DE19856647A1 - Elektrischer Hochmomentmotor - Google Patents
Elektrischer HochmomentmotorInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Hochmomentmotor, der als hochpolige dauermagneterregte elektrische Maschine aufgebaut ist und einen hohlzylindrischen Läufer aus Weicheisen aufweist, der beidseitig mit Permanentmagneten belegt ist und koaxial zwischen einem äußeren Stator und einem inneren Stator angeordnet und mit einer im Maschinengehäuse gelagerten Welle drehfest verbunden ist.
Description
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Hochmomentmotor.
Hochmomentantriebe werden als Direktantriebe für Antriebsaufga
ben eingesetzt, bei denen genaue Positionierung, schnelle Be
schleunigung rotierender Massen oder steife Regelungen mit hoch
überlastbaren Antrieben gefordert werden. Den drei Aufgabenfel
dern entsprechen unterschiedliche Forderungen an die Eigenschaf
ten des Antriebes: So werden für Positionierantriebe eine genaue
Stellung der Winkellage bei vergleichsweise kleinen Drehzahlen
< 100 l/min und hohen Stellmomenten gefordert. Beschleunigungs
antriebe sollen dagegen kleine träge Massen haben und so in kur
zer Zeit auf Drehzahlen < 100 l/min beschleunigen. Antriebe für
steife Regelungen sollen dagegen als hoch überlastbarer Antrieb
eine Nenndrehzahl < 100 l/min gegen Störmomente konstant halten,
wobei häufig ein pendelmomentenfreier Betrieb gefordert wird.
Weitere Forderungen für alle Aufgabenfelder sind eine hohe Aus
nutzung des Antriebes und damit kleine Abmessungen und geringe
Masse. Zusätzlich ist für diese Anwendungen ein hoher relativer
Kurzschlußstrom Ik/IN zu fordern, um sowohl eine ausreichend hohe
Dynamik als auch den Aufwand für den Umrichter für die Beherr
schung der Überlastmomente möglichst klein zu halten. Die zur
Zeit verfügbaren Hochmomentantriebe weisen entweder zu kleine
Drehzahlen bei Überlast oder zu große Masse und Bauvolumen auf.
Auch der Blindleistungsbedarf der vorzugsweise im Ankerstellbe
reich betriebenen Maschinen und damit die Baugröße des erforder
lichen Umrichters muß in vielen Fällen als unbefriedigend ange
sehen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hochmomentmotor
zu schaffen, der sich durch kleine Reaktanz bzw. hohen Kurz
schlußstrom und somit geringen Blindleistungsbedarf für den
speisenden Wechselrichter, geringes Massenträgheitsmoment, klei
ne Abmessungen und hohe Ausnutzung des magnetischen Kreises aus
zeichnet und der durch unterschiedliche Ausgestaltung seiner
Merkmale sowohl für Positionieraufgaben als auch für dynamische
Momentenregelaufgaben eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen
Hochmomentmotor mit folgenden Merkmalen gelöst:
- a) er ist aufgebaut als hochpolige dauermagneterregte elektri sche Maschine;
- b) er weist einen hohlzylindrischen Läufer auf;
- c) der Läufer besteht aus einen magnetischen Rückfluß bilden den Weicheisen;
- d) die innere und die äußere Mantelfläche des Läufers sind mit Läuferpole bildenden Permanentmagneten belegt;
- e) der Läufer ist koaxial zwischen einem äußeren Stator und einem inneren Stator angeordnet;
- f) der Läufer ist an seinem einen axialen Ende über ein Bau teil mit einer im Maschinengehäuse gelagerten Welle dreh fest verbunden und mit seinem anderen axialen Ende im Ma schinengehäuse gelagert.
Verwendet wird somit die elektromagnetische Topologie der poly
phasigen permanentmagneterregten Synchronmaschine oder der per
manentmagneterregten Drehstrom-Synchronmaschine, wobei die Dau
ermagnete direkt am Luftspalt der Maschine angeordnet sind
(Flachmagnetbauweise). Die Topologie der polyphasigen permanent
erregten Synchronmaschine ist dadurch gekennzeichnet, daß einer
bestimmten Zahl von Dauermagnet-Läuferpolen wechselnder Polari
tät eine gleiche, vorzugsweise aber abweichende Zahl diskret
ausgebildeter Statorpole mit jeweils einer auf diesen gewickel
ten Polspule gegenübersteht. Jeder Pol könnte nun individuell
und von der Winkellage des Läufers gesteuert mit Wechselstrom
gespeist werden, so daß ein weitgehend gleichförmiges Drehmoment
entsteht (polyphasige permanentmagneterregte Synchronmaschine
PPSM). Als vorteilhafte Ausgestaltung dieses Konzeptes wird eine
sogenannte dreiphasige Anordnung vorgeschlagen:
Wählt man die Zahl der Ständerpole Zps als ganzzahliges Vielfa ches von drei gemäß Zps = 3 n und die Zahl der Läuferpole Zp1 bei gleichem Multiplikator n als ganzzahliges Vielfaches von vier gemäß Zp1 = 4 n, so können die Ständerpole zu einer dreisträngigen Wicklung verschaltet werden, die vorteilhaft aus einem konven tionellen dreisträngigem Wechselrichter gespeist wird.
Wählt man die Zahl der Ständerpole Zps als ganzzahliges Vielfa ches von drei gemäß Zps = 3 n und die Zahl der Läuferpole Zp1 bei gleichem Multiplikator n als ganzzahliges Vielfaches von vier gemäß Zp1 = 4 n, so können die Ständerpole zu einer dreisträngigen Wicklung verschaltet werden, die vorteilhaft aus einem konven tionellen dreisträngigem Wechselrichter gespeist wird.
Diese Maschinentopologien erlauben eine vergleichsweise hohe
Kraftdichte bei geringem Aufwand von aktiver Masse. Gegenüber
einem Stator mit Drehstromwicklung weist die polyphasige Anord
nung wesentlich kleinere Wickelköpfe und damit eine kürzere Bau
länge auf. Im Gegensatz zu anderen hochpoligen Maschinen, die
nach dem Rekluktanzkonzept oder Transversalflußkonzept aufgebaut
sind, weisen dauermagneterregte Maschinen der PSM oder PPSM Bau
weise mit direkt am Luftspalt angeordneten Dauermagneten (Flach
magnetbauweise) einen hohen Kurzschlußstrom und somit einen ver
gleichsweise kleinen Blindleistungsbedarf auf. Dies bedeutet,
daß solche Maschinen auch unter Überlast noch hohe Drehzahlen
erreichen können, bevor die Spannungsgrenze des Wechselrichters
wirksam wird.
Der Läufer der Maschine wird vorzugsweise als rohrförmiger Läu
fer aus Weicheisen ausgebildet, der auf der Innen- und Außensei
te mit einer gleichen Anzahl einander radial gegenüberliegender
oder zueinander versetzt angeordneter Dauermagnete bestückt
wird, deren Polarität gleich oder entgegengesetzt sein kann.
Damit wird das Trägheitsmoment des Rotors minimal.
Dem Läufer stehen auf der Innenseite und der Außenseite jeweils
ein Stator gegenüber. Dadurch wird eine hohe Volumenausnutzung
des verfügbaren Bauraumes erreicht.
Je nach Antriebsaufgabe können die Statorpole der beiden Stato
ren oder die Läuferpole auch 90° elektrisch zueinander versetzt
angeordnet werden, was die Möglichkeit eröffnet, das Drehmoment
zu vergleichmäßigen, wenn die beiden Statoren gleichphasig aus
einem Wechselrichter gespeist werden.
Die Anordnung mit 90° zueinander versetzten Polen erlaubt jedoch
auch eine Anwendung für Positionieraufgaben hoher Präzision,
wenn die beiden Statoren aus zwei unabhängigen Wechselrichtern
gleichfrequent, jedoch mit variabler Phasenlage gespeist werden.
Je nach Phasenlage der Speisespannungen zueinander bauen die
beiden Statoren dann ein gleichsinniges oder ein gegensinniges
Drehmoment auf, so daß die Differenz beider Drehmomente das re
sultierende Moment bildet, welches nun sehr feinfühlig mit Hilfe
von Strommeßstellen regelbar ist. Mit Hilfe einer hochauflösen
den Lagemessung des Rotors kann so eine exakte Positionierung
des Läufers erreicht werden.
Um hochdynamische Regelaufgaben, z. B. den exakten Gleichlauf
zweier Antriebswellen, zu bewältigen, ist bei dem PPSM Doppel
stator-Konzept ein weiterer Freiheitsgrad durch eine vorteilhaf
te Gestaltung der Statorwicklung gegeben. Eine Aufteilung der
Polspulen in je eine Spule mit einer vergleichsweise hohen Win
dungszahl, die die Durchflutung für das mittlere Grunddrehmoment
bereitstellt und eine weitere, aus einer separaten, regelbaren
Spannungsquelle gleicher Frequenz gespeisten Spule mit einer
vergleichsweise kleinen Windungszahl, die die Durchflutung für
ein Regel-Drehmoment bereitstellt, kann die Dynamik der Momente
regelung verbessern.
Dies ist besonders vorteilhaft möglich, wenn die das Grundmoment
erzeugenden Spulen innerhalb eines Stranges in Reihe geschaltet
werden, die Spulen für das Regelmoment jedoch parallel geschal
tet werden. Auf diese Weise wird über die resultierenden unter
schiedlich großen Induktivitäten der beiden Spulengruppen eine
weitgehende magnetische Entkopplung der beiden Teilwicklungen
erreicht, was der Dynamik der Regelung entgegenkommt.
Der Läufer wird vorzugsweise beidseitig im Gehäuse gelagert.
Damit ist eine präzise Führung auch von vergleichsweise langen
Läufern und die Aufnahme von resultierenden Radialkräften, die
durch unvermeidliche Lageexzentrizitäten des Läufers infolge von
Fertigungstoleranzen entstehen, möglich.
Die Statoren können durch Einschrumpfen oder Einpressen in das
Maschinengehäuse, das vorzugsweise aus Aluminium gefertigt wird,
thermisch gut gekoppelt werden. Das Maschinengehäuse kann mit
Kühlkanälen für eine Flüssigkeitskühlung ausgerüstet werden, so
daß eine effektive Wärmeabführung auch bei hohen Stromdichten
und damit hohen Dauermomenten möglich wird. Gleichzeitig gestat
tet diese Art der Wärmeabfuhr eine hohe Schutzart der Maschine,
beispielsweise IP54 oder gar IP65, ohne die Ausnutzung des elek
tromagnetischen Kreises reduzieren zu müssen.
Die Welle der Maschine kann als Hohlwelle oder als Welle mit
Zapfen ausgeführt werden.
In der Zeichnung ist eine als Beispiel dienende Ausführungsform
der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 im Ausschnitt einen Querschnitt durch Stator und
Läufer und
Fig. 2 im Längsschnitt die obere Hälfte eines Hochmo
mentmotors.
Der Hochmomentmotor gemäß Fig. 2 weist einen hohlzylindrischen
Läufer 4 auf, der aus Weicheisen besteht, koaxial zwischen einem
äußeren Stator 5a und einem inneren Stator 5b angeordnet ist und
an seinem einen axialen Ende über ein glockenförmiges, nichtma
gnetisches Bauteil 9 mit einer in einem Maschinengehäuse 6 gela
gerten Welle 8 drehfest verbunden ist und mit seinem anderen
axialen Ende im Maschinengehäuse 6 über ein Lager 10 gelagert
ist.
Die beiden Statoren 5a, 5b sind in das Maschinengehäuse 6 einge
preßt, das von einem Kühlmittel durchströmte Kühlkanäle 7 auf
weist.
Fig. 1 zeigt die elektromagnetische Topologie einer polyphasi
gen permanentmagneterregten Synchronmaschine. Der Läufer 4 weist
eine bestimmte Zahl von Dauermagnet-Läuferpolen 1 wechselnder
Polarität auf. Diesen Läuferpolen 1 steht eine gleiche, vorzugs
weise aber abweichende Zahl diskret ausgebildeter Statorpole 2
mit jeweils einer auf diesen gewickelten Polspule 3 gegenüber.
Mit U, V und W ist jeweils ein Strang der Stator-Polspulen 3
bezeichnet.
Claims (15)
1. Elektrischer Hochmomentmotor mit folgenden Merkmalen:
- a) er ist aufgebaut als hochpolige dauermagneterregte elektrische Maschine;
- b) er weist einen hohlzylindrischen Läufer (4) auf;
- c) der Läufer (4) besteht aus einen magnetischen Rückfluß bildenden Weicheisen;
- d) die innere und die äußere Mantelfläche des Läufers (4) sind mit Läuferpole (1) bildenden Permanentmagneten belegt;
- e) der Läufer (4) ist koaxial zwischen einem äußeren Sta tor (5a) und einem inneren Stator (5b) angeordnet;
- f) der Läufer (4) ist an seinem einen axialen Ende über ein Bauteil (9) mit einer im Maschinengehäuse (6) ge lagerten Welle (8) drehfest verbunden und mit seinem anderen axialen Ende im Maschinengehäuse (6) gelagert.
2. Hochmomentmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die durch die Permanentmagnete gebildeten Läuferpole
(1) auf der inneren und der äußeren Mantelfläche des Läu
fers (4) die gleiche Polzahl aufweisen.
3. Hochmomentmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der äußere sowie der innere Stator (5a, 5b)
diskret ausgebildete und jeweils mit Spulen (3) bewickelte
Pole (2) aufweisen.
4. Hochmomentmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Polmittenachsen gleichnamiger Statorpole (2) ein
ander gegenüberstehen.
5. Hochmomentmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Polmittenachsen gleichnamiger Statorpole (2) um 90°
elektrisch gegeneinander verschoben sind.
6. Hochmomentmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der äußere sowie der innere Stator (5a, 5b)
jeweils eine in Nuten eingebettete Drehstromwicklung mit
der gleichen Polzahl wie der Läufer (4) aufweisen.
7. Hochmomentmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wicklungsachsen gleicher Stränge der beiden Stato
ren (5a, 5b) einander gegenüberstehen oder um 90°
elektrisch gegeneinander verschoben sind.
8. Hochmomentmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Polmittenachsen gleichnamiger Läuferpole (1) ein
ander gegenüberstehen oder um 90° elektrisch gegeneinander
verschoben sind, während die Polmittenachsen gleichnamiger
Statorpole (2) bzw. die Wicklungsachsen gleicher Stränge
der beiden Statoren (5a, 5b) jeweils miteinander fluchten.
9. Hochmomentmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Polzahl jedes Stators (5a, 5b) ein Vielfaches von
drei ist, und die Gesamtheit aller Polspulen (3) eines Sta
tors (5a, 5b) so auf die Stränge aufgeteilt ist, daß ein an
die Wicklung angelegter Drehstrom ein Drehfeld aufbaut, das
bei beiden Statoren (5a, 5b) den gleichen Umlaufsinn auf
weist.
10. Hochmomentmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Statorpol (2) zwei Pol
spulen (3) mit unterschiedlichen Windungszahlen aufweist,
wobei die Polspulen (3) mit der jeweils höheren Windungs
zahl innerhalb eines Stranges in Reihe, die Polspulen (3)
mit der jeweils kleineren Windungszahl als Regelspulen in
nerhalb eines Stranges parallel geschaltet sind, und daß
beide Spulengruppen eines Stranges gleichphasig aus zwei
unabhängigen, in Spannung und Frequenz regelbaren Dreh
stromquellen gespeist werden, so daß der Strom in den in
Reihe geschalteten Polspulen (3) eines Stranges mit dem
Läufer (4) ein stationäres Drehmoment bildet, und der Strom
in den parallel geschalteten Polspulen (3) eines Stranges
ein dynamisches Regelmoment überlagert.
11. Hochmomentmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Polmittenachsen gleichnamiger Läuferpole (1) um 90°
elektrisch gegeneinander verschoben sind, und daß jeder der
beiden Statoren (5a, 5b) aus einer eigenen Drehstromquelle
mit jeweils gleicher Frequenz aber mit gegeneinander derart
phasenverschobenen Spannungen gespeist wird, daß das Dreh
moment am Läufer (4) als Differenzmoment beider Statoren
(5a, 5b) von Null bis Nennmoment einstellbar ist.
12. Hochmomentmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Statoren (5a, 5b) in
ein Maschinengehäuse (6) eingepreßt sind, das von einem
Kühlmittel durchströmte Kühlkanäle (7) aufweist.
13. Hochmomentmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das den Läufer (4) mit der Wel
le (8) verbindende Bauteil (9) nichtmagnetisch ist.
14. Hochmomentmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das den Läufer (4) mit der Wel
le (8) verbindende Bauteil (9) glockenförmig ausgebildet
ist.
15. Hochmomentmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (8) hohlzylindrisch
ausgebildet ist.
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