Hin- und Rückleiter einer Spule genutzten Nuten sind in Umfangsrichtung um j eweils eine Nut versetzt . Dadurch können die Nord- und Südpole der Permanentmagneten des Rotors , insbesondere dann, wenn der Rotor ein Doppelrotor ist , versetzt angeordnet werden, wodurch das Joch nur einen minimalen Querschnitt aufweisen muss , der für den magnetischen Fluss im Fall eines Windungsschlusses ausreichend ist . Ferner wird begünstigt , dass sich der magnetische Fluss durch die Jochwicklungen durch Bereiche hoher Permeabilität ausbildet , nämlich durch den Statorpol hindurch .
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Tiefe eines Querschnittes des Jochs in radialer Richtung mindestens 0 , 5-mal so groß ist wie eine Breite eines Statorpols in der Umfangsrichtung . Insbesondere entspricht die Tiefe des Querschnittes des Jochs in radialer Richtung der Breite eines Statorpols in der Umfangsrichtung .
Das Joch nimmt im Fall des Aus falls einer der Spulen den gesamten veränderten magnetischen Fluss auf . Dazu muss es ausreichend dimensioniert sein . Das Joch muss daher einen entsprechend großen Querschnitt besitzen, um eine hohe magnetische Leitfähigkeit bereitzustellen . Je höher die magnetische Leitfähigkeit , desto geringer ist der Kurzschlussstrom in der schadhaften Spule . Daher Ein „dickes" Joch führt zu hohem Gewicht aber geringem Kurzschlussstrom . Unter Gewichtsaspekten ist daher ein möglichst „dünnes" Joch bevorzugt , wobei die Frage ist , welcher Kurzschlussstrom gerade noch als akzeptabel erachtet wird, also keinen weiteren Schaden verursacht . Die Erfindung beruht auf der weiteren Erkenntnis , dass bei einer Jochtiefe in radialer Richtung, die der Häl fte der Breite des Statorpols in Umfangsrichtung entspricht , ein Kurzschlussstrom herrscht , der noch akzeptabel ist und der Motor dabei nicht zu schwer wird . Entspricht die Tiefe des Jochs der Statorpolbreite , ist der Kurzschlussstrom nicht mehr vorhanden . Die Wahl der Tiefe des Jochs in Umfangsrichtung ist daher ein wichtiges Kriterium bei der Dimensionierung der elektrischen Maschine und bei der Berücksichtigung des Fail-safe Prinzips . Das Prinzip ist auch auf Axial flussmaschinen anwendbar, dann wäre die Tiefe des Jochs in axialer Richtung zu relevant .
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die elektrische Maschine 10 Rotorpole und 12 Statorpole . Dadurch sind hohe Drehmomentdichten möglich . Das Joch hil ft hier auch bei der mechanischen Stabilisierung des Stators . Das Doppelrotorkonzept mit den Jochwicklungen kann mit Vorteil auch in Motoren angewendet werden, in denen die Rotorpolteilung sehr nahe an der Statorpolteilung liegt .
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die elektrische Maschine zwei elektrisch getrennte zweiphasige Wicklungsanordnungen der Jochwicklungen . Jede Wicklungsanordnung erzeugt eine magnetische Kraft in Umfangsrichtung, wobei sich im Normalbetrieb die von den beiden Halbsystemen erzeugten Kräfte gegenseitig aufheben und es somit in Umfangsrichtung keinen resultierenden magnetischen Fluss gibt . Dadurch kann ein hoher Leistungs faktor erreicht werden, d . h . die Wirkleistung der elektrischen Maschine erhöht werden .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend sind anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhafte
Ausgestaltungen der Erfindung näher beschrieben . Es zeigen : Die Figuren la und 1b eine elektrische Maschine aus dem Stand der Technik,
Die Figuren 2a und 2b eine elektrische Maschine aus dem Stand der Technik mit einer Doppelrotoranordnung,
Die Figuren 3a und 3b eine elektrische Maschine mit einer Wicklungsanordnung gemäß der Erfindung;
Die Figuren 4a und 4b eine elektrische Maschine mit einer Wicklungsanordnung gemäß der Erfindung mit einer Doppel rot or anordnung;
Die Figur 5 eine schematische Darstellung eines magnetischen Flusses in einer elektrischen Maschine mit einem Stator/Rotorpolverhältnis von 10/ 12 ;
Die Figuren 6a-c schematische Darstellungen eines magnetischen Flusses in einer zweiphasigen elektrischen Maschine gemäß der Erfindung .
Figurenbeschreibung
Figur la zeigt eine elektrische Maschine 1 aus dem Stand der Technik . Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Rotor 2 , der einen ersten Permanentmagneten 3 umfasst . Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 4 . Der Stator 4 ist als Statorkranz ausgebildet und umfasst mehrere Statorpole 5 . Die Statorpole 5 sind als radial hervorspringende Elemente des Statorkranzes ausgebildet und werden durch den Statorkranz gehalten . Zwischen den Statorpolen 5 sind Nuten 5a angeordnet , die die Statorpole 5 voneinander in Umfangsrichtung beabstanden . Die Statorpole 5 sind über brückenartige Verbindungen 6 miteinander verbunden, die in den Nuten 5a angeordnet sind . Die brückenartigen Verbindungen 6 des Statorkranzes bilden Joche 7 aus . An den Statorpolen 5 sind Statorpolwicklungen 8 vorgesehen, wobei die Statorpolwicklungen 8 Polspulen bilden, deren Längsachse zu einem Drehpunkt des Rotors 2 zeigt . In einem Normalbetrieb, d . h . wenn keine Störung und insbesondere kein Windungsschluss in der Statorpolwicklung 8 vorliegt , ist ein magnetischer Fluss 9 beidseitig symmetrisch durch die beispielhafte Statorpolwicklung 8 ausgebildet .
Figur 1b zeigt einen Zustand der Maschine aus Figur la, wobei kein normaler Betriebs zustand mehr vorliegt , sondern die beispielhafte Statorpolwicklung 8 durch einen Windungsschluss gestört ist . Bei einem Windungsschluss liegt ein Kurzschluss zwischen einzelnen Windungen einer Wicklung, hier der Statorpolwicklung 8 , vor . Der magnetische Fluss 9 ist durch den Windungsschluss beeinträchtigt . Die permanente Erregung des Permanentmagneten 3 des Rotors 2 führt dazu, dass fortwährend Spannungen und somit Ströme in der schadhaften Statorpolwicklung 8 induziert werden . Dadurch kommt es zu einer Überhitzung der Polspule , was zum Abbrand der elektrischen Maschine 1 führen kann . Durch die Kurzschlussströme wird ein magnetisches Gegenfeld hervorgerufen (nicht dargestellt ) , welches den magnetischen Fluss 9 aus Figur la ablenkt und zu dessen Ausbildung gemäß Figur 1b führt . Der veränderte magnetische Fluss 9 in Figur 1b führt nun nicht mehr durch den Statorpol 5 , sondern durch einen Luftspalt 10 zwischen Statorkranz und Rotor 2 . Dies ist aber im Gegensatz zu dem Statorpol 5 ein Bereich verminderter Permeabilität . Dies führt zu erheblichen Kurzschlussströmen .
Figur 2a zeigt eine elektrische Maschine 1 aus dem Stand der Technik mit einer Doppelrotoranordnung . Der Rotor 2 umfasst ein erstes , innenliegendes Rotorelement 11 und ein zweites , außenliegendes Rotorelement 12 . Das erste und das zweite Rotorelement 11 , 12 sind konzentrisch angeordnet und umgeben die Stator 4 . Die Rotorelemente 11 , 12 tragen Permanentmagneten 3 . Die Statorpole 5 des Stators 4 sind in radialer Richtung nach innen und nach außen hervorspringend angeordnet und tragen j eweils Statorpolwicklungen 8 . Figur 2b zeigt die elektrische Maschine 1 aus Figur 2a, wobei in der innenliegenden Statorspule 8 ein Windungsschluss aufgetreten ist . Der magnetische Fluss 9 wird dadurch umgelenkt und durchdringt nun wiederum Bereiche verminderter Permeabilität , nämlich den Luftspalt 10 was zu hohen Kurzschlussströmen führt .
Figur 3a zeigt eine elektrische Maschine 1 gemäß der Erfindung . Im Gegensatz zu der elektrischen Maschine aus den Figuren 1 und 2 , trägt der Statorpol 5 keine Statorpolwicklungen 8 . Es sind keine Polspulen vorhanden . Auf j eden der Joche 7 sind Jochwicklungen 13 angeordnet . Die Jochwicklungen 13 bilden elektrische Spulen, Jochspulen, aus . Die Spulenachsenrichtungen der Jochspulen entsprechen in etwa der Umfangsrichtung des Stators 5 . Auf j edem Joch sind zwei Jochspulen angeordnet , wobei ein Statorpol 5 j eweils von zwei Jochspulen umschlossen ist . Die Jochspulen sind in den Nuten 5a angeordnet und zu einem j eweiligen Statorpol 5 hin versetzt angeordnet . Die Jochwicklungen sind in Umfangsrichtung j eweils mindestens durch eine Breite des Statorpols 5 voneinander beabstandet . Pro Nut müssen Jochspulen der zwei benachbarten Zähne untergebracht werden . Deswegen ist die Spule 13 nicht in der Mitte des Slots gezeichnet .
In einem normalen Betriebs zustand bildet sich der magnetische Fluss 9 analog zu dem magnetischen Fluss 9 in der Maschine aus Figur 1 aus . Das Joch 7 ist in radialer Richtung so dimensioniert , dass sein Querschnitt eine zusätzliche Tiefe ( d . h . eine radiale Ausdehnung) aufweist , die mindestens halb so groß ist wie die Breite eines Statorpols 5 in Umfangsrichtung . Dadurch wird gewährleistet , dass das Joch 7 ausreichend dimensioniert ist , um den magnetischen Fluss auf zunehmen und einen hinreichend kleinen magnetischen Widerstand aufweist . Die Dimensionierung des Joches 7 beeinflusst die Größe des Kurzschlussstromes in der schadhaften Jochspule . Insbesondere dann, wenn die Tiefe des Querschnittes des
Joches 7 der Breite des Statorpols entspricht , kann kein Kurzschlussstrom in der schadhaften Spule mehr festgestellt werden .
Figur 3b zeigt die elektrische Maschine aus Figur 3a, wobei in einer der Jochspulen 13 ein Windungsschluss aufgetreten ist . Der magnetische Fluss 9 wird durch das in der Jochspule erzeugte magnetische Gegenfeld umgelenkt . Im Gegensatz zu der Maschine aus Fig . 1b, verläuft der geänderte magnetische Fluss aber nicht durch Bereiche verminderter Permeabilität (nämlich den Luftspalt 10 ) , sondern parallel zu dem magnetischen Fluss durch die gegenüberliegende intakte Jochspule 13 . Der geänderte magnetische Fluss verläuft durch Bereiche hoher Permeabilität nämlich weiterhin durch den Statorpol 5 und nicht durch den Luftspalt 10 . Leistungsverluste werden dadurch vermindert . Die Jochspulen sind elektrisch in Reihe geschaltet , um einen umlaufenden Fluss im Normalbetrieb zu vermeiden .
Figur 4a zeigt die elektrische Maschine 1 aus Figur 3a und b, mit einem Doppelrotor . In einem normalen Betriebs zustand bildet sich der magnetische Fluss analog zu dem magnetischen Fluss in der elektrischen Maschine aus Figur 2a aus .
Figur 4b zeigt die elektrische Maschine 1 aus Figur 4a, wobei in einer der Jochspulen 13 ein Windungsschluss aufgetreten ist . Auch hier bildet sich der magnetische Fluss , der infolge der Umlenkung durch das von der schadhaften Jochspule induzierte magnetische Gegenfeld entsteht , parallel zu dem magnetischen Fluss durch die verbleibende intakte Jochspule aus und führt daher nicht durch Bereiche verminderter Permeabilität . Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Maschine , wobei die elektrische Maschine 1 einen Doppelrotor mit 10 Rotorpolen und 12 Statorpole 5 umfasst . Die obere Zeichnung der Figur 5 zeigt einen normalen Betriebs zustand und die Ausbildung des magnetischen Flusses hierbei . Inder unteren Zeichnung der Figur 5 liegt in einer der Jochwicklungen ein Windungsschluss vor, wobei die schadhafte Jochwicklung ein magnetisches Gegenfeld 15 erzeugt , welches zu einer Umleitung des magnetischen Flusses 9 führt . Aufgrund der feinen Polteilung lassen sich mit diesem Maschinentyp hohe Drehmomentdichten erzielen . Die bekannten Maschinen dieses Typs vermeiden ein Joch 7 , um die Drehmomentdichte zusätzlich zu erhöhen . Hier wird j edoch ein Joch hinzugefügt zur tangentialen Fluss führung im Falle eines Kurzschlusses ( siehe Abbildung 10 ) . Die Jochspulen s ind um eine Nutbreite versetzt . Dies ermöglicht die Ausrichtung der Nord- und Südpole der beiden Rotorelemente 11 , 12 und das Joch 7 wird im Normalbetrieb nicht durch den magnetischen Fluss ausgenutzt . Daher kann es mit minimalen Abmessungen konstruiert werden . Zusätzlich trägt das Joch 7 zur strukturellen Stabilität der des Stators 4 bei und ermöglicht die Trennung der einzelnen Jochspulen im einlagigen Wicklungsschema . Das Konzept kann auch als Zweischicht-Wicklungsschema realisiert werden . Eine weitere Variante ist der Einsatz der Jochspulen auf einer mehrspurigen Maschine .
Die Figuren 6a-c zeigen eine elektrische Maschine wie zu Figur 5 beschrieben, j edoch mit zwei getrennten Zweiphasen- Wicklungssystemen 16 . Jedes Zweiphasensystem 16 erzeugt eine umlaufende magnetische Kraft . Die magnetischen Kräfte wirken einander j edoch entgegen und bewirken, dass bei symmetrischem Betrieb ( d . h . Betrieb mit zwei intakten Jochspulen) kein umlaufender magnetischer Fluss entsteht . Dies führt zu einem hohen Leistungs faktor . Figur 6b zeigt den Betrieb der elektrischen Maschine 1 aus Figur 6a, mit Windungs-Kurzschluss-Schaltung. Der Ausfallstrom ist, wie zu Figur 3 erörtert, begrenzt.
Figur 6c zeigt den Ausfallmodus mit Klemmschaltung in dem ersten Wicklungssystem und offenem Kreislauf in dem zweiten Wicklungssystem. Dieser Fall entspricht einem DC-Zwischenkreis- Kurzschluss in einem Wicklungssystem. Aufgrund des asymmetrischen Betriebs (d.h. Betrieb mit nur einer intakten Jochspule) wird ein umlaufender Fluss erzeugt, der die Kurzschlussströme deutlich unter den Wert treibt, der vom Leistungsfaktor unter symmetrischen Bedingungen erwartet wird. Dies ermöglicht Designs mit hohem Leistungsfaktor bei Normalbetrieb und kleine Kurzschlussströme aufgrund der Induktivitätserhöhung, wenn eine Jochspule ausfällt.
Bezugs zeichenliste
1 Elektrische Maschine
2 Rotor
3 erster Permanentmagnet
4 Stator
5 Statorpole
5a Nuten
6 brückenartige Verbindungen
7 Joche
8 Statorpolwicklungen ( Polspulen)
9 magnetischer Fluss , Flusslinien
10 Luftspalt
11 erstes Rotorelement
12 zweites Rotorelement
13 Jochwicklungen
14 Rotorpole
15 magnetisches Gegenfeld
16 zwei Phasen Wicklungssystem

Claims

Ansprüche
1. Eine windungsschlusssichere elektrische Maschine (1) , umfassend : einen Rotor (2) mit einem oder mehreren Permanentmagneten (3) ; und einen Stator (4) , der Stator umfassend: eine Vielzahl von Statorpolen (5) , die konzentrisch um den Rotor (2) herum angeordnet sind; eine Vielzahl von Nuten (5a) , welche die Statorpole (5) in einer Umfangsrichtung voneinander beabstanden, wobei in jeder Nut ein Joch (7) angeordnet ist, welches in Umfangsrichtung eine brückenartige Verbindung (6) zwischen den Statorpolen (5) bildet; wobei auf jedem Joch (7) mindestens eine Jochwicklung (13) angeordnet ist, die eine elektrische Spule bildet wobei eine Spulenachsenrichtung der Umfangsrichtung entspricht; und wobei jeweils zwei benachbarte Jochwicklungen (13) einen Statorpol (5) umschließen.
2. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, wobei auf jedem Joch
(7) zwei Jochwicklungen (13) angeordnet sind, wobei ein Statorpol (5) jeweils von zwei Jochwicklungen (13) umschlossen ist.
3. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die jeweils zwei Jochwicklungen (13) , die einen Statorpol (5) umschließen, elektrisch in Reihe geschaltet sind.
4. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Rotor (2) ein Doppelrotor ist, und zwei konzentrisch angeordnete Rotorelemente (11,12) mit Permanentmagneten (3) umfasst, insbesondere wobei die beiden Rotorelemente (11,12) den
Stator (4) radial umgeben.
5. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweils zwei Jochwicklungen (13) , die einen Statorpol (5) umschließen, in Umfangsrichtung durch eine Breite des Statorpols (5) voneinander beabstandet sind.
6. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Tiefe eines Querschnittes des Jochs (7) in radialer Richtung mindestens 0,5 mal so groß ist wie eine Breite eines Statorpols (5) in der Umfangsrichtung, insbesondere wobei die Tiefe des Querschnittes des Jochs (7) in radialer Richtung der Breite eines Statorpols (5) in der Umfangsrichtung entspricht.
7. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Maschine (1) 10 Rotorpole (14) und 12 Statorpole (5) umfasst.
8. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zwei elektrisch getrennte zweiphasige Wicklungsanordnungen (16) der Jochwicklungen (13) .
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