DE19856647B4

DE19856647B4 - Elektrischer Hochmomentmotor

Info

Publication number: DE19856647B4
Application number: DE1998156647
Authority: DE
Inventors: Wolf-Rüdiger Canders; Falk Laube; Helmut Mosebach
Original assignee: CANDERS WOLF R
Current assignee: CANDERS WOLF R
Priority date: 1998-12-09
Filing date: 1998-12-09
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: DE19856647A1

Abstract

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 einem magnetischen Rückschluss 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 Stator (5a) und einem inneren Stator (5b) angeordnet;
dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (4) an seinem einen axialen Ende über ein Bauteil (9) mit einer im Maschinengehäuse (6) gelager ten Welle (8) drehfest verbunden und mit seinem anderen axialen Ende im Maschinengehäuse (6) gelagert ist und jeder Statorpol (2) zwei Polspulen (3, 3a) mit unterschiedlichen Windungszahlen aufweist, wobei die Polspulen (3) mit der jeweils höheren Windungszahl innerhalb eines Stranges in Reihe, die Polspulen (3a) mit der jeweils kleineren Windungszahl als Regelspulen innerhalb eines Stranges gleichphasig aus...

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Hochmomentmotor.
Hochmomentantriebe werden als Direktantriebe für Antriebsaufgaben eingesetzt, bei denen genaue Positionierung, schnelle Beschleunigung rotierender Massen oder steife Regelungen mit hoch überlastbaren Antrieben gefordert werden. Den drei Aufgabenfeldern entsprechen unterschiedliche Forderungen an die Eigenschaften des Antriebes: So werden für Positionierantriebe eine genaue Stellung der Winkellage bei vergleichsweise kleinen Drehzahlen < 100 l/min und hohen Stellmomenten gefordert. Beschleunigungsantriebe sollen dagegen kleine träge Massen haben und so in kurzer 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 Ausnutzung des Antriebes und damit kleine Abmessungen und geringe Masse. Zusätzlich ist für diese Anwendungen ein hoher relativer Kurzschlußstrom I_I/I_N zu fordern, um sowohl eine ausreichend hohe Dynamik als auch den Aufwand für den Umrichter für die Beherrschung 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 Ankerstellbereich betriebenen Maschinen und damit die Baugröße des erforderlichen Umrichters muß in vielen Fällen als unbefriedigend angesehen werden.

Aus der WO 94/14226 A1 ist ein Motorsystem mit einzeln gesteuerten, redundanten Spulen bekannt, mit dem bei dem Ausfall einer Spule das Motorsystem weiterbetrieben werden kann, wenn auch nicht mit voller Leistung.

Aus der japanischen Druckschrift JP 60-219945 A ist eine gattungsgemäße, elektrische Hochmomentmaschine bekannt, deren Läufer einseitig gelagert ist. Dies ist bei relativ langen Läufern nachteilig, da diese nicht so präzise geführt werden können, so dass die Gefahr des Anstreifens am Stator besteht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hochmomentmotor zu schaffen, der sich durch kleine Reaktanz bwz. hohen Kurzschlussstrom und somit geringen Blindleistungsbedarf für den speisenden Wechselrichter, geringes Massenträgheitsmoment, kleine Abmessungen und hohe Ausnutzung des magnetischen Kreises auszeichnet und der durch unterschiedliche Ausgestaltung seiner Merkmale sowohl für Positionieraufgaben als auch für dynamische Momentregelaufgaben eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen Hochmomentmotor mit folgenden Merkmalen gelöst:

a) er ist aufgebaut als hochpolige dauermagneterregte elektrische Maschine;
b) er weist einen hohlzylindrischen Läufer auf;
c) der Läufer besteht aus einem magnetischen Rückschluss bildenden Weicheisen;
d) die innere und die äußere Mantelfläche des Läufers sind mit Läuferpole bildenden Permanetmagneten belegt;
e) der Läufer ist koaxial zwischen einem äußeren Stator und einem inneren Stator angeordnet;
f) wobei der Läufer an seinem einen axialen Ende über ein Bauteil mit einer im Maschinengehäuse gelagerten Welle drehfest verbunden und mit seinem anderen axialen Ende im Maschinengehäuse gelagert ist und jeder Statorpol zwei Polspulen mit unterschiedlichen Bindungszahlen aufweist, wobei die Polspulen mit der jeweils höheren Bindungszahl innerhalb eines Stranges in Reihe, die Polspulen mit der jeweils kleineren Bindungszahl als Regelspulen innerhalb eines Stranges gleichphasig aus zwei unabhängigen, in Spannung und Frequenz regelbaren Drehstromquellen gespeist werden, so dass der Strom in den in Reihe geschalteten Polspulen eines Stranges mit dem Läufer ein stationäres Drehmoment bildet, und der Strom in den untereinander parallel geschalteten Polspulen eines Stranges ein dynamisches Regelmoment überlagert.

Als vorteilhafte Ausgestaltung dieses Konzeptes wird eine sogenannte dreiphasige Anordnung vorgeschlagen:
Wählt man die Zahl der Ständerpole Z_Ps als ganzzahliges Vielfaches von drei emäß Z_jps = 3n und die Zahl der Läuferpole Z_p1 bei gleichem Multiplikator n als ganzzahliges Vielfaches von vier gemäß Z_p1 = 4n, so können die Ständerpole zu einer dreisträngigen Wicklung verschaltet werden, die vorteilhaft aus einem konventionellen dreisträngigen Wechselrichter gespeist wird.

Diese Maschinentopologien erlauben eine vergleichsweise hohe Kraftdichte bei geringem Aufwand von aktiver Masse. Gegenüber einem Stator mit Drehstromwicklung weist die polyphasige Anordnung wesentlich kleinere Wickelköpfe und damit eine kürzere Baulänge auf. Im Gegensatz zu anderen hochpoligen Maschinen, die nach dem Reluktanzkonzept oder Transversalflusskonzept aufgebaut sind, weisen dauermagneterregte Maschinen der PSM oder PPSM Bauweise mit direkt am Luftspalt angeordneten Dauermagneten (Flach magnetbauweise) einen hohen Kurzschlußstrom und somit einen vergleichsweise 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 Läufer aus Weicheisen ausgebildet, der auf der Innen- und Außenseite 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 Statoren 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 resultierende Moment bildet, welches nun sehr feinfühlig mit Hilfe von Strommeßstellen regel bar ist. Mit Hilfe einer hochauflösenden 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 Doppelstator-Konzept ein weiterer Freiheitsgrad durch eine vorteilhafte Gestaltung der Statorwicklung gegeben. Eine Aufteilung der Polspulen in je eine Spule mit einer vergleichsweise hohen Windungszahl, 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 Momenteregelung verbessern.

Dies geschieht, wenn die das Grundmoment erzeugenden Spulen innerhalb eines Stranges in Reihe geschaltet werden, die Spulen für das Regelmoment jedoch parallel geschaltet werden. Auf diese Weise wird über die resultierenden unterschiedlich großen Induktivitäten der beiden Spulengruppen eine weitgehende magnetische Entkopplung der beiden Teilwicklungen erreicht, was der Dynamik der Regelung entgegenkommt.

Verwendet wird somit die elektromagnetische Topologie der polyphasigen permantmagneterregten Synchronmaschine oder der permanentmagneterregten Drehstrom-Synchronmaschine, wobei die Dauermagnete direkt am Luftspalt der Maschine angeordnet sind (Flachmagnetbauweise). Die Topologie der polyphasigen permanenterregten Synchronmaschine ist dadurch gekennzeichnet, daß einer bestimmten Zahl von Dauermagnet-Läuferpolen wechselnder Polarität eine gleiche, vorzugsweise aber abweichende Zahl diskret ausgebildeter Statorpole mit jeweils einer auf diesen gewickelten Polspule gegenübersteht. Jeder Pol könnte nun individuell und von der Winkellage des Läufers gesteuert mit Wech selstrom gespeist werden, so dass ein weitgehend gleichförmiges Drehmoment entsteht (polyphasige permanentmagneterregte Synchronmaschine PPSM). 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 gestattet diese Art der Wärmeabfuhr eine hohe Schutzart der Maschine, beispielsweise IP54 oder gar IP65, ohne die Ausnutzung des elektromagnetischen 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:
1 im Ausschnitt einen Querschnitt durch Stator und Läufer und
2 im Längsschnitt die obere Hälfte eines Hochmomentmotors.
Der Hochmomentmotor gemäß 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, nichtmagnetisches Bauteil 9 mit einer in einem Maschinengehäuse 6 gelagerten 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 eingepreßt, das von einem Kühlmittel durchströmte Kühlkanäle 7 aufweist.
1 zeigt die elektromagnetische Topologie einer polyphasigen permanentmagneterregten Synchronmaschine. Der Läufer 4 weist eine bestimmte Zahl von Dauermagnet-Läuferpolen 1 wechselnder Polarität auf. Diesen Läuferpolen 1 steht eine gleiche, vorzugsweise 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

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 einem magnetischen Rückschluss 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 Stator (5a) und einem inneren Stator (5b) angeordnet; dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (4) an seinem einen axialen Ende über ein Bauteil (9) mit einer im Maschinengehäuse (6) gelager ten Welle (8) drehfest verbunden und mit seinem anderen axialen Ende im Maschinengehäuse (6) gelagert ist und jeder Statorpol (2) zwei Polspulen (3, 3a) mit unterschiedlichen Windungszahlen aufweist, wobei die Polspulen (3) mit der jeweils höheren Windungszahl innerhalb eines Stranges in Reihe, die Polspulen (3a) mit der jeweils kleineren Windungszahl als Regelspulen innerhalb eines Stranges gleichphasig aus zwei unabhängigen, in Spannung und Frequenz regelbaren Drehstromquellen 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 untereinander parallel geschalteten Polspulen (3a) eines Stranges ein dynamisches Regelmoment überlagert.
Hochmomentmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Permanentmagnete gebildeten Läuferpole (1) auf der inneren und der äußeren Mantelfläche des Läufers (4) die gleiche Polzahl aufweisen.
Hochmomentmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass und der äußere sowie der innere Stator (5a, 5b) diskret ausgebildete und jeweils mit Spulen (3) bewickelte Pole (2) aufweisen,
Hochmomentmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polmittenachsen gleichnamiger Statorpole (2) einander gegenüberstehen.
Hochmomentmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polmittenachsen gleichnamiger Statorpole (2) um 90° elektrisch gegeneinander verschoben sind.
Hochmomentmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere sowie der innere Stator (5a, 5b) jeweils eine in Nuten eingebettete Drehstromwicklung mit der gleichen Polzahl wie der Läufer (4) aufweisen.
Hochmomentmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsachsen gleicher Stränge der beiden Statoren (5a, 5b) einander gegenüberstehen oder um 90° elektrisch gegeneinander verschoben sind.
Hochmomentmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polmittenachsen gleichnamiger Läuferpole (1) einander 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.
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 Stators (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 aufweist.
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 Drehmoment am Läufer (4) als Differenzmoment beider Statoren (5a, 5b) von Null bis Nennmoment einstellbar ist.
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.
Hochmomentmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das den Läufer (4) mit der Welle (8) verbindende Bauteil (9) nichtmagnetisch ist.
Hochmomentmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das den Läufer (4) mir der Welle (8) verbindende Bauteil (9) glockenförmig ausgebildet ist.
Hochmomentmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (8) hohlzylindrisch ausgebildet ist.