WO2008087068A1 - Elektrische maschine, insbesondere synchronmotor mit elektrischer kommutierung - Google Patents

Elektrische maschine, insbesondere synchronmotor mit elektrischer kommutierung Download PDF

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WO2008087068A1
WO2008087068A1 PCT/EP2008/050122 EP2008050122W WO2008087068A1 WO 2008087068 A1 WO2008087068 A1 WO 2008087068A1 EP 2008050122 W EP2008050122 W EP 2008050122W WO 2008087068 A1 WO2008087068 A1 WO 2008087068A1
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pole
electrical machine
claw
coils
machine according
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PCT/EP2008/050122
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Inventor
Wolfgang Krauth
Eckhart Nipp
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H02K1/145—Stator cores with salient poles having an annular coil, e.g. of the claw-pole type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K37/00—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors
    • H02K37/10—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type
    • H02K37/12—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type with stationary armatures and rotating magnets

Definitions

  • the permanent magnets are located in the rotor, which can be designed both as an internal and external rotor.
  • the magnet systems are constructed as axial flow or transversal flow systems.
  • In the stator of the machines single or multi-phase windings are arranged. If low-cost small drives with electronic commutation, so-called EC motors are required, as for example in motor vehicle construction, single-phase machines are frequently used for this, if only one direction of rotation is required, as for example with fans and pumps. Such machines can be produced particularly cost-effectively and easily with a stator in claw-pole design and toroidal coils.
  • stator windings are energized by means of an electronic circuit, an inverter.
  • an inverter Preferably, the classic three-phase bridge circuit according to FIG. 1 is used.
  • the three phase windings of the motor can then be used in both star and
  • the present solution seeks to produce a multi-phase electronically commutated synchronous motor on the one hand as cost effective and compact and on the other hand to be able to power with the usual inverter in three-phase bridge circuit.
  • a particularly easy to manufacture and compact design of the Klauenpol- magnet system is achieved in that between the two toroidal coils two adjacent pole plates are arranged, each having opposite to each other to form a claw pole angled claws.
  • the two toroidal coils are arranged axially adjacent to one another and the pole plates attached to the end faces of the coils, so that the claw poles protrude axially over both annular coils.
  • the toroidal coils are the same design and can thus be manufactured by winding machines in high numbers.
  • a high efficiency of the machine is achieved by the fact that the claw poles are guided over the entire length of the working air gap.
  • the pole disks are expediently punched with their claw poles of sheets and formed by deep drawing. Expediently, the width and thickness of the claw poles remain the same over their entire length. This results in a magnetically uniform sequence of three claw poles along the circumference at the working air gap. This leads to a rotating field with 60 ° or 120 ° electrically shifted clocks with a corresponding phase shift of the output from the inverter three-phase voltages.
  • the concept of an EC synchronous motor with a two-stator winding can be realized both with a two-pole and with a multi-pole rotor, that is, with one or more distributed over the circumference of the rotor magnetic pole pairs.
  • Equally variable is the number of claw poles respectively formed on the pole discs.
  • an at least two-pole, preferably four-pole rotor pole pieces which are each provided with at least two, preferably four claw poles.
  • an EC synchronous motor with external rotor can be arranged with the toroidal coils on a magnetically conductive axis in an advantageous manner, in which case the pole disks of Klauenpolsystems are attached to the magnetic yoke on the axis, the free end has a bearing point for a cup-shaped external rotor ,
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement for a three-phase EC motor according to the
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a two-strand EC motor according to the invention in external rotor design
  • FIG. 3 shows the stator of the machine with the claw pole system in an enlarged spatial representation
  • FIG. 4 shows the stator from FIG. 3 in exploded view
  • FIG. 5 shows the circuit arrangement of the EC motor according to FIG. 2 with a three-phase converter
  • FIG. 6 shows a diagram with the voltage and current profiles of the three phases on the two coils of the EC motor and FIGS. 7a to 7c each show a development of the claw pole system and the permanent magnets of FIG
  • the designated 10 in Figure 1 circuit arrangement shows a known three-phase EC synchronous motor 11 with permanently magnetically excited rotor I Ia, whose - A -
  • three stator windings 1 Ib are usually supplied by the three phase outputs R, S, T of an inverter 12 in bridge circuit via electronically controllable semiconductor switch 13.
  • the inverter 12 is connected on the input side to a DC power source 14.
  • About the semiconductor switch 13 can be speed and direction of rotation and the rest position of the runner control.
  • FIG. 2 shows the schematic structure of such a synchronous motor 15 in longitudinal section in an external rotor design.
  • Its stator 16 is mounted on a rigid shaft 17 and consists of a multi-phase winding 18, which is bordered by a claw pole 19.
  • Its cup-shaped rotor 20 made of soft magnetic material is fixed with its hub on a drive shaft 21 of the machine, which is aligned with the axis 17 of the stator.
  • the free end 17 a of the attached to a bracket 17 b axis 17 is formed as a bearing point 22 for the cup-shaped rotor 20.
  • the winding 18 consists of two toroidal coils 29, 30th
  • the claw pole system 19 of the stator 16 consists of four annular pole plates 25 to 28, each of which surrounds one of two axially juxtaposed ring coils 29 and 30 in pairs.
  • claw poles 31 and 32 are bent at right angles axially at each outer periphery.
  • Ring coils 29 and 30, the two adjacent pole plates 27 and 28 are arranged. They each have two mutually oppositely axially angled claws 33a, 33b to form a claw pole 33.
  • the uniformly distributed over the circumference in alternating sequence engage each other and thereby along the working air gap 24 protrude axially over both annular coils 29 and 30. It can be seen from FIG. 2 that the claw poles are guided over the entire length of the working air gap 24 predetermined by the permanent magnets 28 of the rotor.
  • the pole plates 25 to 28 are punched with their claw poles 31 to 33 in a simple manner from soft magnetic sheets and formed by deep drawing. Thickness and width of the claw poles 31 to 33 remain constant over their entire axial length.
  • the pole plates 25 to 28 are joined together axially with the two annular coils 29 and 30 and on the axis 17 made of soft magnetic material, so that the axis 17 forms the magnetic yoke for the claw pole system of the stator 16.
  • FIG. 5 shows the circuit arrangement for supplying the two-phase EC synchronous motor 15 according to FIG. 2. It can be seen that the two ring coils 29, 30 arranged next to one another are connected in series, their connection 34 and their coil starts each one of the three phase connections R, S, T form. These connections are connected in the same way as in FIG. 1 to the outputs of a three-bridge converter 12.
  • the operation of the synchronous motor 15 will now be explained with the aid of Figures 6 and 7a to 7c.
  • the ring coils 29, 30 are cyclically energized via the inverter 12 in six cycles as in machines with three coils according to the prior art.
  • an energizing cycle of three cycles is chosen for the simplified representation of the mode of action.
  • the DC voltage at the input of the inverter 12 is given by a clocked control of the semiconductor switch 13 in cyclic alternating sequence as rectangular pulses on the phase outputs R, S and T, to control the speed of the pulse length is variable.
  • the first voltage pulse Ul then passes through the phase output R to the toroidal coil 29.
  • a current flows via the upper semiconductor switch 13 of the left bridge via the connection R through the first ring coil 29 and there via the connection S and the lower semiconductor switch 13 of the middle
  • a second voltage pulse U2 occurs at the connection S, which is supplied via the connection 34 to both coils 29 and 30.
  • This voltage now drives a current through the upper semiconductor switch 13 of the middle bridge and the
  • Terminal S in the reverse direction, that is from the coil ends forth simultaneously by both coils and 29 and 30 with closed lower semiconductor switches in the left and right bridge.
  • a third voltage pulse U3 occurs at the terminal T of the left bridge, which now drives a current through the second coil 30 via the upper semiconductor switch 13 of the right bridge, via the terminal S and the lower semiconductor switch 13 of the middle bridge to the negative terminal of the DC power source 14 is performed.
  • These voltage and current waveforms are shown in the diagram of Figure 6 and repeat in a temporally cyclic sequence.
  • the polarities occurring at the claw poles 31 to 33 of the synchronous motor 15 cooperate with the permanent magnets 23 of the rotor 20 in such a way that it is driven in a direction of rotation predetermined by the pulse sequence.
  • FIG. 7a shows the polarization of the claw poles of the synchronous motor 15 from FIG. 1 at the time a in the diagram according to FIG.
  • a current flows in the forward direction, which forms a north pole N via the left pole plate 25 at the claw poles 31.
  • a south pole S are formed by the same current flow in the coil 29 via the two inner pole plates 27 and 28 respectively on the claws 33a and 33b of the middle claw pole 33.
  • each pole pair of the rotor 20 is assigned a respective claw pole 31, 32 and 33 of the claw pole system 19.
  • the polarity of the stator 16 produced by the current flow in the left-hand ring coil 39 results in the position of the rotor 20 shown in FIG. 7a at the time a, the south pole S of the rotor 20 facing the north pole of the claw pole 31.
  • the adjacent north pole N of the rotor 20 is each half opposite the south pole S of the middle claw pole 33 and the weaker south pole (S) of the left claw pole 32.
  • Rotor 20 is rotated from the position shown in Figure 7a in the direction of arrow 35 until finally at the time b (according to Figure 6), the position shown in Figure 7b is reached.
  • the permanent magnetic south pole S of the rotor 20 is opposite the north pole N of the middle claw pole 33 and the adjacent north pole N of the rotor 20 is half opposite a south pole S of the claw pole 32 and a south pole S of the claw pole 31.
  • Claw pole 32 a north pole N formed.
  • a south pole S is formed at the middle claw pole 33.
  • part of the magnetic flux of the right annular coil 30 is directed through the left annular coil 29 to the left pole plate 25 and forms there at Klauenpol 31 a weaker south pole (S).
  • the rotor 20 is further rotated out of the position according to FIG. 7b in the direction of the arrow 35 until it reaches the position shown in FIG. 7c at the time c (according to FIG. 6).
  • the permanent magnetic south pole of the rotor 20 of the north pole N of the claw pole 32 to the right pole plate 26 and the adjacent north pole N of the rotor 22 is in each case half south pole S of the middle claw pole 33 and the weaker south pole (S) of the claw pole 31 at the left pole plate 25 opposite.
  • the invention is not limited to the illustrated and described embodiment of an EC synchronous motor 15 with eight-pole external rotor.
  • the number of pole pairs in Klauenpolsystem can, as is generally the case with Klauenpolanssenen, largely freely chosen without additional effort.
  • the items can be relatively easily assembled by axial joining to a compact stator, for Klauenpolsystem only two different laminations are required by the two outer pole plates are provided with long claw poles and the two inner pole plates with short jaws, the pairs one each form the middle claw pole.
  • this claw pole version can also be realized on an internal rotor motor.
  • the working air gap is arranged on the inner circumference of the two annular coils, so that the claw poles protrude there along the working air gap over the two toroidal coils.
  • the magnetic circuit is closed by a to be attached to the outer circumference of the toroidal coils return ring made of soft magnetic material, which connects the pole plates on the outer circumference. Due to the phase shift of the adjacent claw poles by 120 ° electrically, the
  • Synchronous motor can be controlled with conventional three-phase voltages. In this case, it is fundamentally irrelevant whether a block commutation, a sine-wave control or another three-phase current application method is used.
  • the synchronous motor according to the invention forms a symmetrical three-phase machine with regard to the upstream converter. This results in three equal induced voltages between the converter bridges, which are electrically out of phase with each other by 120 °.
  • the inductances between the inverter bridges are identical. The prerequisite for this, however, is that the magnetic circuit is not significantly saturated. However, should arise due to the resistive asymmetry in the control of the synchronous motor irregularities, they can be optionally eliminated by appropriate controls of the semiconductor switches.
  • the firing angle and block length can be made asymmetrical.
  • the synchronous motor according to the invention with electronic commutation can be used for all possible drives.
  • a preferred field of application results in smaller actuators, especially in motor vehicles with a DC power supply.
  • claw pole systems with multi-layered electrical sheets can be used. This allows the active surface of the claw poles in the working air gap and the claw pole thickness to be adapted to the magnetic requirements.
  • the electronically commutated synchronous motor is equipped only with a two-strand stator winding, which acts together with a common Klauenpolsystem and works as the three-phase synchronous motor.

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen EC-Synchronmotor mit Permanterregung im Läufer (20) und mehrphasiger Wicklung (18) in einem Klauenpolsystem (19) des Stators (16) und drei Anschlüssen für einen dreiphasigen Wechselrichter. Für einen kompakten und einfach herstellbaren Stator wird vorgeschlagen, die Wicklung (18) aus zwei nebeneinander angeordneten und zueinander in Reihe geschalteten Ringspulen (29, 30) auszubilden, deren Verbindung und deren Anfänge je einen der drei Anschlüsse bilden sowie an den äusseren und inneren Stirnseiten der beiden Ringspulen (29, 30) ringförmige Polplatten (25 bis 28) anzuordnen, von denen aus in wechselnder Folge jeweils ein Klauenpol (31, 32, 33) entlang des Arbeitsluftspaltes (24) über mindestens eine der beiden Ringspulen hinwegragt.

Description

Beschreibung
Titel
Elektrische Maschine, insbesondere Synchronmotor mit elektrischer Kommutierung
Stand der Technik
Für drehzahlgeregelte elektrische Antriebe werden heute immer häufiger elektronisch kommutierte Synchronmotoren mit permanent magnetischer Erregung eingesetzt. Dabei befinden sich die Permanentmagnete im Rotor, der sowohl als Innen- als auch als Außenläufer ausgeführt sein kann. Die Magnetsysteme sind dabei als Axialfluss- oder Transversalfluss- Systeme aufgebaut. Im Stator der Maschinen sind ein- oder mehrphasige Wicklungen angeordnet. Werden möglichst kostengünstige Kleinantriebe mit elektronischer Kommutierung, so genannte EC-Motore benötigt, wie zum Beispiel in Kraftfahrzeugbau, werden hierfür häufig einphasige Maschinen eingesetzt, sofern nur eine Drehrichtung erforderlich ist, wie zum Beispiel bei Lüftern und Pumpen. Besonders kostengünstig und leicht lassen sich solche Maschinen mit einem Stator in Klauenpolausführung und Ringspulen herstellen. Bei mehrphasigen Maschinen, wie sie für einen Reversierbetrieb erforderlich sind, werden die Statorwicklungen mittels einer elektronischen Schaltung, einem Umrichter, bestromt. Vorzugsweise kommt dabei die klassische dreiphasige Brückenschaltung gemäß Figur 1 zum Einsatz. Die drei Phasenwicklungen des Motors können dann sowohl in Stern als auch im
Dreieck verschaltet sein.
Um die Vorteile von mehrphasigen Maschinen, wie geringe Pendelmomente und Reversierbetrieb, mit den fertigungstechnischen Vorzügen der Klauenpolausführung und Ringspule des Stators zu kombinieren, werden üblicherweise so viele identische Klauenpolsysteme wie Phasen erwünscht sind, axial nebeneinander und um den Phasenverschiebungswinkel zueinander verdreht angeordnet und mit einer dreiphasigen Umrichter-Brückenschaltung bestromt. Eine solche bekannte elektrische Maschine zeigt die US 6765321 B2. Offenbarang der Erfindung
Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, einen mehrphasigen elektronisch kommutierten Synchronmotor einerseits möglichst kostengünstig und kompakt herzustellen und andererseits mit dem üblichen Umrichter in dreiphasiger Brückenschaltung bestromen zu können.
Bei derartigen EC-Synchronmotoren wird aufgrund der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gegenüber einem Motor mit dreisträngigem Stator eine Ringspule mitsamt den Klauenpolen weggelassen. Durch die derart geänderte Klauenpolanordnung werden die elektromagnetischen Verhältnisse weitgehend beibehalten. Das hat den Vorteil einer erheblichen Kosteneinsparung bei der Herstellung der Maschine. Außerdem werden durch das gemeinsame Magnetsystem für beide Spulen die bisher benötigten Klauenpolpaare für jede Spule einer mehrsträngigen Maschine überflüssig. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei der nunmehr zweisträngigen Maschine ein erheblich kürzer bauender Stator verwendet wird, was eine kompakte Bauweise der Maschine zur Folge hat. Die Maschine kann außerdem wie üblich über einen dreiphasigen Umrichter im Reversierbetrieb arbeiteten.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.
Eine besonders einfach herzustellende und kompakte Ausbildung des Klauenpol- Magnetsystems wird dadurch erreicht, dass zwischen den beiden Ringspulen zwei aneinander liegende Polplatten angeordnet sind, die jeweils zur Bildung eines Klauenpoles zueinander entgegengesetzt abgewinkelte Klauen haben. Bei einem Synchronmotor mit axialem Arbeitsluftspalt werden zu Erzielung einer kompakten Bauform die beiden Ringspulen axial nebeneinander angeordnet und die Polplatten an den Stirnseiten der Spulen befestigt, so dass die Klauenpole axial über beide Ringspulen hinwegragen. Die Ringspulen sind gleich ausgebildet und können somit von Wickelmaschinen in hoher Taktzahl gefertigt werden. Einen hohen Wirkungsgrad der Maschine erreicht man dadurch, dass die Klauenpole über die gesamte Länge des Arbeitsluftspaltes geführt sind. Zur kostengünstigen Herstellung des Magnetsystems werden zweckmäßigerweise die Polscheiben mit ihren Klauenpolen aus Blechen gestanzt und mittels Tiefziehen geformt. Zweckmäßigerweise bleiben dabei Breite und Dicke der Klauenpole über ihre gesamte Länge gleich. Dadurch ergibt sich eine magnetisch gleichmäßige Folge von drei Klauenpolen entlang des Umfangs am Arbeitsluftspalt. Dies führt zu einem Drehfeld mit 60° oder 120° elektrisch zueinander verschobenen Takten bei entsprechender Phasenverschiebung der vom Umrichter abgegebenen dreiphasigen Spannungen. Das Konzept eines EC-Synchronmotors mit zweisträngiger Statorwicklung lässt sich sowohl mit einem zweipoligen als auch mit einem mehrpoligen Läufer realisieren, das heißt mit einem oder mehreren über den Umfang des Läufers verteilt angeordneten Magnetpolpaaren. Ebenso variabel ist die Anzahl der an den Polscheiben jeweils ausgebildeten Klauenpole. Zur Erzielung kleiner Drehschritte und geringer Pendelmomente ist es daher vorteilhaft, bei einem mindestens zweipoligen, vorzugsweise vierpoligen Läufer, Polscheiben zu verwenden, die jeweils mit mindestens zwei, vorzugsweise vier Klauenpolen versehen sind. Bei einem EC-Synchronmotor mit Außenläufer kann in vorteilhafterweise der Stator mit den Ringspulen auf einer magnetisch leitfähigen Achse angeordnet werden, wobei dann die Polscheiben des Klauenpolsystems für den magnetischen Rückschluss auf der Achse befestigt sind, deren freies Ende eine Lagerstelle für einen topfförmig ausgebildeten Außenläufer aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Schaltungsanordnung für einen dreisträngigen EC-Motor gemäß dem
Stand der Technik,
Figur 2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen zweisträngigen EC-Motor in Außenläufer-Bauweise,
Figur 3 den Stator der Maschine mit dem Klauenpolsystem in vergrößerter raumbildlicher Darstellung,
Figur 4 den Stator aus Figur 3 in Explosions-Darstellung,
Figur 5 die Schaltungsanordnung des EC-Motors nach Figur 2 mit einem dreiphasigen Umrichter,
Figur 6 ein Diagramm mit den Spannungs- und Stromverläufen der drei Phasen an den beiden Spulen des EC-Motors und Figur 7a bis 7c je eine Abwicklung des Klauenpolsystems und der Permanentmagnete des
Läufers mit den phasenabhängig wechselnden Polaritäten der Klauenpole.
Ausführungsformen der Erfindung
Ausgehend von einer bekannten Schaltungsanordnung eines EC-Synchronmotors mit dreiphasigem Umrichter gemäß Figur 1 wird die Erfindung mit einem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 bis 5 sowie die Wirkungsweise mit Hilfe der Figuren 6 und 7a bis 7c näher erläutert.
Die in Figur 1 mit 10 bezeichnete Schaltungsanordnung zeigt einen an sich bekannten dreisträngigen EC-Synchronmotor 11 mit permanent magnetisch erregtem Läufer I Ia, dessen - A -
drei Statorwicklungen 1 Ib in üblicherweise von den drei Phasenausgängen R, S, T eines Umrichters 12 in Brückenschaltung über elektronisch steuerbare Halbleiterschalter 13 versorgt werden. Der Umrichter 12 ist dabei eingangsseitig an eine Gleichstromquelle 14 angeschlossen. Über die Halbleiterschalter 13 lassen sich Drehzahl und Drehrichtung sowie die Ruhelage des Läufers steuern.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich diese Funktionen nunmehr auch durch eine zweisträngige Ausführung des Synchronmotors realisieren, wodurch eine Spule mitsamt ihrem Magnetsystem im Stator eingespart wird. Figur 2 zeigt den schematischen Aufbau eines solchen Synchronmotors 15 im Längsschnitt in einer Außenläufer-Bauweise. Sein Stator 16 ist auf einer starren Achse 17 befestigt und besteht aus einer mehrphasigen Wicklung 18, die von einem Klauenpolsystem 19 eingefasst ist. Sein topfförmig ausgebildeter Läufer 20 aus weichmagnetischem Material ist mit seiner Nabe auf einer Antriebswelle 21 der Maschine befestigt, die mit der Achse 17 des Stators fluchtet. Das freie Ende 17a der an einer Konsole 17b befestigten Achse 17 ist dabei als Lagerstelle 22 für den topfförmigen Läufer 20 ausgebildet.
Am Innenumfang des topfförmigen Läufers sind acht radial magnetisierte Permanentmagnete 23 mit abwechselnder Polarität über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet. Stator 16 und Läufer 20 wirken dabei über einen axialen Arbeitsluftspalt 24 zusammen. Die Wicklung 18 besteht dabei aus zwei Ringspulen 29, 30.
Anhand der Figuren 3 und 4 wird der erfindungsgemäße Aufbau des Stators 16 näher erläutert. Das Klauenpolsystem 19 des Stators 16 besteht aus vier ringförmigen Polplatten 25 bis 28, die jeweils paarweise eine von zwei axial nebeneinander angeordneten Ringspulen 29 und 30 einfassen. Von den stirnseitig außen liegenden beiden Polplatten 25 und 26 sind jeweils am Außenumfang Klauenpole 31 und 32 rechtwinklig axial abgebogen. Zwischen den beiden
Ringspulen 29 und 30 sind die zwei aneinander liegenden Polplatten 27 und 28 angeordnet. Sie haben jeweils zur Bildung eines Klauenpoles 33 zwei zueinander entgegengesetzt axial abgewinkelte Klauen 33a, 33b. An den beiden äußeren Polplatten 25 und 26 sowie an den inneren Polplatten 27, 28 zwischen den Ringspulen 29, 30, sind jeweils vier Klauenpole 31, 32 und 33 ausgebildet, die gleichmäßig über den Umfang verteilt in wechselnder Folge ineinander greifen und dabei entlang des Arbeitsluftspaltes 24 über beide Ringspulen 29 und 30 axial hinwegragen. Aus Figur 2 ist erkennbar, dass die Klauenpole dabei über die gesamte durch die Permanentmagnete 28 des Läufers vorgegebene Länge des Arbeitsluftspaltes 24 geführt sind. Die Polplatten 25 bis 28 sind mit ihren Klauenpolen 31 bis 33 in einfach herstellbarer Weise aus weichmagnetischen Blechen gestanzt und mittels Tiefziehen geformt. Dabei bleiben Dicke und Breite der Klauenpole 31 bis 33 über ihre gesamte axiale Länge konstant. Die Polplatten 25 bis 28 werden mit den beiden Ringspulen 29 und 30 axial zusammengefügt und an der Achse 17 aus weichmagnetischem Material befestigt, so dass die Achse 17 den magnetischen Rückschluss für das Klauenpolsystems des Stators 16 bildet.
Figur 5 zeigt die Schaltungsanordnung zur Versorgung des zweisträngigen EC-Synchronmotors 15 nach Figur 2. Dort ist erkennbar, dass die zwei nebeneinander angeordneten Ringspulen 29, 30 zueinander in Reihe geschaltet sind, wobei deren Verbindung 34 und deren Spulenanfänge je einen der drei Phasenanschlüsse R, S, T bilden. Diese Anschlüsse werden in gleicher Weise wie in Figur 1 mit den Ausgängen eines Drei-Brücken-Umrichters 12 verbunden.
Die Wirkungsweise des Synchronmotors 15 soll nunmehr mit Hilfe der Figuren 6 und 7a bis 7c erläutert werden. Üblicher Weise werden die Ringspulen 29, 30 über den Umrichter 12 wie bei Maschinen mit drei Spulen gemäß dem Stand der Technik in sechs Takten zyklisch bestromt. Im Folgenden wird jedoch zur vereinfachten Darstellung der Wirkungsweise ein Bestromungs- Zyklus von drei Takten gewählt.
Gemäß Figur 6 wird dazu die Gleichspannung am Eingang des Umrichters 12 durch eine getaktete Ansteuerung der Halbleiterschalter 13 in zyklisch abwechselnder Folge als Rechteckimpulse auf die Phasenausgänge R, S und T gegeben, wobei zur Steuerung der Drehzahl die Impulslänge variabel ist. Der erste Spannungsimpuls Ul gelangt dabei über den Phasenausgang R zur Ringspule 29. Dadurch fließt nunmehr über den oberen Halbleiterschalter 13 der linken Brücke ein Strom über den Anschluss R durch die erste Ringspule 29 und vor dort über den Anschluss S und den unteren Halbleiterschalter 13 der mittleren Brücke zum Minuspol der Gleichstromquelle 14. Danach tritt ein zweiter Spannungsimpuls U2 am Anschluss S auf, der über die Verbindung 34 beiden Spulen 29 und 30 zugeführt wird. Diese Spannung treibt nunmehr einen Strom über den oberen Halbleiterschalter 13 der mittleren Brücke und den
Anschluss S in umgekehrter Richtung, das heißt von den Spulenenden her gleichzeitig durch beide Spulen und 29 und 30 bei geschlossenen unteren Halbleiterschaltern in der linken und rechten Brücke. Danach tritt ein dritter Spannungsimpuls U3 am Anschluss T der linken Brücke auf, der nunmehr durch die zweite Spule 30 über den oberen Halbleiterschalter 13 der rechten Brücke einen Strom treibt, der über den Anschluss S und den unteren Halbleiterschalter 13 der mittleren Brücke zum Minuspol der Gleichstromquelle 14 geführt wird. Diese Spannungs- und Stromverläufe sind im Diagramm nach Figur 6 dargestellt und wiederholen sich in zeitlich zyklischer Folge. Die dabei an den Klauenpolen 31 bis 33 des Synchronmotors 15 auftretenden Polaritäten wirken mit den Permanentmagneten 23 des Läufers 20 derart zusammen, dass dieser in einer durch die Impulsfolge vorgegebenen Drehrichtung angetrieben wird. Mit Hilfe der Figuren 7a bis 7c wird diese Wirkungsweise näher erläutert. Sie zeigen die Abwicklung einer Klauenpolfolge des Stators 16 im Zusammenwirken mit den Permanentmagneten 23 des Läufers 20. In Figur 7a ist die Polarisierung der Klauenpole des Synchronmotors 15 aus Figur 1 zum Zeitpunkt a im Diagramm nach Figur 6 dargestellt. Danach fließt in der ersten Ringspule 29 ein Strom in Vorwärtsrichtung, der über die linke Polplatte 25 an deren Klauenpolen 31 einen Nordpol N ausbildet. Dementsprechend werden vom gleichen Stromfluss in der Spule 29 über die beiden inneren Polplatten 27 und 28 jeweils an den Klauen 33a und 33b des mittleren Klauenpols 33 ein Südpol S ausgebildet. Da die linke Ringspule 30 keinen Strom führt, durchsetzt ein Teil des Magnetflusses der rechten Ringspule 29 auch die linke Spule und bildet über die linke Polplatte 26 einen weiteren, schwächeren Südpol (S) am Klauenpol 32 aus. Bei dem achtpoligen Läufer 20 und den zwölf Klauenpolen 31 bis 33 gemäß Figur 3 sind jedem Polpaar des Läufers 20 je ein Klauenpol 31, 32 und 33 des Klauenpolsystems 19 zugeordnet. Dabei ergibt sich durch die vom Stromfluss in der linken Ringspule 39 erzeugte Polarität des Stators 16 zum Zeitpunkt a die in Figur 7a dargestellte Position des Läufers 20, wobei dem Südpol S des Läufers 20 der Nordpol des Klauenpols 31 gegenüber steht. Der benachbarte Nordpol N des Läufers 20 steht dagegen je zur Hälfte dem Südpol S des mittleren Klauenpols 33 und dem schwächeren Südpol (S) des linken Klauenpols 32 gegenüber.
Sobald nun vom Umrichter 12 ein weiterer Spannungsimpuls U2 auf den Anschluss S gegeben wird, wird damit auch der Strom in den Ringspulen 29 und 30 umgeschaltet. Es fließt nun durch beide Ringspulen 29 und 30 ein Strom in Rückwärtsrichtung und dadurch wird gemäß Figur 7b am Klauenpol 31 der linken Polplatte 25 die Polarität gewechselt und ein Südpol S ausgebildet. In gleicher Weise wird auch durch den Strom in der rechten Ringspule 30 am Klauenpol 32 der rechten Polplatte 26 ein Südpol S ausgebildet. Die innerhalb der beiden Ringspulen 29 und 30 erzeugten Magnetflüsse sind nun entgegen gerichtet und bilden über die beiden inneren Polplatten 27 und 28 am mittleren Klauenpol 33 einen Nordpol N aus. Dadurch wird nun der
Läufer 20 aus der Position gemäß Figur 7a in Richtung des Pfeiles 35 gedreht, bis schließlich zur Zeit b (gemäß Figur 6) die Position gemäß Figur 7b erreicht wird. Hier steht nun der permanentmagnetische Südpol S des Läufers 20 dem Nordpol N des mittleren Klauenpols 33 gegenüber und der benachbarte Nordpol N des Läufers 20 steht jeweils zur Hälfte einem Südpol S des Klauenpols 32 sowie einem Südpol S des Klauenpols 31 gegenüber.
Sobald nun am Anschluss T ein weiterer Spannungsimpuls U3 auftritt, wird der Stromfluss in der linken Spule 29 gemäß Figur 6 abgeschaltet und in der rechten Ringspule 30 in Vorwärtsrichtung umgeschaltet. Dadurch findet an dieser Ringspule 30 eine Flussrichtungsumkehr statt. Gemäß Figur 7c wird dadurch über die rechte Polplatte 26 am
Klauenpol 32 ein Nordpol N ausgebildet. Über die beiden inneren Polplatten 27, 28 wird am mittleren Klauenpol 33 ein Südpol S ausgebildet. Außerdem wird ein Teil des Magnetflusses der rechten Ringspule 30 durch die linke Ringspule 29 hindurch zur linken Polplatte 25 gelenkt und bildet dort am Klauenpol 31 einen schwächeren Südpol (S). Dadurch wird der Läufer 20 aus der Position gemäß Figur 7b heraus in Richtung des Pfeiles 35 weitergedreht, bis er zum Zeitpunkt c (gemäß Figur 6) die in Figur 7c dargestellte Position erreicht. Nunmehr steht dem permanentmagnetischen Südpol des Läufers 20 der Nordpol N des Klauenpols 32 an der rechten Polplatte 26 gegenüber und der benachbarte Nordpol N des Läufers 22 steht jeweils zur Hälfte dem Südpol S des mittleren Klauenpols 33 sowie dem schwächeren Südpol (S) des Klauenpol 31 an der linken Polplatte 25 gegenüber.
Bei der weiteren zyklischen Fortschaltung der Spannungsimpulse Ul bis U3 gemäß Figur 6 wird nunmehr der Läufer 20 in Richtung des Pfeiles 35 schrittweise weitergedreht.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel eines EC- Synchronmotors 15 mit achtpoligem Außenläufer beschränkt. Die Anzahl der Polpaare im Klauenpolsystem kann, wie allgemein bei Klauenpolanordnungen, ohne Mehraufwand weitgehend frei gewählt werden. Die Einzelteile lassen sich dabei relativ leicht durch axiales Fügen zu einem kompakten Stator zusammenbauen, wobei für das Klauenpolsystem nur zwei verschiedene Blechschnitte erforderlich sind, indem die beiden äußeren Polplatten mit langen Klauenpolen und die beiden inneren Polplatten mit kurzen Klauen versehen sind, die paarweise jeweils einen mittleren Klauenpol bilden. Ebenso lässt sich diese Klauenpolausführung auch an einem Innenläufermotor realisieren. Dabei wird der Arbeitsluftspalt am Innenumfang der beiden Ringspulen angeordnet, so dass die Klauenpole dort entlang des Arbeitsluftspaltes über die beiden Ringspulen hinwegragen. Der magnetische Kreis wird dabei durch einen am Außenumfang der Ringspulen anzubringenden Rückschlussring aus weichmagnetischem Material geschlossen, der die Polplatten am Außenumfang miteinander verbindet. Aufgrund der Phasenverschiebung der benachbarten Klauenpole um jeweils 120° elektrisch kann der
Synchronmotor mit üblichen dreiphasigen Spannungen angesteuert werden. Hierbei ist es prinzipiell unerheblich, ob eine Blockkommutierung, eine Sinussteuerung oder ein anderes dreiphasiges Bestromungsverfahren eingesetzt wird. Bis auf die ohmschen Widerstände bildet der erfindungsgemäße Synchronmotor im Hinblick auf den vorgeschalteten Umrichter eine symmetrische dreiphasige Maschine. Dabei ergeben sich drei gleiche induzierte Spannungen zwischen den Umrichterbrücken, die zueinander um 120° elektrisch phasenverschoben sind. Ebenso sind die Induktivitäten zwischen den Umrichterbrücken identisch. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass der Magnetkreis nicht signifikant gesättigt wird. Sollten sich jedoch aufgrund der resistiven Asymmetrie bei der Ansteuerung des Synchronmotors Ungleichmäßigkeiten ergeben, können diese gegebenenfalls durch geeignete Ansteuerungen der Halbleiterschalter beseitigt werden. So können zum Beispiel bei einer Blockkommutierung Zündwinkel und Blocklänge asymmetrisch gestaltet werden. Als Halbleiterschalter können Grundsätzlich ist der erfindungsgemäße Synchronmotor mit elektronischer Kommutierung für alle möglichen Antriebe einsetzbar. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ergibt sich jedoch bei kleineren Stellmotoren, insbesondere in Kraftfahrzeugen mit einem Gleichstrom- Versorgungsnetz. Für Antriebe mit größerer Leistung können Klauenpolsysteme mit mehrlagigen Elektroblechen verwendet werden. Damit lassen sich die aktive Oberfläche der Klauenpole im Arbeitsluftspalt sowie die Klauenpoldicke den magnetischen Notwendigkeiten anpassen. Bei allen Varianten ist jedoch gleichermaßen erfindungswesentlich, dass der elektronisch kommutierte Synchronmotor nur noch mit einer zweisträngigen Statorwicklung ausgerüstet ist, die mit einem gemeinsamen Klauenpolsystem zusammen wirkt und die wie beim dreisträngigen Synchronmotor arbeitet.

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine, insbesondere elektronisch kommutierter Synchronmotor (15) mit einer Permanterregung im Läufer (20) und mit einer mehrphasigen Wicklung (18) im Stator (16), die von einem Klauenpolsystem (19) eingefasst ist und drei Anschlüsse (R, S, T) für einen dreiphasigen Wechselrichter (12) aufweist, wobei Läufer und Stator über einen Arbeitsluftspalt (24) zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrphasige Wicklung (18) aus zwei nebeneinander angeordneten und zueinander in Reihe geschalteten Ringspulen (29, 30) besteht, deren Verbindung (34) und deren Anfänge je einen der drei Anschlüsse (R, S, T) bilden und dass an den äußeren und inneren Seiten der beiden Ringspulen (29, 30) ringförmige Polplatten (25 bis 28) angeordnet sind, von denen aus in wechselnder Folge jeweils ein Klauenpol (31, 32, 33) entlang des Arbeitsluftspaltes (24) über mindestens eine der beiden Ringspulen (29, 30) hinwegragt.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Ringspulen (29, 30) zwei aneinander liegende Polplatten (27, 28) angeordnet sind, die jeweils zur Bildung eines Klauenpoles (33) zueinander entgegengesetzt abgewinkelte Klauen (33a, 33b) haben.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Synchronmotor (15) mit axialem Arbeitsluftspalt (24) die beiden Ringspulen (29, 30) axial nebeneinander angeordnet sind und dass die Polplatten (25 bis 28) an den Stirnseiten der Ringspulen (29, 30) befestigt sind, so dass die Klauenpole (31, 32, 33) axial über beide Ringspulen (29, 30) hinwegragen.
4. Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klauenpole (31, 32, 33) über die gesamte Länge des Arbeitsluftspaltes (24) geführt sind.
5. Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polplatten (25 bis 28) mit ihren Klauenpolen (31, 32, 33) aus Blechen gestanzt und mittels Tiefziehen geformt sind.
6. Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Dicke und Breite der Klauenpole (31, 32, 33) über ihre gesamte Länge gleich bleiben.
7. Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem mehrpoligen, vorzugsweise achtpoligen Läufer (20) die Polplatten (25 bis 28) jeweils mit mindestens einem, vorzugsweise mit vier Klauenpolen (31, 32, 33) versehen sind.
8. Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem EC-Synchronmotor (15) mit Außenläufer (20) die Klauenpole (31, 32, 33) des Stators (16) an dessen Außenumfang über die Ringspulen (29, 30) axial hinwegragen.
9. Elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Polplatten (25 bis 28) auf einer dem magnetischen Rückschluss bildenden Achse (17) befestigt sind, dessen freies Ende (17a) eine Lagerstelle (22) für einen topfförmig ausgebildeten Außenläufer (20) aufweist.
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