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WO2010029113A2 - Elektrisches antriebssystem - Google Patents

Elektrisches antriebssystem Download PDF

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WO2010029113A2
WO2010029113A2 PCT/EP2009/061706 EP2009061706W WO2010029113A2 WO 2010029113 A2 WO2010029113 A2 WO 2010029113A2 EP 2009061706 W EP2009061706 W EP 2009061706W WO 2010029113 A2 WO2010029113 A2 WO 2010029113A2
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WO
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electric drive
stator windings
stator
package
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Werner Eck
Joachim Geiger
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Geiger Engineering
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    • H02K1/2786—Outer rotors
    • H02K1/2787—Outer rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/2789—Outer rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
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Definitions

  • the invention relates to an electric drive system.
  • Electric drives that are available today for direct current injection are usually too heavy or too low-power for these drive tasks, or they need reduction gearboxes which eliminate some of the advantages of the electric drive.
  • the engine should work emission-free, have a low power-to-weight ratio and enable high dynamics.
  • an electric drive system with the features of the protection claim 1. Further embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
  • an ultra-light electric direct drive system can be used.
  • an ultra-light, high-efficiency polyphase, permanent-magnet synchronous motor has been developed, which can drive an air screw or other force-transmitting elements directly, without reduction.
  • Such engines are known from the type of function and especially popular in model aircraft construction.
  • the engine presented here has a number of properties that are particularly advantageous over the prior art. It enables a very high continuous power / weight ratio of, for example, 0.375 kg / KW at a low specific idling speed of 47 rpm and a large torque / weight ratio above 10 Nm / kg.
  • the efficiency is well above 90% in the operating range of 9-10 KW, for example.
  • It has a constructive temperature resistance due to optimized cooling air flow.
  • a complete electrical separation of the stator iron package from the bearing block and rotor to prevent bearing destructive leakage currents is given by, for example, FRP components.
  • the manufacturing costs are low due to the simple structure, few components and a simple coil wiring in the form of three circulating in the stator phase conductors.
  • 1 shows schematically in front view a rotor bell with glued magnets of an electric drive system according to the invention
  • 2 is a schematic front view of a stator with windings and mounting of an electric drive system according to the invention
  • Fig. 5 is a sectional side view of an electric drive system according to the invention.
  • Fig. 6 the drive system according to the invention seen in perspective on the cover of the stator.
  • the motor according to the invention consists of a rotor ring 1 with a diameter of for example about 220 mm, a length of 30 mm and has 42 bonded permanent magnets or neodymium magnets 1a.
  • the rotor ring 1 is screwed, for example by means of screws 15, with a flange 1b, on which the mounting holes 17 for the propeller or a shaft are mounted.
  • the rotor bell thus constructed is mounted in a stator central piece 2, which also serves to attach the entire engine to a motor carrier.
  • stator central 2 From the stator central 2 go four beams 2a, for example, fiberglass plate material radially outward and support directly via grooves 11 in the sheets, the sheet iron package 2b centric to the rotor 1 from. About this carrier 2a and the torque is transmitted to the stator center 2.
  • the iron sheet package 2b is made of many individual iron sheets 12 with a di 0.35mm, for example, and sized as small as possible to minimize eddy current losses and weight.
  • 18 coils / stator windings 3a are divided into two of the total of 36 teeth 13 of the sheet iron package 2b. The winding sense of the two corresponding teeth is in opposite directions.
  • the engine cooling takes place via the suction effect of, for example, 42 radial bores 1d in the flange 1b, which serve for the cooling air duct 5.
  • the centrally aspirated air is passed partly through the inside of the laminated core 2b and above all by free spaces 3b between the coils.
  • An air guiding lip 1c prevents the coils from being bypassed by the cooling air.
  • the parallel connection of the individual coils allows a diameter of the winding wire of only 1, 1 mm or less and avoids losses due to thick winding heads.
  • This design allows a simple winding and interconnection of the stator windings 3a and results in triangular circuit only a DC internal resistance of about 7.5 milliohms measured between 2 phases.
  • the motor can be scaled to different power sizes by varying the depth by the length of the magnets and coil heads. That A 14 kilowatt motor would be created by extending the magnets 1a and coil heads by a factor of 1, 4.
  • FIGS. 1 to 6 serve to better understand the present invention. This is in no way limited to the illustrated embodiments, which can be supplemented, modified or modified in any desired manner.
  • the described materials used are only examples and instead of, for example, the mentioned GRP polymers also other preferably reinforced polymer materials are used, which are electrically insulating.
  • the specified dimensions also represent only one embodiment and other dimensions are possible or to adapt to the particular requirements and task units.
  • the present invention has been described herein with reference to the preferred embodiments shown in FIGS. 1-6, it is by no means limited thereto but is modifiable in a variety of ways.

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Abstract

Elektrisches Antriebssystem mit einem Rotorring (1), an welchem Magneten (1a) angeordnet sind und an welchem ein Flansch (1b) mit Bohrungen (17) zur Befestigung eines Propellers oder einer Welle angebracht ist, und welcher in einem Statorzentralstück (2) gelagert ist, das auch zur Befestigung des elektrischen Antriebssystems an einem Motorträger dient, weist weiter ein Eisenblechpaket (2b) auf, welches mit dem Stator (2) über Lamellenstege (3) verbunden ist und Statorwicklungen (3a) aufweist, die auf Zähne (8) des Eisenblechpaketes (2b) aufgewickelt sind.

Description

Elektrisches Antriebssystem
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem.
Zur Motorisierung von uitraleichten Luftsportgeräten, wie Gleitschirmen, Drachen, Starrflüglern, Trikes und ultraleichten Segelflugzeugen kommen in der Regel Verbrennungsmotoren mit Untersetzungsgetriebe zum Einsatz. Diese Verbrennungsmotoren treiben Druck,- oder Zugluftschrauben an, die dann den notwendigen Vorschub für das Fluggerät erzeugen.
Heute verfügbare elektrische Antriebe für Gleichstromeinspeisung sind für diese Antriebsaufgaben in der Regel zu schwer oder zu leistungsschwach bzw. benötigen Untersetzungsgetriebe, durch die einige Vorteile des Elektroantriebs wieder entfallen.
Die wesentlichen Nachteile der Antriebe mit Verbrennungsmotoren sind deren Lärmemission, die Geruchsbelästigung, die aufwändige Wartung und Pflege und die damit einhergehende negative Umweltverträglichkeit. In Zeiten des Klimawandels spielen ebenso die CO2 Emission, sowie die hohen Spritpreise eine maßgebliche negative Rolle.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Motorisierung insbesondere für Fluggeräte zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile des Standes der Technik behebt. Die Motorisierung soll emissionsfrei arbeiten, ein geringes Leistungsgewicht aufweisen und eine hohe Dynamik ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Zur Motorisierung von ultraleichten Luftsportgeräten, wie Gleitschirme, Drachen, Starrflügler, Trikes und ultraleichten Segelflugzeugen sowie überall dort, wo ein sehr leichter, elektrischer Antrieb Vorteile gegenüber einem Verbrennungsmotor bringt, sollte künftig erfindungsgemäß ein ultraleichtes Elektro- Direkt-Antriebssystem eingesetzt werden.
Die Vorteile wie geringer Geräuschpegel, saubere und einfache Handhabung, Wartungsfreiheit und die Sicherheit von Elektroantriebssystemen sind aus den unterschiedlichsten Bereichen bekannt.
Zu diesem Zweck wurde ein ultraleichter, hocheffizienter polyphasiger, permanenterregter Synchronmotor entwickelt, der eine Luftschraube oder andere kraftübertragende Elemente direkt, ohne Untersetzung, antreiben kann.
Solche Motoren sind von der Funktionsart bekannt und vor allem im Flugmodellbau beliebt. Der hier vorgestellte Motor hat aber eine Reihe von Eigenschaften, die besonders vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik sind. Er ermöglicht ein sehr hohes Dauerleistungs-/Gewichtverhältnis von beispielsweise 0,375 kg/KW bei niedriger spezifischer Leerlaufdrehzahl von 47 U/min und großem Drehmoment-/Gewichtsverhältnis über 10Nm/kg. Der Wirkungsgrad liegt deutlich oberhalb von 90% im Betriebsbereich von beispielsweise 9-10 KW. Er weist eine konstruktiv bedingte Temperaturfestigkeit durch optimierte Kühlluftführung auf. Ferner ist eine vollständige elektrische Trennung des Statoreisenpaketes vom Lagerblock und Rotor zur Vermeidung von Lagerzerstörenden Kriechströmen durch beispielsweise GFK-Bauteile gegeben. Die Herstellkosten sind durch den einfachen Aufbau, wenige Bauteile und eine einfache Spulenverdrahtung in Form von drei im Stator umlaufenden Phasenleitern gering.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 schematisch in der Vorderansicht eine Rotorglocke mit eingeklebten Magneten eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems; Fig. 2 schematisch in der Vorderansicht einen Stator mit Wicklungen und Lagerung eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems;
Fig. 3a bis 3c schematisch in Perspektive in der Vorderansicht und in der Seitenansicht ein Eisenblechpaket mit Träger, vorgesehen für das Anordnen der Wicklungen,
Fig. 4a bis 4c schematisch in Perspektive in der Vorderansicht und in der Seitenansicht das Eisenblechpaket mit Träger angeordnet innerhalb der Rotorglocke,
Fig. 5 einen Schnitt in der Seitenansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems, und
Fig. 6 das erfindungsgemässe Antriebsystem in Perspektive gesehen auf den Abdeckflansch des Stators.
Das elektrische Antriebssystem wird im Folgenden anhand der vorher genannten Figuren beschrieben. Der erfindungsgemäße Motor besteht aus einem Rotorring 1 mit einem Durchmesser von beispielsweise ca. 220 mm, einer Länge von 30 mm und weist 42 eingeklebte Permanentmagnete bzw. Neodymmagneten 1a auf. Der Rotorring 1 ist beispielsweise mittels Schrauben 15 verschraubt, mit einem Flansch 1b, an dem auch die Befestigungsbohrungen 17 für den Propeller bzw. eine Welle angebracht sind.
Die so aufgebaute Rotorglocke ist in einem Statorzentralstück 2 gelagert, das auch zur Befestigung des ganzen Motors an einem Motorträger dient.
Von dem Statorzentralstück 2 gehen vier Träger 2a aus beispielsweise GFK- Plattenmaterial radial nach außen und stützen direkt über Nuten 11 in den Blechen das Eisenblechpaket 2b zentrisch zum Rotor 1 ab. Über diese Träger 2a wird auch das Drehmoment auf das Statorzentralstück 2 übertragen. Das Eisenblechpaket 2b ist dabei aus vielen einzelnen Eisenblechen 12 mit einer Di- cke von beispielsweise 0,35mm aufgebaut und so klein wie möglich dimensioniert, um die Wirbelstromverluste und das Gewicht gering zu halten. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind 18 Spulen/ Statorwicklungen 3a dabei auf jeweils zwei der insgesamt 36 Zähne 13 des Eisenblechpaketes 2b aufgeteilt. Der Wickelsinn der beiden korrespondierenden Zähne ist dabei gegensinnig.
Die Motorkühlung erfolgt über die Sogwirkung von beispielsweise 42 radialen Bohrungen 1d im Flansch 1b, die der Kühlluftführung 5 dienen. Die zentral angesaugte Luft wird zum Teil über die Innenseite des Blechpaketes 2b und vor allem durch Freiräume 3b zwischen den Spulen geleitet. Eine Luftführungslippe 1c verhindert die Umgehung der Spulen durch die Kühlluft.
Die Träger 2a resp. die Lamellenstege 3 aus beispielsweise GFK, dienen der vollständigen elektrischen Trennung des Statoreisenpaketes vom Lagerblock und Rotor zur Vermeidung von Lagerzerstörenden Kriechströmen. Die Sammlung der Statorwicklungen 3a erfolgt über drei kreisförmig angeordnete Ringleitungen 4. Die Parallelschaltung der Einzelspulen erlaubt einen Durchmesser des Wickeldrahtes von nur 1 ,1 mm oder weniger und vermeidet Verluste durch dicke Wickelköpfe.
Diese Auslegung ermöglicht eine einfache Bewicklung und Verschaltung der Statorwicklungen 3a und ergibt bei Dreiecksschaltung nur einen Gleichstrom- Innenwiderstand von etwa 7,5 Milliohm zwischen 2 Phasen gemessen.
Der Motor ist in verschiedene Leistungsgrößen skalierbar, indem die Bautiefe durch die Länge der Magnete und Spulenköpfe variiert wird. D.h. ein 14 Kilowatt Motor würde durch Verlängerung der Magnete 1a und Spulenköpfe mit dem Faktor 1 ,4 entstehen können.
Die unter Bezug auf die Figuren 1 bis 6 beschriebenen Ausführungsbeispiele, dienen für das bessere Verständnis der vorliegenden Erfindung. Diese ist keinesfalls auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, welche auf x- beliebige Art und Weise ergänzt, abgeändert oder modifiziert werden können. Insbesondere auch die beschriebenen verwendeten Materialien sind lediglich Beispiele und anstelle beispielsweise des erwähnten GFK Polymeren können auch andere vorzugsweise verstärkte Polymermaterialien verwendet werden, welche elektrisch isolierend sind. Bei einigen Metallteilen ist ggf. auch die Verwendung von Leichtmetallen wie insbesondere Aluminium möglich. Auch die angegebenen Bemassungen stellen lediglich ein Ausführungsbeispiel dar und andere Dimensionierungen sind möglich, bzw. an die jeweiligen Anforderungen und Begebeneinheiten anzupassen. Dasselbe gilt natürlich auch für die erwähnte Anzahl von Zähnen, die angeführte elektrische Speisung, etc. etc. So ist es beispielsweise möglich, anstelle der dargestellten 3 Ringleitungen, 4 Ringleitungen vorzusehen, wodurch ein 2-phasen System ermöglicht wird. Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der in den Figuren 1 bis 6 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen vorliegend beschrieben wurde, ist sie keinesfalls darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Antriebssystem mit: einem Rotorring (1), an welchem Magneten (1a) angeordnet sind und an welchem ein Flansch (1b) mit Bohrungen zur Befestigung eines Propellers oder einer Welle angebracht ist, und welcher in einem Statorzentralstück (2) gelagert ist, das auch zur Befestigung des elektrischen Antriebssystems an einem Motorträger dient; und einem Eisenblechpaket (2b), welches mit dem Stator (2) über Lamellenstege (3) verbunden ist und Statorwicklungen (3a) aufweist, die auf Zähne (8,13) des Blechpaketes (2b) aufgewickelt sind.
2. Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten (1a) Permanent- bzw. Neodynmagneten ausgebildet sind.
3. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten (1a) auf den Rotorring (1) aufgeklebt sind.
4. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eisenblechpaket (2b) über Träger (2a) aus elektrisch nicht leitendem Material am Rotor (1) abgestützt ist.
5. Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger (2a) aus einem nicht leitenden verstärkten Polymer wie aus GFK gebildet sind.
6. Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Eisenblechpaket (2b) über mindestens 4 Träger (2a) abgestützt ist.
7. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklungen (3a) jeweils auf zwei Zähne (8,13) des Eisenblechpaketes (2b) aufgeteilt sind.
8. Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklungen (3a) jeweils auf zwei Zähne (8,13) des Eisenblechpaketes (2b) mit gegensinnigem Wickelsinn aufgeteilt sind.
9. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bohrungen (1d) zur Kühlung des elektrischen Antriebssystems im Flansch (1b) angeordnet sind.
10. Elektrisches Antriebssystem (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftführungslippe (1c) vorgesehen ist, die in Freiräume (3b) zwischen den Statorwicklungen (3a) hineinragt, um eine Umgehung der Statorwicklungen (3a) durch die Kühlluft zu verhindern.
11. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftführungslippe (1c) kreisrund von der flanschartigen Abdeckung (1b) gegen die Freiräume bzw. in diese hineinragend ausgebildet ist, in den Bereich der Freiräume zwischen Statorwicklungen und Statorzentralstück (2) im Bereich unterhalb der Statorwicklungen (3a).
12. Elektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Magneten (1a) am Rotorring (1) und den Statorwicklungen (3a) bzw. den Zähnen (8,13) des Eisenblechpaketes (2b) ein kleiner Luftspalt ausgebildet ist.
13. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei kreisförmig angeordnete Ringleitungen (4) vorgesehen sind, die die jeweiligen Statorwicklungen (3a) verbinden.
4. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Dreiecksschaltung des elektrischen Antriebssystems der Gleichstrom-Innenwiderstand zwischen zwei Phasen nicht mehr als 7,5 Milliohm beträgt.
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