DE102014100243A1

DE102014100243A1 - Mehrkanalige Wicklungsfeld-Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102014100243A1
Application number: DE102014100243.1A
Authority: DE
Inventors: Jacek F. Gieras; Gregory I. Rozman
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2014-07-10
Also published as: GB2512437A; US20140191606A1; GB201400271D0

Abstract

Eine mehrkanalige Wicklungsfeld-Synchronmaschine und ein Verfahren für die Montage einer mehrkanaligen Axialfluss-Wicklungsfeld-Synchronmaschine werden beschrieben. Die Maschine beinhaltet eine gerade Anzahl von Statoren und eine Mehrzahl von Felderregerwicklungen, wobei jede der Mehrzahl von Felderregerwicklungen einem jeweiligen der Statoren zugeordnet ist. Die Maschine beinhaltet außerdem einen Erreger, um alle der Mehrzahl an Felderregerwicklungen zu speisen.

Description

In verschiedenen Anwendungen kann die Zuverlässigkeit einer Stromversorgung Folgen haben, die über reine Unannehmlichkeiten hinaus gehen. Zum Beispiel kann die Stromversorgung eines wichtigen Flugzeuginstrumentes, eines Stellmotors oder einer Pumpe von Redundanz profitieren, um Sicherheitsbedenken zu mindern. Wenngleich Redundanz für die Zuverlässigkeit wichtiger Systeme von Vorteil ist, muss die Zuverlässigkeit im Verhältnis zu anderen Faktoren abgewogen werden, wie zum Beispiel Gewicht und Größe.
Es wird eine Ausführungsform einer mehrkanaligen Axialfluss-Wicklungsfeld-Synchronmaschine offenbart, welche Folgendes aufweist: Eine gerade Anzahl an Statoren; eine Mehrzahl von Felderregerwicklungen, wobei jede der Mehrzahl von Felderregerwicklungen einem jeweiligen der Statoren zugeordnet ist; und einen Erreger, der konfiguriert ist, um alle der Mehrzahl von Felderregerwicklungen zu speisen.
Bevorzugte Ausgestaltungen können mindestens eines der folgenden Merkmale aufweisen, jeweils unabhängig voneinander oder in Kombination:
Der Erreger kann ein bürstenloser Erreger sein, der eine Felderregerwicklung und ein Einzelphasen- oder Mehrphasen-Ankersystem umfasst.
Die Maschine kann ferner eine Hohlwelle umfassen, die konfiguriert ist, um elektrische Verbindungen zwischen dem Einzelphasen- oder Mehrphasen-Ankersystem des bürstenlosen Erregers einer rotierenden Leistungselektronik und der Mehrzahl von Felderregerwicklungen zu tragen.
Die Maschine kann ferner ein Gehäuse umfassen, das konfiguriert ist, um die Statoren und die Mehrzahl von Felderregerwicklungen zu umschließen.
Die Maschine kann ferner einen oder mehrere Rotor(en) umfassen, wobei der eine Rotor oder ein jeder der mehreren Rotoren einem entsprechenden Paar von Statoren zugeordnet ist.
Zwei oder mehr der Statoren können parallel schaltbar sein, um eine redundante Stromversorgung bereitzustellen.
Außerdem wird eine Ausführungsform eines Verfahrens für die Montage einer mehrkanaligen Wicklungsfeld-Synchronmaschine offenbart, welches Folgendes aufweist: Anordnen einer geraden Anzahl von Mehrphasen-Statoren in einem Gehäuse; Anordnen einer Mehrzahl von Felderregerwicklungen im Gehäuse und das Zuordnen jeder der Mehrzahl von Rotorfelderregerwicklungen zu jeweils einem der Mehrphasen-Statoren; sowie Anordnen eines Erregers im Gehäuse, wobei der Erreger mit der Mehrzahl von Rotorfelderregerwicklungen gekoppelt ist.
Bevorzugte Ausgestaltungen können mindestens eines der folgenden Merkmale aufweisen, jeweils unabhängig voneinander oder in Kombination:
Das Anordnen des Erregers kann das Anordnen eines bürstenlosen Erregers beinhalten, der eine Rotorfelderregerwicklung und ein Einzelphasen- oder Mehrphasen-Ankersystem umfasst.
Das Verfahren kann ferner das Anordnen einer Hohlwelle durch das Gehäuse umfassen, wobei die Welle elektrische Verbindungen zwischen dem Einzelphasen- oder Mehrphasen-Ankersystem des bürstenlosen Erregers, einer rotierenden Leistungselektronik und der Mehrzahl von Rotorfelderregerwicklungen trägt.
Das Verfahren kann ferner das Anordnen eines Rotors oder mehrerer Rotoren im Gehäuse umfassen, wobei der eine Rotor bzw. jeder der mehreren Rotoren einem entsprechenden Paar der Mehrphasen-Statoren zugeordnet ist.
Das Verfahren kann ferner das Parallelschalten von zwei oder mehr der Mehrphasen-Statoren umfassen, um eine redundante Stromversorgung bereitzustellen.
Das Verfahren kann ferner das Bereitstellen jedes der Mehrphasen-Statoren als eine einzelne Stromversorgung umfassen.
Die folgenden Beschreibungen sind in keiner Weise als einschränkend auszulegen. Mit Verweis auf die beigefügten Zeichnungen sind gleiche Elemente gleich nummeriert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht einer zweikanaligen Wicklungsfeld-Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Seitenansicht einer vierkanaligen Wicklungsfeld-Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens für die Montage einer mehrkanaligen Wicklungsfeld-Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Eine ausführliche Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsform(en) der offenbarten Vorrichtung und des offenbarten Verfahrens wird hierin mit Verweis auf die Abbildungen zur Erläuterung und nicht zur Einschränkung bereitgestellt.
Wie oben erwähnt, kann eine redundante Stromversorgung, die unter Berücksichtigung von Größe und Gewicht konzipiert wurde, in Anwendungen, wie zum Beispiel in Luft- oder Landfahrzeuganwendungen, unerlässlich sein. Hierin ausführlich erläuterte Ausführungsformen der Erfindung beschreiben eine mehrkanalige Stromversorgung, die in einer Architektur einer Axialfluss-Wicklungsfeld-Synchronmaschine implementiert ist. Die Maschine gemäß den verschiedenen Ausführungsformen stellt eine Drehmomentdichte und eine Leistungsdichte bereit, die ausreichend hoch sind, um eine Redundanz in der Stromversorgung zu ermöglichen und gleichzeitig eine leichtere Lösung bereitzustellen als eine Radialflussmaschine.
1 zeigt eine zweikanalige Wicklungsfeld-Synchronmaschine 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In einer Wicklungsfeldmaschine erzeugen die Rotorfelderregerwicklungen 120 das Magnetfeld in der Maschine (Generator) statt eines permanenten Magneten, wobei die Statoren 110 als Polyphasen-Ankersysteme fungieren. Das Gehäuse 101 der Maschine 100 beinhaltet zwei Statoren 110, zwei Felderregerwicklungen 120, eine rotierende Leistungselektronikeinheit 130, ein Erregersystem, z. B. in Form eines bürstenlosen Erregers 145 mit Felderregerwicklung 140 und Einzelphasen- oder Mehrphasen-Ankersystem 150. In der dargestellten Ausführungsform ist die Felderregerwicklung 120a dem Stator 110a zugeordnet und die Felderregerwicklung 120b ist dem Stator 110b zugeordnet. Beide Felderregerwicklungen 120a und 120b werden vom selben Erregersystem 146 gespeist. Wenngleich Erregerstrom von einem Erregersystem 146 (z. B. dem bürstenlosen Erreger 145 mit Felderregerwicklung 140 und Ankersystem 150) bereitgestellt wird, wird jeder Stator 110a und 110b unabhängig erregt und arbeitet an einer unabhängigen Last. Zudem gibt es ein separates Elektroniksystem (in der Leistungselektronikeinheit 130) für jede der Felderregerwicklungen 120a und 120b, die jeweils dem Stator 110a und 110b zugeordnet sind. Die Leistungselektronikeinheit 130 kann Dioden, Festkörperschalter oder eine Kombination aus Dioden und Festkörperschaltern beinhalten. Elektrische Verbindungen zwischen dem Ankersystem 150 des bürstenlosen Erregers 145, der Leistungselektronikeinheit 130 und den Felderregerwicklungen 120 der Hauptmaschine werden unter Verwendung von elektrischen Verbindungskabeln (nicht dargestellt) durch eine Hohlwelle 160 hergestellt, die durch Lager 170 gehalten wird.
Der Hauptgenerator der Maschine 100 beinhaltet die zwei Statoren 110, zwei Felderregerwicklungen 120 und den Rotor 180, und der Erregerabschnitt der Maschine 100 beinhaltet die Felderregerwicklung 140 und das Ankersystem 150 des bürstenlosen Erregers 145. Strom wird an die Leistungselektronik 130 bereitgestellt, die wiederum jedem Rotor 180 Strom zuführt. Die zweikanalige Maschine 100 gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform kann eine redundante Stromversorgung (Einkanal) bereitstellen, wenn die zwei Statoren 110 parallelgeschaltet sind.
2 ist ein Blockdiagramm einer vierkanaligen Wicklungsfeld-Synchronmaschine 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Gehäuse 201 der Maschine 200 beinhaltet vier Statoren 110. In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Felderregerwicklung 120w dem Stator 110w zugeordnet, die Felderregerwicklung 120x ist dem Stator 110x zugeordnet, die Felderregerwicklung 120y ist dem Stator 110y zugeordnet, und die Felderregerwicklung 120z ist dem Stator 110z zugeordnet. Alle Felderregerwicklungen 120 werden vom selben Erregersystem 146 (z. B. dem bürstenlosen Erreger 145 mit der Felderregerwicklung 140 und Ankersystem 150) gespeist. Die Maschine 200 kann als eine ein-, zwei- oder vierkanalige Stromversorgung verwendet werden. Alle vier Statoren (110w–110z) können parallel geschaltet sein, um einen redundante einkanalige Stromausgabe bereitzustellen. Die Statoren 110w und 110x können parallel als ein Kanal geschaltet sein, und die Statoren 110y und 110z können als ein anderer Kanal parallel geschaltet sein, um eine redundante zweikanalige Stromausgabe bereitzustellen. Jeder Stator 110 kann ohne Redundanz verwendet werden, um eine vierkanalige Stromausgabe bereitzustellen.
Basierend auf der durch die in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen dargestellten Architektur kann jede beliebige gerade Anzahl an unabhängigen Statoren 110 und zugeordneten Felderregerwicklungen 120 vom selben Erregersystem 146 (z. B. 145) auf eine ähnliche Weise erzeugt werden. Dementsprechend kann jede beliebige gerade Anzahl von Kanälen (z. B. 2, 4, 6) verwendet werden, um eine Stromversorgung mit einem Stromausgang oder mehreren redundanten Stromausgängen (z. B. 1, 2, 3) bereitzustellen. Zum Beispiel verfügt eine Flugzeugtreibstoffpumpe üblicherweise über zwei Motoren. Mit der durch die in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen dargestellten Architektur ist eine Vielzahl an Kombinationen von Stromversorgungen möglich. In einer Ausführungsform kann die Maschine 100 verwendet werden, und jeder Stator 110 kann Strom an jeden Treibstoffpumpenmotor bereitstellen (d. h. 110a an einen Motor und 110b an den anderen Motor). In einer alternativen Ausführungsform kann die Maschine 200 verwendet werden und die Statoren 110w und 110x können parallel mit dem ersten Treibstoffpumpenmotor verbunden sein, während die Statoren 110y und 110z parallel mit dem zweiten Treibstoffpumpenmotor verbunden sein können. In dieser Ausführungsform hätte jeder der Treibstoffpumpenmotoren eine redundante Stromversorgung. In einer weiteren anderen Ausführungsform können zwei Maschinen 100 verwendet werden, und in jeder Maschine 100 können die Statoren 110a und 110b parallelgeschaltet sein, um eine redundante Stromversorgung zu jedem jeweiligen Treibstoffpumpenmotor bereitzustellen.
3 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 für die Montage einer mehrkanaligen Wicklungsfeld-Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Anordnen einer geraden Anzahl an Statoren 110 (Block 310) beinhaltet zum Beispiel das Anordnen von zwei Statoren (110a und 110b), wie in der in 1 gezeigten Ausführungsform, das Anordnen von vier Statoren (110w–110z), wie in der in 2 gezeigten Ausführungsform, oder das Anordnen von 6, 8 oder mehr Statoren 110. In Block 320 beinhaltet das Verfahren 300 das Anordnen einer Felderregerwicklung 120, die jedem Stator 110 entspricht. Zum Beispiel entsprechen die Felderregerwicklungen 120a und 120b in der in 1 gezeigten Ausführungsform den Statoren 110a bzw. 110b. Das Anordnen eines Erregersystems 146 (z. B. 145) gekoppelt mit den Felderregerwicklungen 120 (Block 330) ermöglicht das Speisen aller Felderregerwicklungen 120 vom selben Erreger 146 (Block 340). Die mehrkanalige Wickelfeld-Synchronmaschine, die gemäß dem Verfahren 300 montiert wurde, stellt eine redundante Stromversorgung bereit, indem zwei oder mehr Statoren parallelgeschaltet werden (Block 350).
Wenngleich die Erfindung mit Verweis auf (eine) beispielhafte Ausführungsform oder Ausführungsformen beschrieben wurde, ist für Fachleute ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden und Entsprechungen für deren Elemente ersetzt werden können, ohne dabei vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zudem können zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne dabei vom grundlegenden Umfang der Erfindung abzuweichen. Demnach ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die jeweilige als der beste für die Umsetzung dieser Erfindung angedachte Modus offenbarte Ausführungsform beschränkt ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen beinhaltet, die in den Umfang der Ansprüche fallen.

Claims

Mehrkanalige Axialfluss-Wicklungsfeld-Synchronmaschine (100), die Folgendes umfasst: eine gerade Anzahl von Statoren (110); eine Mehrzahl von Felderregerwicklungen (120), wobei jede der Mehrzahl von Felderregerwicklungen (120) einem jeweiligen der Statoren (110) zugeordnet ist; und einen Erreger (146), der alle der Mehrzahl von Felderregerwicklungen (120) speist.
Maschine (100) nach Anspruch 1, wobei der Erreger (146) ein bürstenloser Erreger (145) ist, der eine Felderregerwicklung (140) und ein Einzelphasen- oder Mehrphasen-Ankersystem (150) umfasst.
Maschine (100) nach Anspruch 2, die ferner eine Hohlwelle (160) umfasst, die konfiguriert ist, um elektrische Verbindungen zwischen dem Einzelphasen- oder Mehrphasen-Ankersystem (150) des bürstenlosen Erregers (145) einer rotierenden Leistungselektronik (130) und der Mehrzahl von Felderregerwicklungen (120) zu tragen.
Maschine (100) nach Anspruch 1, die ferner ein Gehäuse (201) umfasst, das konfiguriert ist, um die Statoren (110) und die Mehrzahl von Felderregerwicklungen (120) zu umschließen.
Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner einen oder mehrere Rotor(en) (180) umfasst, wobei der eine Rotor (180) oder ein jeder der mehreren Rotoren (180) einem entsprechenden Paar von Statoren (110) zugeordnet ist.
Maschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zwei oder mehr der Statoren (110) parallel schaltbar sind, um eine redundante Stromversorgung bereitzustellen.
Verfahren zur Montage einer mehrkanaligen Axialfluss-Wicklungsfeld-Synchronmaschine (100), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Anordnen einer geraden Anzahl von Mehrphasen-Statoren (110) in einem Gehäuse (201); Anordnen einer Mehrzahl von Rotorfelderregerwicklungen (120) im Gehäuse (201), und Zuordnen jeder der Mehrzahl von Rotorfelderregerwicklungen (120) zu jeweils einem der Statoren (110); und Anordnen eines Erregers (146) im Gehäuse (201), wobei der Erreger (146) mit der Mehrzahl von Rotorfelderregerwicklungen (120) gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Anordnen des Erregers (146) das Anordnen eines bürstenlosen Erregers (145) beinhaltet, der eine Rotorfelderregerwicklung (140) und ein Einzelphasen- oder Mehrphasen-Ankersystem (150) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner das Anordnen einer Hohlwelle (160) durch das Gehäuse (201) umfasst, wobei die Welle (160) elektrische Verbindungen zwischen dem Einzelphasen- oder Mehrphasen-Ankersystem (150) des bürstenlosen Erregers (145), einer rotierenden Leistungselektronik (130) und der Mehrzahl von Rotorfelderregerwicklungen (120) trägt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, das ferner das Anordnen eines Rotors (180) oder mehrerer Rotoren (180) im Gehäuse umfasst, wobei der eine Rotor bzw. jeder der mehreren Rotoren einem entsprechenden Paar der Mehrphasen-Statoren (110) zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, das ferner das Parallelschalten von zwei oder mehr der Mehrphasen-Statoren (110) umfasst, um eine redundante Stromversorgung bereitzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, das ferner das Bereitstellen jedes der Mehrphasen-Statoren (110) als eine einzelne Stromversorgung umfasst.