DE19507489A1

DE19507489A1 - Electric machine with independent excitation esp. permanent magnet rotor and multiphase stator e.g. for vehicle drive motor

Info

Publication number: DE19507489A1
Application number: DE1995107489
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Strothmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-03-03
Filing date: 1995-03-03
Publication date: 1996-09-19

Abstract

The machine has a rotor which is displaced via successive magnetic fields in the rotor rotation direction, each corresponding to a whole number of magnetic periods, cooperating with the stator poles. The magnetic period for the magnetic fields does not correspond to a whole number of stator poles, with the varying offset between the magnetic period and the stator poles pref. at least partially compensated by a corresponding offset in the supply voltage for the stator windings.

Description

Es ist üblich, elektrische Maschinen mit fremd- oder permanenterregtem Läufer und mehrphasig gespeistem Stator z. B. dreiphasig mit sechs Polen und Nuten pro magnetischer Periode auszustatten und die Wicklung einer Phase auf jeweils drei Pole gleichzeitig aufzulegen. In diesem Fall werden die einzelnen Phasen um magnetisch 120° versetzt aufgebracht. Mit den oben beschriebenen Polen, die dann im Abstand 360/6 = 60° mag. angebracht sind, liegen die Phasen in den Positionen 0°, 60° (= 240°, bei Vorzeichentausch dieser Phase), 120° etc.It is common to use third party or electrical machines permanently excited rotor and multi-phase fed stator e.g. B. three-phase with six poles and slots per magnetic Equip period and winding up a phase to apply three poles at a time. In this case the individual phases are magnetically offset by 120 ° upset. With the poles described above, which are then in Distance 360/6 = 60 ° mag. the phases are appropriate in the positions 0 °, 60 ° (= 240 °, when swapping the sign this phase), 120 ° etc.

Nachteilig ist jedoch, daß besonders bei kleinen und/oder langsamlaufenden Maschinen mit kurzer Statorlänge bzw. kurzem Blechpaket ein schlechter Wirkungsgrad durch hohe Kupferverluste entsteht. Die hohe Zahl an Polen und Nuten und die überlappenden Wicklungen sind notwendig, um durch die Fluß-Summenbildung der drei durch die Wicklung umfaßten Statorpole der Verlauf der in der Wicklung insgesamt induzierten Spannung zu glätten, um so beispielsweise einen angenäherten Sinusverlauf in den Phasen zu erreichen. Da eine Windung stets drei Pole und zwei Nuten einschließt und damit entsprechend lang sein muß, ist dessen Innenwiderstand entsprechend hoch. Die einzelnen Phasenwicklungen müssen außerhalb des Statorpakets zudem aneinander vorbeilaufen, da eine Überschneidung nicht möglich ist. Dies resultiert in einem sog. Wickelkopf. Dieser Wickelkopf wird durch Verwendung der gängigen Einlegetechnik noch vergrößert, da sonst das Einlegen in die Nuten nicht möglich ist. Innerhalb dieses Wickelkopfes liegen die Wicklungen aller Phasen kompakt aneinander, so daß bei höheren Spannungen oder Flankensteilheiten der Phasenzuführungen (z. B. bei Umrichtern) die Isolation der verwendeten Kupferlackdrähte zudem problematisch wird. It is disadvantageous, however, that especially with small and / or slow running machines with short stator length or short sheet stack a poor efficiency due to high Copper losses arise. The high number of poles and slots and the overlapping windings are necessary to go through the river sum of the three included through the winding Stator poles the course of the winding in total to smoothen induced voltage, for example, one to achieve approximate sine wave in the phases. There one turn always includes three poles and two slots and so that it must be correspondingly long is its internal resistance correspondingly high. The individual phase windings must also run past each other outside the stator pack, because an overlap is not possible. This results in a so-called winding head. This winding head is through Use of common insertion technology is still enlarged because otherwise it is not possible to insert them into the grooves. Within this winding head is the windings of all phases compact to each other, so that at higher voltages or Edge steepness of the phase feeds (e.g. at Converters) the insulation of the enamelled copper wires used also becomes problematic.

Für langsamlaufende Antriebe optimierte Maschinen müssen daher in erster Linie die Wicklungsverluste minimieren, um höhere Wirkungsgrade zu erreichen. Ein gangbarer Weg ist, die einzelnen Betriebsphasen auf speziell dafür ausgelegte Polgruppen mit kompakt ausgeführten Statorpolen zu konzentrieren, wie bei den sog. Bruchlochmaschinen (vgl. EPPS 0159005, elektrisch gesteuerter Elektromotor). Hier ist innerhalb einer Polgruppe, bestehend aus einer gewissen Anzahl von einzelnen Statorpolen, eine gleiche Anzahl von Läuferpolen zugeordnet. Innerhalb einer Polgruppe ist nur noch die Wicklung einer Phase zu finden. Am Ende einer Gruppe wird im Beispiel der Dreiphasenmaschine ein magnetischer 120°-Versatz eingeführt, um die Polgruppe der nächsten Phase einzuleiten.Machines optimized for slow-speed drives must therefore primarily to minimize winding losses to achieve higher efficiencies. A viable way is the individual operating phases on specially designed Pole groups with compact stator poles concentrate, as with the so-called break-hole machines (cf. EPPS 0159005, electrically controlled electric motor). Here is within a pole group consisting of a certain Number of individual stator poles, an equal number of Assigned rotor poles. Within a pole group is only still find the winding of a phase. In the end one Group is one in the example of the three-phase machine Magnetic 120 ° offset introduced to the pole group of the to initiate the next phase.

Nachteilig ist bei dieser Maschine zunächst, daß sie nur teilweise ausgenutzt wird; als Erklärung darf dienen, daß z. B. in den Nulldurchgängen der Bestromung einer Phase die zugehörigen Statorpolgruppen inklusive den darüber befindlichen Läuferpolen nicht für die Drehmomentbildung ausgenutzt werden können. Dadurch ist ein erheblicher Mehreinsatz von Magnetmaterial bei permanenterregten Maschinen nötig. Durch den unsymmetrischen Aufbau ist zudem auch die Geräuschentwicklung der Maschine meist ein Problem. Bei äußerer Krafteinwirkung, Fertigungstoleranzen oder Verschleiß wie z. B. Lagerspiel ändert sich aus dem gleichen Grunde bereits das Eigenrastverhalten oder Selbsthaltemoment der Maschine.The disadvantage of this machine is that it only is partially exploited; may serve as an explanation that e.g. B. in the zero crossings of the energization of a phase associated stator pole groups including those above rotor poles are not used for torque generation can be exploited. This is a significant one Multiple use of magnetic material with permanently excited Machines needed. Due to the asymmetrical structure is also machine noise is usually a problem. With external force, manufacturing tolerances or Wear such as B. bearing play changes from the same Basically, the self-locking behavior or self-holding torque the machine.

Nachteilig ist bei den beschriebenen und auch anderen Maschinentypen weiterhin, daß die Statorpolüberdeckung und somit die Größe der Läuferpole nicht nennenswert unter 180° magnetisch reduziert werden kann, ohne die maximalen Daten der Maschine zu beeinträchtigen, da sonst der maximale Fluß in den Statorpolen merklich verringert wird. A disadvantage of the described and others Machine types continue that the stator pole coverage and therefore the size of the rotor poles is not appreciably below 180 ° can be magnetically reduced without the maximum data the machine, otherwise the maximum flow is significantly reduced in the stator poles.

Diese Probleme werden durch Patentanspruch 1 gelöst.These problems are solved by claim 1.

Die notwendige Größe der Läuferpole kann ohne nennenswerte Flußreduktionen auf die Größe der in der neuen Anordnung verkleinerten Statorpole reduziert werden, um insbesondere bei permanenterregten Maschinen den Einsatz von Magnetmaterial verringern zu können. Desweiteren kann durch die beschriebene Art der Bewicklung der Wirkungsgrad der Maschine erhöht werden. Insbesondere langsamlaufende oder kleine elektrische Maschinen des betreffenden Typs können mit Hilfe der neuen Anordnung Vorteile der bisher bekannten Ausführungsformen kombinieren. Zu diesen Vorteilen zählen beispielsweise hoher Wirkungsgrad, hohe Antriebskräfte bzw. Drehmomente, mechanische und elektrische Unempfindlichkeit, geringes Gewicht kleine Abmessungen, gute Maschinenausnutzung, einfache und günstige Herstellung etc.The necessary size of the rotor poles can be without significant Flow reductions to the size of the new arrangement reduced stator poles can be reduced to in particular with permanently excited machines the use of To be able to reduce magnetic material. Furthermore, by the described type of winding the efficiency of Machine can be increased. Especially slow running or small electrical machines of the type in question can with the help of the new arrangement advantages of the previously known Combine embodiments. These benefits include for example high efficiency, high driving forces or Torques, mechanical and electrical insensitivity, light weight small size, good Machine utilization, simple and cheap manufacture etc.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben.An embodiment of the invention is in the drawing shown and is described below.

Es zeigenShow it

Fig. 1 Beispielhafte Polanordnung einer dreiphasigen Linearmaschine nach Patentanspruch 1 Fig. 1 Exemplary pole arrangement of a three-phase linear machine according to claim 1

Fig. 2 Verbesserte Polanordnung. Fig. 2 Improved pole arrangement.

Jede Phase beansprucht in der beschriebenen Maschinenausführung nur das Minimum eines einzelnen Statorpols pro magnetischer Periode, wie aus Fig. 1 ersichtlich. Die vorzusehende Läuferpolbreite muß zur Erzeugung maximalen Flusses im Statorpol etwa ebenso breit sein. Da aber nur zwei Läuferpole zur Anwendung kommen, sind die Polbereiche entsprechend schmal. Dadurch wird der Einsatz von Magnetmaterial bei permanenterregten Maschinen erheblich verringert. Durch die symmetrische Konstruktion, die die Phasen gleichmäßig auf die Maschine verteilt, ist die Empfindlichkeit gegenüber Toleranzen und die Geräuschentwicklung ähnlich gering wie bei konventionellen Maschinen.In the machine design described, each phase requires only the minimum of a single stator pole per magnetic period, as can be seen from FIG. 1. The rotor pole width to be provided must be approximately as wide to generate maximum flux in the stator pole. However, since only two rotor poles are used, the pole areas are correspondingly narrow. This significantly reduces the use of magnetic material in permanently excited machines. Due to the symmetrical construction, which distributes the phases evenly over the machine, the sensitivity to tolerances and the noise development are similarly low as with conventional machines.

Da jeder Statorpol nur eine Wicklung trägt, können letztere bei Bedarf optimal vorgefertigt und anschließend einzeln aufgebracht werden.Since each stator pole carries only one winding, the latter can optimally prefabricated if required and then individually be applied.

Die einzelnen Statorpole sind kompakt ausgeführt, die darauf befindlichen Wicklungen hinsichtlich der Windungslängen so kurz wie möglich; der Wicklungskopf kann äußerst klein gehalten werden, so daß bei geringem Gewicht und kleiner Bauform der Wirkungsgrad der Maschine hoch ist.The individual stator poles are compact, the ones on it existing windings with respect to the winding lengths as short as possible; the winding head can be extremely small are kept so that they are light and small The efficiency of the machine is high.

Die Maschine kann mit bestimmten Ausgestaltungen der Läuferpole hinsichtlich seiner Betriebseigenschaften weiterhin beeinflußt werden. Fig. 2 zeigt beispielhaft eine einfache Schränkung der Läuferpole, um unter Beibehaltung der maximalen Leistungsdaten die elektrischen Verläufe der Phasenspeisungen anzupassen und das Eigenrastmoment der Maschine zu verringern.With certain configurations of the rotor poles, the machine can continue to be influenced with regard to its operating properties. FIG. 2 shows an example of a simple setting of the rotor poles in order to adapt the electrical profiles of the phase feeds while maintaining the maximum performance data and to reduce the self-locking torque of the machine.

Claims

Electrical machine with an externally excited rotor, preferably a permanently excited rotor and a multi-phase stator, or vice versa, characterized in that the stator field has a number of stator poles with a single pole winding that is identical to the number of phases per magnetic period, i.e. a stator pole is only one with the winding Provide phase, while the rotor field is defined by one pair of poles per magnetic period.