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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere elektronisch kommutierte elektrische Maschinen mit hoher Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz.
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Stand der Technik
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Je nach Einsatzgebiet ist es erforderlich, dass elektrische Maschinen eine besonders hohe Fehlertoleranz aufweisen. Dies ist beispielsweise bei Kraftstoffpumpen von Flugzeugmotoren und bei Lenkmotoren in Kraftfahrzeugen der Fall.
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Fehlertolerante elektrische Maschinen müssen einige Eigenschaften aufweisen, die sie von herkömmlichen elektronisch kommutierten elektrischen Maschinen unterscheiden. Beispielsweise müssen die Phasen der Wicklung zueinander elektrisch isoliert sein und insbesondere durch einen einzelnen Einphasen-Leistungsteil angesteuert werden. Weiterhin können derartige elektrische Maschinen mit einer hohen d-Achsen-Induktanz ausgestattet werden, um bei einem Phasenanschluss-Kurzschluss Kurzschlussströme in einer fehlerhaften Wicklung zu begrenzen.
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Ohne magnetische Isolation können Fehlerströme in einer Phase hohe Spannungen in einer oder mehreren der übrigen Phasen bewirken, so dass eine Steuerung dieser Phasen erschwert wird. Insbesondere wird eine solche magnetische Isolation dadurch erreicht, dass in jeder der Statornuten nur eine Phase, d.h. ein Phasenstrang bzw. ein Phasenleiter, angeordnet ist.
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Weiterhin kann bei fehlertoleranten elektrischen Maschinen vorgesehen sein, dass der magnetische Fluss, der durch die Statorspulen erzeugt wird und der durch den Luftspalt zu dem Läuferkörper verläuft, nicht mit anderen Phasen wechselwirkt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine fehlertolerante elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, die eine geringe Drehmomentenwelligkeit sowie eine geringe Geräuschentwicklung und Vibration aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die elektrische Maschine nach Anspruch 1 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem Aspekt ist eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
- – einen kreiszylindrischen Stator mit beabstandeten Statorzähnen, wobei ein Teil der Statorzähne von Statorspulen als Einzelzahnwicklungen umgeben sind, so dass sich in keiner der zwischen den Statorzähnen ausgebildeten Statornuten mehr als eine Spulenseite einer Statorspule befindet;
- – einen Läufer, der relativ zum Stator drehbeweglich gelagert ist und durch oberflächenmontierte Permanentmagnete gebildete Läuferpole aufweist; wobei die Statorspulen in mehrere Gruppen unterteilt sind, die über separate Sternpunkte verschaltet sind.
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Eine Idee zur Gestaltung der elektrischen Maschine besteht darin, diese mit einer Statorwicklung mit mehreren Phasen vorzusehen. Die Gruppen von Statorspulen der Statorwicklung sind jeweils über voneinander getrennte Sternpunkte verschaltet. Die Statorspulen sind als Einzelzahnwicklungen um, zueinander nicht unmittelbar benachbarte Statorzähne vorgesehen, so dass sich nur eine Spulenseite in einer Statornut befindet.
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Dadurch können alle Phasenspulen physikalisch voneinander getrennt angeordnet sein, so dass die Möglichkeit eines Phasenkurzschlusses reduziert ist.
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Durch die Kombination der getrennten Sternpunkte und durch die vollständig voneinander isolierte Anordnung der Statorspulen kann eine sehr robuste elektrische Maschine bereitgestellt werden, bei der eine besonders hohe Fehlertoleranz erreicht werden kann. Weiterhin ist die thermische Kopplung zwischen den Phasen dadurch deutlich reduziert, dass jeder Statornut nur eine Spulenseite einer Statorspule angeordnet ist.
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Weiterhin kann die Anzahl von Statorzähnen n·2·P (n = 2, 3...) entsprechen, wobei P die Phasenzahl der elektrischen Maschine 1 ist und wobei die Anzahl der Läuferpole mindestens 8 beträgt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Läufer einen weichmagnetischen, insbesondere polygonalen Läuferkörper aufweisen, an dessen dem Stator zugewandten Fläche insbesondere brotlaibförmige Permanentmagnete angeordnet sind, die die Läuferpole ausbilden.
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Insbesondere können die Statorspulen einer Gruppe zueinander benachbart sein. Weiterhin kann jede Statorspule einer Gruppe zu einer weiteren Statorspule einer weiteren Gruppe benachbart sein.
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Ein Verhältnis einer Statornutöffnungsbreite, d.h. Breite der Nutöffnung, zu einer Nutöffnungshöhe kann zwischen 2 und 5, insbesondere zwischen 3 und 4 betragen.
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Weiterhin können Zahnschaftbreiten von Zahnschäften der (insbesondere aller) nicht mit Statorspulen versehenen Statorzähne gleich oder größer sein als die Zahnschaftbreiten von Zahnschäften der mit Statorspulen versehenen Statorzähne.
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Ein Verhältnis des Durchmessers einer Innenausnehmung des Stators zu einem Außendurchmesser des Stators kann zwischen 0,54 und 0,58, insbesondere 0,57 betragen. Dabei bezieht sich der Durchmesser bevorzugt auf den Eisenkern des Stators, der beispielsweise aus einzelnen gestanzeten Blechlamellen zusammengesetzt ist.
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Weiterhin kann das Verhältnis einer Statorjochbreite eines Statorjochs des Stators zu einer Zahnschaftbreite von Zahnschäften der mit Statorspulen versehenen Statorzähne zwischen 0,7 und 0,8, bevorzugt zwischen 0,74 und 0,76, liegen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verhältnis der Summe der radialen effektiven Luftspaltbreite in der d-Achse des Läufers und der radialen effektiven Luftspaltbreite in der q-Achse des Läufers zu einer Nutöffnungsbreite (WSO) zwischen 2 und 3, vorzugsweise zwischen 2,2, und 2,8 liegen.
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Insbesondere kann das Verhältnis der Hohe hPMe der Permanentmagnete an ihren Rändern zu der Hohe der Permanentmagnete in ihrer Mitte in Umfangsrichtung zwischen 0,3 und 0,6, insbesondere zwischen 0,4 und 0,5 liegen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verhältnis der Randhöhe der Permanentmagnete zur radialen Breite eines Luftspalts zwischen Stator und Läufer an dem Rand der Permanentmagnete zwischen 0,9 und 1,2 betragen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Permanentmagnete in Umfangsrichtung ein Verhältnis eines Überdeckungswinkels zu der Polteilung des Läuferpols von zwischen 0,85 und 1 aufweisen.
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Weiterhin kann der Läufer mit einer Schrägung versehen sein.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine mit einer Wicklungsanordnung;
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2 eine schematische Darstellung der Verschaltung der Statorspule gemäß einer ersten Wicklungsanordnung;
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3 eine schematische Darstellung der Verschaltung der Statorspule gemäß einer zweiten Wicklungsanordnung;
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4 eine Veranschaulichung der Dimensionierungen des Stators und des Läufers der elektrischen Maschine der 1.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine elektrische Maschine 1. Die elektrische Maschine weist einen Stator 2 auf, der ein kreiszylindrisches Statorjoch 21 und davon nach innen in radialer Richtung R abstehende Statorzähne 22 aufweist. Die Statorzähne 22 sind in Umfangsrichtung U zueinander beabstandet, so dass zwischen den Statorzähnen 22 sich Statornuten 23 befinden. Die gezeigte elektrische Maschine weist 12 Statorzähne auf, es können jedoch in anderen Ausführungsformen andere geradzahlige Anzahlen von Statorzähnen vorgesehen sein. Allgemein kann die Anzahl von Statorzähnen n·2·P (n = 2, 3...) entsprechen, wobei P der Phasenzahl der elektrischen Maschine 1 entspricht.
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Die Statorzähne 22 weisen einen Zahnschaft mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt (bezüglich der radialen Richtung R) auf und können an ihrem abstehenden Ende mit Zahnköpfen 24 versehen sein. Die Zahnköpfe 24 stehen von dem Zahnschaft des Statorzahns 22 in Umfangsrichtung U, d.h. in Anordnungsrichtung der Statorzähne 22 über, um die Nutöffnung 25 der Statornuten 23 hin zu einem Luftspalt 6 zu verringern. Die abstehenden Enden der Statorzähne 22 bilden eine Innenausnehmung 26.
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Der Stator 2 ist mit einer Statorwicklung versehen, die mehrere Statorspulen 3 umfasst. Die Statorspulen 3 weisen Spulenseiten 31 auf, die jeweils einzeln in einer Statornut 23 des Stators 2 angeordnet sind, so dass eine magnetische, thermische und physikalische Isolierung zwischen den einzelnen, durch die Statorspulen 3 gebildeten Phasen der Statorwicklung, sichergestellt werden kann. Dadurch befindet sich zwischen einem mit einer Statorspule 3 versehenen Statorzahn 22 immer ein oder mehrere unbewickelte, d.h. nicht mit einer Statorspule 3 versehener Statorzahn 22.
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In der Innenausnehmung 26 des Stators 2 ist ein Läufer 4 angeordnet, der durch Oberflächenmagnete 41 ausgebildete Läuferpole 42 aufweist. Die Permanentmagnete 41 sind dazu auf einer Mantelfläche eines weichmagnetischen Läuferkörpers 43 angeordnet, der zylindrisch ist und einen polygonalen Querschnitt aufweist. Die Permanentmagnete 41 sind an Mantelflächenabschnitten des Rotorkörpers angebracht. Der Läuferkörper 43 ist an einer Welle 5 angeordnet und drehbeweglich gelagert.
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Die Statorspulen 3 können gemäß einem ersten Wicklungsdesign entsprechend der schematischen Darstellung der 2 verschaltet sein. 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Enden der Statorzähne 22 in einer linearen Projektion, wobei jeder zweite Statorzahn 22 von einer Statorspule 3 umgeben ist, so dass genau ein Spulenseite 31 in jeder der Statornuten 23 angeordnet ist. Das erste Wicklungsdesign umfasst mehrere, im vorliegenden Fall zwei Teilmaschinen, die jeweils jeder Phase zugeordnete Statorspulen 3 aufweisen, die am Stator 2 benachbart zueinander angeordnet sind.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind bei dem ersten Wicklungsdesign, wie in 2 dargestellt, als erste Teilwicklung T1 drei Phasen zugeordnete, zueinander benachbarte Statorspulen 3 an den Statorzähnen 1, 3 und 5 angeordnet, die in einer Sternpunktschaltung mit einem ersten Sternpunkt S1 verschaltet sind. Daran schließt sich eine zweite Teilwicklung T2 an, die drei Phasen zugeordnete Statorspulen 3 an den Statorzähnen 7, 9 und 11 aufweisen. Die Statorspulen 3 der zweiten Teilwicklung T2 sind über einen gemeinsamen zweiten Sternpunkt S2 elektrisch verschaltet. Die beiden Teilwicklungen T1, T2 können über separate Leistungsteile angesteuert werden, um durch eine entsprechende Bestromung der Statorspulen 3 ein umlaufendes Statormagnetfeld zu generieren.
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Durch die oben beschriebene Anordnung der Statorspulen 3 können die Teilwicklungen T1, T2 vollständig voneinander physikalisch getrennt vorgesehen und angesteuert werden, wodurch man ein ideales fehlertolerantes Wicklungssystem erhält.
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Bei einem zweiten Wicklungsdesign, das in der schematischen Darstellung der 3 dargestellt ist, sind im Unterschied zum ersten Wicklungsdesign der 2 die Statorspulen 3 so verschaltet, dass jeweils unmittelbar benachbarte Statorspulen 3 verschiedenen Sternpunkten S1, S2 zugeordnet sind. Insbesondere sind die Statorspulen 3 an den Statorzähnen 1, 5 und 9 über einen ersten Sternpunkt S1 miteinander zu einer ersten Teilwicklung T1 verschaltet, während die Statorspulen 3 an den Statorzähnen 3, 7 und 11 über einen zweiten Sternpunkt S2 zu einer zweiten Teilwicklung T2 verschaltet sind. Eine solche Anordnung reduziert die Entwicklung von Laufgeräuschen und Vibrationen beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 im Vergleich zu der Verschaltung des ersten Wicklungsdesigns.
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In 4 ist ein vergrößerter Ausschnitt einer Querschnittsansicht der elektrischen Maschine 1 dargestellt, mit Maßangaben, um die für die obige elektrische Maschine bevorzugte Dimensionierung und Abmessung, zu erläutern.
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Insbesondere die Ausgestaltung der elektrischen Maschine 1 mit zwölf Statornuten 23 und acht Rotorpolen 42 erzeugt einen magnetischen Kreis mit einer Rotationssymmetrie von vier. Dies wiederum erzeugt eine räumliche Grundordnung der radialen Spannungswelle im Luftspalt der Maschine, die durch das Rotorfeld erzeugt wird, von vier. Entsprechend ist die niedrigste Strukturmode des Statorkerns, die durch diese Spannungswelle angeregt werden kann, die vierte. Dies gewährleistet, dass der Statorkern nicht mit der zweiten Strukturmode (ovalisierende Mode) angeregt werden kann, dadurch hat die Maschine eine geringe Geräuschentwicklung und Vibrationen.
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Durch das Vorsehen von nur einem Spulenseite 31 in den Statornuten 23, d.h. eine einlagige Wicklung, wird eine größere Phaseninduktanz erreicht im Vergleich zu elektrischen Maschinen mit z.B. zwei Spulenseiten pro Statornut, d.h. eine zweilagige Wicklung. Um eine zu hohe Phaseninduktanz zu vermeiden, werden oberflächenmontierte Permanentmagnete an dem Läufer 4 verwendet, und eine große Nutöffnungsbreite Wso, die der Breite der Nutöffnung 25 in Umfangsrichtung U entspricht, und eine geringe Nutöffnungshöhe hSO, die der Dicke der Zahnköpfe 24 in radialer Richtung R entspricht, verwendet. Das Verhältnis der Nutöffnungsbreite WSO zur Nutöffnungshöhe hSO beträgt vorzugsweise 3,5. Ein optimales Verhältnis liegt in einem Bereich von 2 bis 5, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 3 und 4.
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Vorzugsweise weisen die bewickelten und unbewickelten Statorzähne 22 identische Geometrien auf, so dass deren Zahnschaftbreiten WT und Nutöffnungshöhen hSO identisch sind. Dadurch werden sub-harmonische Anregungen mit hoher Amplitude aufgrund der ungleichförmigen Reluktanzen der bewickelten und unbewickelten Statorzähne vermieden. Entsprechend können sehr geringe Rastmomenten- und Drehmomentenwelligkeiten erreicht werden.
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Durch das Vorsehen von identischen Zahnschaftbreiten WT der bewickelten und unbewickelten Statorzähne 22 wird verhindert, dass die unbewickelten Statorzähne in die Sättigung gelangen, wenn in den Statorspulen 3 ein Kurzschlussfehler mit hohen Fehlerströmen und hohen induzierten Flüssen auftritt. Die Verwendung des dickeren unbewickelten Statorzahns vermeidet, dass der durch den Fehler induzierte Fluss auf benachbarte nicht gesättigte bewickelte Statorzähne 22 abgeleitet wird und damit ordnungsgemäße, d.h. nicht kurzgeschlossene Statorspulen beeinflusst.
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Weiterhin kann auch vorgesehen sein, die Zahnschäfte der unbewickelten Statorzähne 22 breiter auszubilden als die Zahnschäfte der bewickelten Statorzähne 22.
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Das Aufteilungsverhältnis des Durchmessers der Innenausnehmung DSB zum Außendurchmesser des Stators DSO beträgt vorzugsweise zwischen 0,54 und 0,58, insbesondere bevorzugt 0,57. Dies betrifft insbesondere eine elektrische Maschine 1 mit acht Läuferpolen 42 und mit oberflächenmontierten Permanentmagneten.
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Das Verhältnis der Statorjochbreite WY zur Statorzahnschaftbreite WT beträgt zwischen 0,7 und 0,8, bevorzugt zwischen 0,74 und 0,76, beispielsweise 0,75. Dies bedeutet ein steiferes Statorjoch 21, wodurch die Vibrationsfestigkeit erhöht wird und die Geräuschentwicklung im Betrieb der elektrischen Maschine verringert wird. Weiterhin kann durch das radial verbreiterte Statorjoch 21 eine Sättigung im Statorjoch 21 vermieden werden, wodurch eine lineare Drehmoment-Strom-Abhängigkeit erreicht wird. Insbesondere gewährleistet ein breiteres Statorjoch 21 eine größere Stabilität, wenn dieses mit Statorsegmenten aufgebaut ist.
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Um sicherzustellen, dass von der Phaseninduktanz nur eine Selbstinduktanzkomponente verbleibt, sollte der gesamte Statorfluss eines bestromten, bewickelten Statorzahns über die Statornut 23 und Nutöffnung 25 zu dem benachbarten nicht bewickelten Statorzahn 22 verlaufen und über das Statorjoch 21 zurückfließen. Um dies zu erreichen, sollten die Nutöffnungsbreiten WSO kleiner als die doppelte Breite des effektiven Luftspalts zwischen der Innenausnehmung des Stators 2 und dem Läuferkörper 43 entsprechen. So kann vermieden werden, dass ein magnetischer Fluss zum Läuferkörper 43 verläuft und dann möglicherweise auf andere Statorspulen 3 zurückwirkt, so dass eine Kopplungsinduktanz erzeugt wird.
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Der effektiver Luftspalt (oder der effektiver magnetischer Luftspalt) ist der gesamte Spalt (radiale Abstand) zwischen der Innenausnehmung des Stators 2 (d.h. der Statorbohrung) zu der Läuferkörper 43. Diese gesamte Spalt umfasst den „echten“ Luftspalt, die nichtmagnetische Haltehülse und die Permanentmagnete. Die Permanentmagnete haben ein Permeabilität von fast 1 (ungefähr 1.05) und können daher magnetisch wie Luft betrachtet werden. (Luft hat eine Permeabilität von genau 1). Der Haltehülse hat ebenfalls eine Permeabilität von 1 (nichtmagnetischer Stahl) und deshalb kann magnetisch auch wie Luft betrachtet.
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Dies erfordert weiterhin relativ dicke oberflächenmontierte Permanentmagnete 41 in Verbindung mit einer nichtmagnetischen Haltehülse 7, die den Läufer 4 umgibt und an den Permanentmagneten 41 anliegt. Dadurch wird der notwendige breite effektiver Luftspalt erreicht. Aufgrund der achteckigen Form des Läuferkörpers 43 gibt es verschiedene effektive Luftspaltbreiten zwischen der Innenausnehmung des Stators 2 und dem Läuferkörper 43, nämlich die radiale Luftspaltbreite hd in der d-Achse der Läufer und die radiale Luftspaltbreite hq in der q-Achse der Läufer, wobei die Nutöffnungsbreite WSO kleiner hd + hq ist. Insbesondere sollte hd + hq um einen Faktor 2 bis 3, vorzugsweise zwischen 2,2, und 2,8 größer sein als WSO, insbesondere um einen Faktor 2,4 größer sein.
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Die Permanentmagnete 41 sind vorzugsweise aus einem Seltenen-Erden-Material ausgebildet und brotlaibförmig, um eine sinusförmige Phasen elektromotorische Kraft (EMK) zu erreichen, die zum Erreichen einer geringen Drehmomentenwelligkeit bei sinusförmigen Phasenströmen notwendig sind. Eine Brotlaibform ist zweckmäßig, da diese eine ebene Fläche aufweist die sich in einfacher Weise mit dem Läuferkörper 43 verbinden lässt, z.B. durch Kleben. Die Brotlaibform der oberflächenmontierten Permanentmagnete 41 hat eine bestimmte Außenkontur, die eine sehr geringes Rastmoment erzeugt und die 5., 7., 11. und 13. Harmonischen des Luftspaltflusses minimiert. So wird ein nahezu sinusförmiger Verlauf der Phasen EMK erreicht, die für eine sehr geringer Drehmomentenwelligkeit notwendig ist (wenn sinusförmig Phasenströme verwendet wird).
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Da das Drehmoment einer Maschine nur mit dem Luftspaltfluss erzeugt wird, der mit der Wicklung verkettet ist, soll insbesondere der Anteil der Grundwelle des Luftspaltflusses maximiert werden, um eine elektrische Maschine 1 mit einer hohen Drehmomentendichte zu erhalten. Dafür soll insbesondere die 3. Harmonische in dem Luftspaltfluss zugelassen werden. Die 3. Harmonische ist theoretisch nicht mit den Statorspulen 3 gekoppelt, so dass keine unerwünschten dritten Harmonischen in der Phasen EMK erzeugt werden, weil der 3. harmonische Wicklungsfaktor der verwendeten Wicklung theoretisch (bei einer angenommenen Nutöffnungsbreite von 0) null beträgt. Wenn jedoch ein sehr geringer Anteil der 3. Harmonischen in der Phasen EMK (bei einer finite Breite der Nutöffnungen) auftritt, führt dies nicht zu einem unerwünschten Effekt, weil sich in ideal symmetrischen 3-phasigen Maschinen mit Sternschaltung die 3. Harmonischen der einzelnen Phasen in der verketteten Phasen EMK (zwischen den Klemmen) durch Überlagerung auslöschen.
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Das Verhältnis der Randhöhe hPMe (in radialer Richtung) der Permanentmagneten 41 (Höhe an deren Rändern) zu der Höhe hPMm der Permanentmagneten 41 in ihrer Mitte (in Umfangsrichtung U gesehen) liegt ungefähr zwischen 0,3 und 0,6, insbesondere zwischen 0,4 und 0,5, beispielsweise bei 0,45. Dieses Verhältnis stellt in Verbindung mit dem obigen sinusförmigen Verlauf der Phasen EMK sicher, dass die obige Unterdrückung der 5., 7., 11. und 13. Harmonischen des Luftspaltflusses erreicht wird. Es erhöht zudem die Robustheit der elektrischen Maschine 1 gegenüber Toleranzen bei der Breite der Permanentmagneten 41 und deren Position an dem Läuferkörper 43.
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Das Verhältnis der Randhöhe hPMe der Permanentmagnete 41 zur radialen Höhe hge des Luftspalts an diesem äußeren Rand der Permanentmagnete 41 zum Innendurchmesser des Stators 2 beträgt ungefähr 1, um eine lokale, nicht umkehrbare Entmagnetisierung an den äußeren Rändern der Permanentmagneten 41 bei Volllast zu vermeiden, insbesondere wenn günstige Seltene-Erden-Permanentmagnete geringer Qualität (ohne Dysprosium) verwendet werden. Dieses Verhältnis sollte jedoch nicht weniger als ungefähr 0,9 betragen.
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Die Breite der Permanentmagnete 41 in Umfangsrichtung U wird so groß wie möglich gewählt und überdeckt eine gesamten Polteilung τp abzüglich der Breite von sehr kleinen Positionierungsnasen 44. Das Verhältnis eines Überdeckungswinkels βPM zum Polteilung τp beträgt vorzugsweise zwischen 0,85 und 1, insbesondere 0,88, wobei der Überdeckungswinkel βPM durch die Breite des brotlaibförmigen Permanentmagneten 41 in Umfangsrichtung bestimmt ist.
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Der Läufer 4 kann mit einer Schrägung versehen sein, um die Rastmomente zu reduzieren. Insbesondere kann der Läufer 4 dazu um mehrere, insbesondere 3 axiale Abschnitte unterteilt sein, wobei jeder Abschnitt in Umfangsrichtung U gegenüber dem benachbarten Abschnitt um einen Winkel von 4 bis 6°, insbesondere 5°, versetzt ist.
