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EP2266186A2 - Elektrische antriebsmaschine - Google Patents

Elektrische antriebsmaschine

Info

Publication number
EP2266186A2
EP2266186A2 EP09733077A EP09733077A EP2266186A2 EP 2266186 A2 EP2266186 A2 EP 2266186A2 EP 09733077 A EP09733077 A EP 09733077A EP 09733077 A EP09733077 A EP 09733077A EP 2266186 A2 EP2266186 A2 EP 2266186A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drive machine
drive
winding
machine according
energy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09733077A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Huth
Markus Reinhard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2266186A2 publication Critical patent/EP2266186A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/0094—Structural association with other electrical or electronic devices

Definitions

  • the invention relates to an electric drive machine comprising a stator and a rotor, which form a drive system to which an energy transmission system for supplying electrical energy to a load on the moving part is assigned, the drive function and the energy transmission function being largely independent of each other.
  • Such a drive machine is constructed, for example, according to the principle of a synchronous machine or an asynchronous machine and can serve as a linear or rotary drive.
  • Electric drive machines consist of a stator and a moving rotor. In some applications, such as in tooling and production machines, it is necessary to transfer electrical energy to the rotor, for example in the form of a shaft or a spindle. Among other things, the electrical energy can be used to supply safety devices, sensors, data transmission systems or actuators (for example for clamping tools).
  • a transfer of electrical energy to the Laufer is possible, for example, with galvanic coupling.
  • slip rings can be used that are simple and reliable, but require considerable maintenance.
  • space is needed for the Schleif ⁇ ngap- parat.
  • An alternative possibility of galvanic coupling is the use of trailing cables. The problem is a limited possible angle of rotation and the risk of cable breakage by a constant bending load of the cable.
  • the transmission of electrical energy to the Laufer by inductive coupling is possible.
  • the described problems of the galvanic coupling can be circumvented with the inductive coupling.
  • a primary three-phase winding on the stator of the on ⁇ driving machine and a second winding (secondary winding) on the Laufer the prime mover.
  • a feeder such as a frequency converter, a three-phase voltage system.
  • the windings are inserted into a ferromagnetic active part or wound around a ferrite core.
  • the inductive transformer described above is used e.g. Flanged to an electric motor. As a result, additional space is consumed. In addition, cause the two active parts for the electric motor and the transformer undesirably high costs.
  • DE 10 2005 024 203 A1 discloses a generic electric drive machine in which the electrical windings of the drive system and of the energy transmission system are incorporated in a common active part, but the drive function and the energy transfer function are independent of each other.
  • the energy transfer to the Laufer takes place here inductively, whereby a decoupled operation of energy transfer and engine operation is possible.
  • There are two inverters are provided, which are supplied as needed from a common voltage intermediate circuit or from separate connectors termekrei ⁇ sen.
  • One of the inverters is responsible for the motor and the other is the inverter for power transmission.
  • the invention provides an electric drive machine comprising a stator and a rotor, which form a drive system in which an energy transmission system for supplying electrical energy to a load on the Laufer is assigned, wherein the drive function and the energy transfer function are largely independent of each other.
  • subharmonic air gap field components so-called subharmonics in the air gap field are used to transmit electrical energy to a rotor winding.
  • the invention makes it possible to integrate the energy transfer in the active part of a motor, whereby it can be manufactured in a structurally simpler manner.
  • no additional space for the transformer of electrical energy on the Laufer is necessary.
  • ⁇ represents that a most extensive decoupling of the Ant ⁇ ebs- and Energyubertragungsfunktion is given from each other.
  • the inductive energy transfer ensures low cost and maintenance costs, compared to a Lo ⁇ solution, which relies on slip rings.
  • no Burstenab ⁇ eb which also reduces the maintenance and a high standard of hygiene is ensured. It eliminates downtime ⁇ costs due to Burstenroar or the exchange of trailing cables.
  • the disadvantage of the limited twist angle when using tow cables is also eliminated.
  • the erfmdungsge68 electric drive machine allows any ⁇ twist angle.
  • the inductive energy transfer also allows use in potentially explosive atmospheres.
  • the stator has a ge ⁇ concomitantly active part comprising a (common) stator winding for the drive and the Energyubertragungsfunkti- on, m which a motor current system and superimposed on the motor current system and different from said energy flow system can be fed or fed become.
  • the electric drive machine described in DE 10 2005 024 203 A1 only one single winding needs to be provided on the stator, which is used both for the drive and the energy transfer function.
  • the erfmdungsgedorfe electric drive machine over the prior art be made more compact and structurally simple.
  • the stator winding is according to a further embodiment, a tooth coil winding.
  • tooth coil windings are always a Bruchlochwicklung. Therefore, the number of holes of the stator winding is formed by a fractional number.
  • Fractured hole windings have the peculiarity of generating subharmonics in the air gap field as well. Em such subharmonic air gap field component is used to transfer the electrical energy to the Lauferwicklung.
  • the rotor comprises permanent magnets for the drive function and the rotor winding for the energy transfer function.
  • the electrical ⁇ specific drive system may be based on a permanent-magnet synchronous machine in which, as explained, only one einzi- ges active part, for example laminated core, is needed for the stator winding to provide both the drive and the energy Uber ⁇ tragungsfunktion ,
  • the number of pole pairs of the rotor winding corresponds to a number of pole pairs of a subharmonic of the air gap field.
  • the number of pole pairs of the permanent magnets is selected such that they have a number of pole pairs developed by the stator winding, ideally in the case of a large number of pole pairs. ehern winding factor, corresponds. This can provide an efficient drive.
  • the permanent magnets may optionally be arranged in the air gap of the drive machine or be buried in the rotor.
  • an inverter e.g. a frequency converter
  • a single converter is sufficient for the provision of the motor current system and the energy current system, whereby the electric drive machine according to the invention can be provided at lower cost.
  • the energy flow system has a higher frequency compared to the motor current system. Although causes the high-frequency energy flow system pendulum moments. However, these are steamed by the inertia of the engine.
  • the preferred low-frequency motor current system is selected in such a way that no unwanted effect due to the motor current is to be expected in the rotor-side "energy winding." This is the case when the motor current does not transmit any power and the energy current does not generate a torque ,
  • the sole FIGURE shows a schematic electric drive machine, in which according to the invention a subharmonic air gap field is used for the transmission of electrical energy to a rotor of the drive machine.
  • the drive machine 1 comprises a stator 2 and a rotor 3. It can serve as a linear or as a rotary drive.
  • the energy transmission system is formed by a stator winding 4 in the stator 2 and a rotor winding 5 in the Laufer 3.
  • the drive system is through the stator winding. 4 and permanent magnets 6 formed in or on the Laufer 3.
  • the stator 2 and the Laufer 3 are separated in a known manner by an air gap 9 from each other.
  • the stator winding is connected via a not shown in the figure inverter to a single-phase or three-phase power grid.
  • the Lauferwicklung 5 is also not dargestell ⁇ te electrical load (consumer) is connected.
  • the load may be, for example, a safety device, a sensor or an actuator.
  • the Lauferwicklung 5 and the electrical load may be, for example, a safety device, a sensor or an actuator.
  • Voltage supply circuit may be provided, which is fed by a rectifier. Downstream, a boost converter, a buck converter or an inverter can be connected. The voltage intermediate circuit in turn is supplied with the transmitted power at the terminals of the Lauferwicklung 5.
  • the electric drive machine is based on the principle of the permanently excited synchronous machine, in which a transmission of electrical energy takes place inductively into the rotor 3.
  • Characteristic of the prime mover 1 is that only a single Ak ⁇ tivteil for the stator winding 4 is needed.
  • the active part can be formed for example by a laminated core. This carries the three-stranded in the exemplary embodiment stator winding 4, which is formed in dental coil technology.
  • the number of holes q of the stator-side rotating field winding be ⁇ calculated as follows:
  • n is the number of stator slots
  • m is the string number
  • p is the number of pole pairs.
  • Z is the payer of the number of holes
  • n is the denominator of the number of holes
  • m is usually 3. Since tooth coil windings are always broken-hole windings, the number of holes q a fractional number.
  • a subharmonic air gap field component also called a subharmonic, is used to transmit electrical energy into the rotor system.
  • the Laufer 3 carries the permanent magnets 6 with the number of pole pairs p M, which corresponds to the developed or a pole pairs p M of the stator winding. 4 This is SMN sense to use that pole pairs p M whose winding ⁇ factor is as large as possible in order to achieve an efficient drive.
  • the number of pole pairs p E of the rotor winding 5 corresponds to the pole pair number p E of the selected subharmonic.
  • the indices "M" and "E” denote the motor function or energy function of the electric drive machine 1.
  • pole pair numbers v produced by a three-phase current hole winding are calculated as follows:
  • v represents harmonic pole pair numbers, p pole pair number, m string number, n denominator of the number of holes q from equation (1), g running parameter for harmonics.
  • the pole pair number p M developed by the stator winding 4 is defined as a basic field pole pair number (see also reference numeral 7). This should, as explained, have the largest possible winding factor for the efficient drive.
  • the magnets 6, which may be buried or arranged m the air gap 9 of the prime mover 1 are designed according to this Polpan- number p M.
  • the rotor winding 5 has to couple with a subharmonic of the stator winding 4. Accordingly, the pole pair number of the p E Lauferwicklung 5 is selected. fed is the stator winding with a motor current system through the aforementioned inverter. In addition, a higher-frequency power current system is superimposed by this inverter, which is superimposed on the motor current system.
  • the pendulum moment caused by the high-frequency energy flow system is vaporized by the inertia of the rotor of the electric motor.
  • An exemplary prime mover could be designed as follows:
  • the winding factor for the number of pole pairs 10 results in 0.933.
  • the inventive electric drive machine has the advantage that the energy transfer can be integrated into the active part of a motor and thus no space for the transformer of energy is needed on the Laufer. This can be done as far as possible decoupling of engine and Energyubertragungsfunktion from each other.
  • the relative movement between the Laufer and the Stander is preferably rotational. However, the relative movement can also be linear.
  • the permanent magnets can be installed at the air gap or ver ⁇ dig in the Laufer. Air gap magnets can be secured with a bandage. It is possible to design the prime mover as an internal or external rotor.
  • the stator winding is preferably designed as a tooth coil winding, whereby a simple production of the drive machine is possible. In addition to a single stator winding also only a single inverter is needed.
  • the fan winding can feed a load directly or via an intermediate power electronics.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsmaschine (1) aus einem Stator (2) und einem Läufer (3), die ein Antriebssystem bilden. Dem Antriebssystem ist ein Energieübertragungssystem (5) zur elektrischen Energieversorgung einer Last auf dem Läufer zugeordnet, wobei die Antriebsfunktion und die Energieübertragungsfunktion weitgehend voneinander unabhängig sind. Ein subharmonischer Luftspaltfeldanteil wird zur Übertragung elektrischer Energie auf eine Läuferwicklung (5) genutzt.

Description

Beschreibung
Elektrische Antriebsmaschine
Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsmaschine aus einem Stator und einem Laufer, die ein Antriebssystem bilden, dem ein Energieubertragungssystem zur elektrischen Energieversorgung einer Last auf dem bewegten Teil zugeordnet ist, wobei die Antriebsfunktion und die Energieubertragungsfunkti- on weitgehend voneinander unabhängig sind.
Eine solche Antriebsmaschine ist beispielsweise nach dem Prinzip einer Synchronmaschine oder einer Asynchronmaschine aufgebaut und kann als Linear- bzw. Drehantrieb dienen. Elektrische Antriebsmaschinen bestehen aus einem Stator und einem bewegten Laufer. Bei manchen Anwendungen, wie zum Beispiel bei Werkzeug- und Produktionsmaschinen, ist es notig, elektrische Energie auf den Laufer, zum Beispiel in Form einer Welle oder einer Spindel, zu übertragen. Die elektπ- sehe Energie kann unter anderem der Versorgung von Sicherheitseinrichtungen, Sensoren, Datenubertragungssystemen oder Aktuatoren (z.B. zum Spannen von Werkzeugen) dienen.
Zur Energieübertragung bei Antriebsmaschinen ist ein geeigne- tes Energieubertragungssystem erforderlich. Em derartiges
Energieubertragungssystem muss in die Antriebsmaschine integriert oder separat eingebaut werden.
Eine Übertragung elektrischer Energie auf den Laufer ist zum Beispiel mit galvanischer Kopplung möglich. Hierbei können beispielsweise Schleifringe verwendet werden, die einfach und zuverlässig sind, jedoch einen erheblichen Wartungsaufwand erfordern. Darüber hinaus wird Bauraum für den Schleifπngap- parat benotigt. Eine alternative Möglichkeit der galvanischen Kopplung ist die Verwendung von Schleppkabeln. Dabei ist das Problem ein begrenzter möglicher Verdrehwinkel und die Gefahr eines Kabelbruchs durch eine standige Biegebelastung des Kabels . Alternativ ist die Übertragung elektrischer Energie auf den Laufer durch induktive Kopplung möglich. Die geschilderten Probleme der galvanischen Kopplung können mit der induktiven Kopplung umgangen werden. Dabei befindet sich eine primäre Drehstromwicklung (Primärwicklung) auf dem Stator der An¬ triebsmaschine und eine zweite Wicklung (Sekundärwicklung) auf dem Laufer der Antriebsmaschine. In die Primärwicklung speist eine Speiseeinrichtung, z.B. ein Frequenzumrichter, ein dreiphasiges Spannungssystem ein. Um den Wirkungsgrad zu erhohen, werden die Wicklungen in ein ferromagnetisches Aktivteil eingelegt oder um einen Ferritkern gewickelt.
Wird neben der Übertragung elektrischer Energie auf den Lau- fer ein Antrieb benotigt, wird der oben beschriebene induktive Übertrager z.B. an einen Elektromotor angeflanscht. Hierdurch wird zusätzlicher Bauraum verbraucht. Darüber hinaus verursachen die zwei Aktivteile für den Elektromotor und den Übertrager unerwünscht hohe Kosten.
Um dies zu vermeiden, ist aus der DE 10 2005 024 203 Al eine gattungsgemaße elektrische Antriebsmaschine bekannt, bei der die elektrischen Wicklungen des Antriebssystems und des Ener- gieubertragungssystems in einem gemeinsamen Aktivteil einge- bracht sind, wobei jedoch die Antriebsfunktion und die Ener- gieubertragungsfunktion voneinander unabhängig sind. Die Energieübertragung auf den Laufer erfolgt hierbei induktiv, wodurch ein entkoppelter Betrieb der Energieübertragung und des Motorbetriebs möglich ist. Es sind zwei Wechselrichter vorgesehen, die je nach Bedarf aus einem gemeinsamen Span- nungszwischenkreis oder aus getrennten Spannungszwischenkrei¬ sen gespeist werden. Einer der Wechselrichter ist für den Motor zustandig und der andere der Wechselrichter für die Energieübertragung.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Antriebsmaschine anzugeben, welche die aus dem Stand der Technik bekannte Antriebsmaschine vorteilhaft weiterbildet und auf konstruktiv einfachere Art und Weise die induktive Ener¬ gieübertragung auf einen Laufer ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Antriebsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhangigen Patentansprü¬ chen .
Die Erfindung schafft eine elektrische Antriebsmaschine aus einem Stator und einem Laufer, die ein Antriebssystem bilden, bei dem ein Energieubertragungssystem zur elektrischen Energieversorgung einer Last auf dem Laufer zugeordnet ist, wobei die Antriebsfunktion und die Energieubertragungsfunktion weitgehend voneinander unabhängig sind. Dabei werden subhar- monische Luftspaltfeldanteile (sog. Subharmonische) im Luftspaltfeld zur Übertragung elektrischer Energie auf eine Lauferwicklung genutzt.
Die Erfindung erlaubt es, die Energieübertragung in das Ak- tivteil eines Motors zu integrieren, wodurch dieser auf konstruktiv einfachere Weise gefertigt werden kann. Somit wird kein zusätzlicher Bauraum für den Übertrager der elektrischen Energie auf den Laufer notwendig. Es ist ferner sicherge¬ stellt, dass eine weitestgehende Entkopplung der Antπebs- und der Energieubertragungsfunktion voneinander gegeben ist. Die induktive Energieübertragung stellt einen geringen Kosten- und Wartungsaufwand sicher, im Vergleich zu einer Lo¬ sung, welche auf Schleifringe setzt. Darüber hinaus entsteht durch die induktive Energieübertragung kein Burstenabπeb, wodurch ebenfalls der Wartungsaufwand verringert und ein hoher Hygienestandard sichergestellt ist. Es entfallen Still¬ standskosten aufgrund von Burstenwechsel oder dem Tausch von Schleppkabeln. Der Nachteil des begrenzten Verdrehwinkels bei der Verwendung von Schleppkabeln ist ebenso eliminiert. Die erfmdungsgemaße elektrische Antriebsmaschine ermöglicht be¬ liebige Verdrehwinkel. Die induktive Energieübertragung ermöglicht ferner den Einsatz in explosionsgefahrdeten Bereichen . In einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist der Stator ein ge¬ meinsames Aktivteil auf, welches eine (gemeinsame) Standerwicklung für die Antriebs- und die Energieubertragungsfunkti- on umfasst, m welcher ein Motorstromsystem und ein dem Motorstromsystem überlagertes und von diesem verschiedenes Energiestromsystem einspeisbar sind bzw. eingespeist werden. Gegenüber der in der DE 10 2005 024 203 Al beschriebenen elektrischen Antriebsmaschine braucht auf dem Stator ledig- lieh eine einzige Wicklung vorgesehen werden, welche sowohl für die Antriebs- und die Energieubertragungsfunktion verwendet wird. Hierdurch kann die erfmdungsgemaße elektrische Antriebsmaschine gegenüber dem Stand der Technik kompakter und konstruktiv einfacher gebaut werden.
Die Standerwicklung ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung eine Zahnspulenwicklung. Bei Zahnspulenwicklungen handelt es sich immer um eine Bruchlochwicklung. Daher ist die Lochzahl der Statorwicklung durch eine gebrochene Zahl gebildet. Bruchlochwicklungen weisen die Eigenheit auf, auch Subharmonische im Luftspaltfeld zu erzeugen. Em solcher subharmonischer Luftspaltfeldanteil wird zur Übertragung der elektrischen Energie auf die Lauferwicklung genutzt.
Insbesondere umfasst der Rotor für die Antriebsfunktion Permanentmagnete und für die Energieubertragungsfunktion die Lauferwicklung. Gemäß dieser Ausgestaltung kann das elektri¬ sche Antriebssystem auf einer permanent erregten Synchronmaschine basieren, bei der, wie erläutert, lediglich ein einzi- ges Aktivteil, z.B. Blechpaket, für die Statorwicklung benotigt wird, um sowohl die Antriebs- als auch die Energieuber¬ tragungsfunktion bereitzustellen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung entspricht die Polpaarzahl der Lauferwicklung einer Polpaarzahl einer Subharmonischen des Luftspaltfelds. Die Polpaarzahl der Permanentmagnete wird dagegen derart gewählt, dass diese einer von der Standerwicklung entwickelten Polpaarzahl, idealerweise bei großtmogli- ehern Wicklungsfaktor, entspricht. Hierdurch kann ein effizienter Antrieb bereitgestellt werden.
Die Permanentmagnete können wahlweise im Luftspalt der An- triebsmaschine angeordnet sein oder in dem Laufer vergraben sein.
Zur Erzeugung des Motorstromsystem^ und des Energiestromsys- tems ist ein Umrichter, z.B. ein Frequenzumrichter, mit der Standerwicklung gekoppelt. Im Gegensatz zu elektrischen Antriebsmaschinen aus dem Stand der Technik ist hierbei ein einziger Umrichter für die Bereitstellung des Motorstromsystems und des Energiestromsystems ausreichend, wodurch die er- fmdungsgemaße elektrische Antriebsmaschine kostengünstiger bereitstellbar ist. Zweckmaßigerweise weist das Energiestromsystem im Vergleich zu dem Motorstromsystem eine höhere Frequenz auf. Zwar verursacht das hoherfrequente Energiestromsystem Pendelmomente. Diese werden jedoch von der Trägheit des Motors bedampft. Dabei ist das bevorzugt niederfrequente Motorstromsystem in seiner Frequenz derart ausgewählt, dass in der lauferseitigen „Energiewicklung" (Lauferwicklung) keine unerwünschte Wirkung durch den Motorstrom zu erwarten ist. Dies ist dann der Fall, wenn der Motorstrom keine Leistung übertragt und der Energiestrom kein Moment erzeugt.
Die Erfindung wird nachfolgend naher anhand eines Ausfuh- rungsbeispiels in der Zeichnung erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine schematische elektrische An- triebsmaschine, bei welcher erfindungsgemaß ein subharmonisches Luftspaltfeld zur Übertragung elektrischer Energie auf einen Laufer der Antriebsmaschine genutzt wird.
Die Antriebsmaschine 1 umfasst einen Stator 2 sowie einen Ro- tor 3. Sie kann als Linear- oder als Drehantrieb dienen. Das Energieubertragungssystem ist durch eine Standerwicklung 4 in dem Stator 2 sowie eine Lauferwicklung 5 in dem Laufer 3 ausgebildet. Das Antriebssystem ist durch die Standerwicklung 4 und Permanentmagnete 6 in bzw. an dem Laufer 3 ausgebildet. Der Stator 2 und der Laufer 3 sind in bekannter Weise durch einen Luftspalt 9 voneinander getrennt. Die Standerwicklung ist über einen in der Figur nicht dargestellten Umrichter an ein einphasiges oder dreiphasiges Stromnetz angeschlossen.
Mit der Lauferwicklung 5 ist eine ebenfalls nicht dargestell¬ te elektrische Last (Verbraucher) verbunden. Bei der Last kann es sich beispielsweise um eine Sicherheitseinrichtung, eine Sensorik oder eine Aktuatorik handelt. Optional kann zwischen der Lauferwicklung 5 und der elektrischen Last ein
Spannungszwischenkreis vorgesehen sein, der von einem Gleichrichter gespeist wird. Nachgelagert kann ein Hochsetzsteller, ein Tiefsetzsteiler oder ein Wechselrichter angeschlossen werden. Der Spannungszwischenkreis seinerseits wird mit der übertragenen Leistung an den Klemmen der Lauferwicklung 5 versorgt .
Wie ohne Weiteres ersichtlich ist, basiert die elektrische Antriebsmaschine auf dem Prinzip der permanent erregten Syn- chronmaschme, bei der eine Übertragung elektrischer Energie induktiv in den Laufer 3 stattfindet. Kennzeichnend für die Antriebsmaschine 1 ist dabei, dass lediglich ein einziges Ak¬ tivteil für die Standerwicklung 4 benotigt wird. Das Aktiv- teil kann beispielsweise durch ein Blechpaket ausgebildet sein. Dieses tragt die im Ausfuhrungsbeispiel dreistrangige Statorwicklung 4, welche in Zahnspulentechnik ausgebildet ist. Die Lochzahl q der standerseitigen Drehfeldwicklung be¬ rechnet sich wie folgt:
q= ——— = - (1) .
2 -m ■ p n
Darin stellt N die Anzahl der Standernuten, m die Strangzahl und p die Polpaarzahl dar. z ist der Zahler der Lochzahl, n ist der Nenner der Lochzahl, m betragt üblicherweise 3. Da es sich bei Zahnspulenwicklungen immer um Bruchlochwicklungen handelt, stellt die Lochzahl q eine gebrochene Zahl dar. Die für Bruchlochwicklungen typische Eigenschaft, auch subharmo- nische Anteile im Luftspaltfeld erzeugen zu können, macht sich die Erfindung zunutze, da ein subharmonischer Luftspalt- feldanteil, auch Subharmonische genannt, zur Übertragung elektrischer Energie in das Laufersystem genutzt wird.
Zur Realisierung des Antriebs der elektrischen Antriebsma¬ schine 1 tragt der Laufer 3 die Permanentmagnete 6 mit der Polpaarzahl pM, welche der bzw. einer entwickelten Polpaarzahl pM der Statorwicklung 4 entspricht. Hierbei ist es smn- voll, diejenige Polpaarzahl pM zu verwenden, deren Wicklungs¬ faktor möglichst groß ist, um einen effizienten Antrieb zu erreichen. Die Polpaarzahl pE der Lauferwicklung 5 entspricht der Polpaarzahl pE der gewählten Subharmonischen. Die Indizes „M" und „E" bezeichnen die Motorfunktion bzw. Energiefunktion der elektrischen Antriebsmaschine 1.
Allgemein berechnen sich die von einer Drehstrom- Bruchlochwicklung produzierten Polpaarzahlen v wie folgt:
v = p + 2-m~£g, g = 0,±l,±2,±3, .. (2), n
worin v auftretende harmonische Polpaarzahlen, p Polpaarzahl, m Strangzahl, n Nenner der Lochzahl q aus Gleichung (1), g Laufparameter für Harmonische.
Die von der Standerwicklung 4 entwickelte Polpaarzahl pM wird als Grundfeldpolpaarzahl definiert (vgl. auch Bezugszeichen 7) . Diese sollte, wie erläutert, für den effizienten Antrieb einen möglichst großen Wicklungsfaktor aufweisen. Die Magnete 6, die vergraben oder m dem Luftspalt 9 der Antriebsmaschine 1 angeordnet sein können, werden entsprechend dieser Polpaar- zahl pM ausgelegt. Die Lauferwicklung 5 muss mit einer Subharmonischen der Standerwicklung 4 koppeln. Entsprechend wird die Polpaarzahl der pE Lauferwicklung 5 gewählt. Gespeist wird die Standerwicklung mit einem Motorstromsystem durch den eingangs erwähnten Umrichter. Zusätzlich wird durch diesen Umrichter ein hoherfrequentes Energiestromsystem eingespeist, welches dem Motorstromsystem überlagert ist. Das von dem ho- herfrequenten Energiestromsystem verursachte Pendelmoment wird von der Trägheit des Laufers des Elektromotors bedampft.
Eine beispielhafte Antriebsmaschine konnte folgendermaßen ausgelegt sein:
Standernutzahl: N = 24,
Polpaarzahl der Motorfunktion: pM = 10, Strangzahl: m = 3
Die Lochzahl der Standerwicklung gemäß Gleichung (1) ergibt sich zu:
N 24 2 (3) .
' 2-m-p 2-3 10 5
Gemäß Gleichung (2) können folgende Polpaarzahlen auftreten:
v = p + 2-m —g = 10 + g (4) . n 5
Hieraus ergibt sich für die auftretenden Polpaarzahlen v = 10 + 12g = , -14, -2, 10, 22, (für g = 0, ±1, ±2, ) .
Der Wicklungsfaktor für die Polpaarzahl 10 (g = 0, d.h. es liegt eine Grundwelle vor, die direkt in die Permanentmagnete 6 der Antriebsmaschine einkoppelt) ergibt sich zu 0,933. Für die Polpaarzahl 2 ergibt sich der Wicklungsfaktor zu 0,067. Wird diese Subharmonische genutzt, so ist die Lauferwicklung 5 vierpolig, d.h. pE = 2, auszulegen. Wird für die Lauferwicklung 5 hingegen eine Ganzlochwicklung gewählt, so folgt für die Laufernutzahl :
N2 = 2 • m pE ■ q2 = 2 3 • 2 q2 = 12 • q2 q2 =1,2,3, ( 5 ) . Die erfindungsgemaße elektrische Antriebsmaschine weist den Vorteil auf, dass die Energieübertragung in das Aktivteil eines Motors integriert werden kann und damit kein Bauraum für den Übertrager der Energie auf den Laufer benotigt wird. Dabei kann eine weitestgehende Entkopplung von Motor- und Energieubertragungsfunktion voneinander erfolgen. Die Relativbewegung zwischen dem Laufer und dem Stander ist vorzugsweise rotatorisch. Die Relativbewegung kann jedoch auch line- ar sein. Die Permanentmagnete können am Luftspalt oder ver¬ graben in dem Laufer verbaut werden. Luftspaltmagnete können hierbei mit einer Bandage gesichert werden. Es besteht die Möglichkeit, die Antriebsmaschine als Innen- oder Außenläufer zu gestalten.
Die Standerwicklung ist vorzugsweise als Zahnspulenwicklung ausgebildet, wodurch eine einfache Fertigung der Antriebsmaschine möglich ist. Neben einer einzigen Standerwicklung wird ebenfalls lediglich ein einziger Umrichter benotigt. Die Lau- ferwicklung kann einen Verbraucher direkt oder mittels einer zwischengeschalteten Leistungselektronik speisen.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Antriebsmaschine (1) aus einem Stator (2) und einem Laufer (3), die ein Antriebssystem bilden, dem ein Energieubertragungssystem zur elektrischen Energieversorgung einer Last auf dem Laufer zugeordnet ist, wobei die Antriebs¬ funktion und die Energieubertragungsfunktion weitgehend voneinander unabhängig sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein subharmonischer Luftspaltfeldanteil zur Übertragung elektrischer Energie auf eine Lauferwicklung (5) genutzt wird.
2. Antriebsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) ein gemeinsames Aktivteil aufweist, wel- ches eine Standerwicklung (4) für die Antriebs- und die Energieubertragungsfunktion umfasst, in welche ein Motorstromsystem und ein dem Motorstromsystem überlagertes und von diesem verschiedenes Energiestromsystem eingespeist werden.
3. Antriebsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Standerwicklung (4) eine Zahnspulenwicklung ist.
4. Antriebsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) für die Antπebs- funktion Permanentmagnete (6) und für die Energieubertragungsfunktion die Lauferwicklung (5) umfasst.
5. Antriebsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polpaarzahl (pE) der Laufer- Wicklung (5) einer Polpaarzahl (pE) einer Subharmonischen des Luftspaltfelds entspricht.
6. Antriebsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polpaarzahl (pM) der Perma- nentmagnete (6) derart gewählt wird, dass diese einer von der Standerwicklung (4) entwickelten Polpaarzahl (pM) bei größtmöglichem Wicklungsfaktor entspricht.
7. Antriebsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (6) im Luftspalt (9) der Antriebsmaschine (1) angeordnet sind.
8. Antriebsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (6) in dem Laufer (3) vergraben sind.
9. Antriebsmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Motorstromsys¬ tems und des Energiestromsystems ein Umrichter mit der Standerwicklung (4) gekoppelt ist.
10. Antriebsmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiestromsystem im Vergleich zu dem Motorstromsystem eine höhere Frequenz aufweist.
EP09733077A 2008-04-18 2009-03-26 Elektrische antriebsmaschine Withdrawn EP2266186A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008019644A DE102008019644A1 (de) 2008-04-18 2008-04-18 Elektrische Antriebsmaschine
PCT/EP2009/053602 WO2009127508A2 (de) 2008-04-18 2009-03-26 Elektrische antriebsmaschine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2266186A2 true EP2266186A2 (de) 2010-12-29

Family

ID=40833496

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP09733077A Withdrawn EP2266186A2 (de) 2008-04-18 2009-03-26 Elektrische antriebsmaschine

Country Status (5)

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