DE10064377A1

DE10064377A1 - Bürstenlose elektrische Maschine

Info

Publication number: DE10064377A1
Application number: DE2000164377
Authority: DE
Inventors: Elsayed Hemead
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2002-07-18
Also published as: WO2002050975A3; WO2002050975A2; AU2002240853A1

Abstract

Bei genuteten Ankern (Ständerblechpaket), bei denen die Ständerzähnezahl Z ein Vielfaches der Phasenanzahl m ist, treten bei bürstenlosen elektrischen Maschinen im stromlosen Zustand Rastmomente auf, die eine Folge der magnetischen Vorzugsrichtung der ferromagnetischen Zähne sind. DOLLAR A Die Rastmomente können minimiert werden, indem die Ständerzähnezahl Z mit DOLLAR A Z = m È (P/2 +- C) DOLLAR A gewählt ist, wobei P/2 nicht durch m teilbar sein soll und C eine Konstante ist, die, sofern die Polpaarzahl P geradzahlig ist, folgenden Bedingungen genügt DOLLAR A 0 < C < P/2 mit DOLLAR A C = (2 È n - 1), wenn P/2 eine gerade Zahl ist und DOLLAR A C = 2 È n, wenn P/2 eine ungerade Zahl ist mit n = 1, 2, 3, ..., DOLLAR A bei C > 1 ist P/2 nicht durch C teilbar DOLLAR A und, sofern P ungeradzahlig ist, DOLLAR A auch der Ausdruck (P/2 +- C) ungeradzahlig ist und C der Bedingungen genügt: DOLLAR A C = 1/2 È (2n - 1) mit n = 1, 2, 3, ...,.

Description

Die Erfindung betrifft eine bürstenlose elektrische Maschine mit einem Permanentmagnetläufer mit P Polpaaren, einem genu teten Ständer mit Z Ständerzähnen und einer m-phasigen Stän derwicklung, wobei die Ständerzähnezahl Z ein Vielfaches der Phasenanzahl m ist.

Derartige Maschinen werden als hochpolige Variante insbeson dere als Direktantriebe ohne Untersetzungsgetriebe einge setzt.

Ein direkter Antrieb ohne Untersetzungsgetriebe bietet meh rere Vorteile sowohl im stationären Betrieb als auch bei dy namischen Vorgängen gegenüber einem Antrieb mit Unterset zungsgetriebe. Ein direkter Antrieb setzt das Vorhandensein einer langsam laufenden elektrischen Maschine voraus. Je niedriger die Leerlauf-Nenndrehzahl der elektrischen Maschi ne ist, um so größer wird deren Magnetläuferpolzahl, wenn ein hoher Wirkungsgrad, ein hohes Leistungs-Gewichts- Verhältnis und niedrige Herstellungskosten zu erzielen sind. Kennzeichnend für einen Direktantrieb ist dann ein geräusch armes Verhalten im gesamten Betriebsbereich und ein hervor ragend regelbares Verhalten.

Bei genuteten Ankern (Ständerblechpaket) treten bei bürsten losen elektrischen Maschinen im stromlosen Zustand Rastmo mente auf, die eine Folge der magnetischen Vorzugsrichtung der ferromagnetischen Zähne sind.

Insbesondere bei hochpoligen Magnetläufern einer elektri schen Maschine, deren Magnete aus Neodym-Eisen-Bor- Magnetmaterial (Nd-Fe-B) bestehen, treten starke Rastmo mente auf, da diese vom quadratischen Wert der Remanenzin duktion des verwendeten Magnetmaterials abhängig sind.

Die Minimierung der Rastmomente erweist sich als schwierig.

Es sind verschiedenen Maßnahmen zur Verminderung der Rastmo mente bekannt. Alle diese Maßnahmen verursachen jedoch ent weder die Erhöhung der Herstellungskosten oder die Reduzie rung der Maschinenausnutzung oder sie sind aus technischer und wirtschaftlicher Hinsicht nicht geeignet für hochpolige Maschinen.

Beispiele für bekannte Maßnahmen zur Verminderung der Rast momente sind die folgenden:

- Verwendung von geeigneten Magnetpolflächen und/oder dazu angepaßten Formen der Ständerzähne, so daß der Abstand zwi schen den beiden gegenüberstehenden Flächen (Pol- und Zahn fläche) in der Mitte am kleinsten und nach außen hin größer wird.

Die besondere Form der Ständerzähne und der Magnete sind bei gesinterten Magnetmaterial wie Neodym-Eisen-Bor Magneten al lerdings sehr kostspielig in der Herstellung.

Permanentmagnet-Hersteller bieten aus wirtschaftlichen Grün den Hochenergie-Permanentmagnete, wie z. B. Neodym-Eisen-Bor Permanentmagnete, in vorgefertigter Form, z. B. Quader bzw. Streifen, an. Die Herstellung von Magnetläufern einer hoch poligen elektrischen Maschine mit quader- oder streifenför migen Magneten ist die preisgünstigere Lösung, wenn ein ho hes Leistungsgewicht und eine kompakte Bauweise der Maschine zu erzielen sind.

- Anwendung von magnetischen Nutkeilen.
- Vergrößerung des Luftspaltes der elektrischen Maschine.
- Schrägung der Nuten des Ständerblechpaketes und/oder Schrägung (Versetzung) der Permanentmagneten.
- Vergrößerung der Nutschlitzwinkel.

Die letztgenannten Maßnahmen vermindern jedoch alle die Ma schinenausnutzung.

Alle diese Maßnahmen führen zu einer drastischen Verminde rung der Augenblickswerte der Normalkomponente der Flußdich te (Induktion) im Luftspalt der elektrischen Maschine. Die Folge ist ein reduzierter Induktionsmittelwert im Luftspalt. Das führt zu einem geringeren Drehmoment bzw. zu einer ge ringeren Leistungsabgabe der Maschine.

Will man trotzdem solche Maßnahmen bei hochpoligen elektri schen Maschinen anwenden, so muß man damit rechnen, daß der Strombelag der Maschine erhöht werden muß, um das ausgelegte Drehmoment bzw. die elektrische Leistung zu erreichen. Das führt zur drastischen Erwärmung und zu einer kurzen Lebens dauer der Maschine.

Abhilfe bringt dann nur die Vergrößerung der Maschine. Das führt bekanntlich wieder zu höheren Herstellungskosten und kleinerem Leistungs-Gewichts-Verhältnis der Maschine.

Üblicherweise ergibt sich die Ständerzähnezahl Z, bezogen auf die Polpaarzahl 2P des Permanentmagnetläufers und die Phasenzahl m der Maschine durch die folgenden Gleichungen:

Z = m.[2P] (1)

bei Maschinen mit einer Lochzahl = 1
und

Z = m.[P] (2)

bei Maschinen mit einer Lochzahl = 1/2

Es ist auch bekannt, daß die Anzahl der Verzahnungen bei je der Umdrehung der Läufer-Magnetpole gleich dem kleinsten ge meinsamen Vielfachen k von Z und 2P und die Anzahl gleich zeitiger Verzahnungen gleich dem größten gemeinsamen Teiler g von Z und 2P ist.

Beispielsweise treten bei einer dreiphasigen Maschine mit 2P = 96 Magnetpole und Z = 288 Ständerzähnen nach Gleichung (1) 288 Verzahnungen und 96 mal gleichzeitige Verzahnungen bei jeder Umdrehung auf. Die Spitzenwerte von 96 einzelnen Magneten addieren sich hierbei.

Aus der DE-T 38 87 011 ist bereits eine bürstenlose elektri sche Maschine bekannt, deren Rastmomente durch eine Zuord nung der Ständerzähnezahl zur Anzahl der Magnetpole mini miert werden sollen. Die Zähnezahl Z soll der Gleichung

Z = (P ± N).m genügen, wobei

P die Polpaarzahl
N eine natürliche Zahl und
M die Phasenzahl
ist. Dabei soll die Bedingung gelten, daß

0 < N < P - 2P/m ist, so daß Z < 2P wird.

Auch bei dieser Ausführung addieren sich jedoch bei bestimm ten Rotorwinkeln die Verzahnungen je nach der Wahl der Zahl N, so daß Restmomente verbleiben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Auftreten von Rastmomenten zu vermindern, auch bei Verwendung von hochwertigen Permanentmagneten, z. B. aus Neodym-Eisen-Bor- Magnetmaterialien, die auch in Form von Quadern oder Strei fen vorliegen können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Ausgehend von den Gleichungen (1) und (2) kann man all gemein schreiben:

Z = m.2P.q (3)

mit q als Lochzahl

Mit Gleichung (3) gilt für q = 1:

Z = m.2P.[2P/2P] (4)

Und für q = 1/2 geht Gleichung (3) über in

Z = m.2P.[P/2P] (5)

Der Ausdruck in der rechteckigen Klammer gibt die Lochzahl der Maschine an. Der Zähler oder sogar der Nenner stellt ge rade bei Standard-Ausführungen den größten gemeinsamen Tei ler von Z und 2P dar. Wie hier in den Gleichungen (4) und (5) ist der Zähler gleich der Polzahl bzw. der Polpaarzahl der Maschine und spiegelt den größten gemeinsamen Teiler (g) wieder. Er ist auch der größte gemeinsame Teiler von 2P und dem Betrag [Z - 2P]. Der Nenner gibt die Polzahl der Ma schine an.

Wenn aber der Zähler in den rechteckigen Klammer eine unge rade Zahl ist, so ist auch kein gleichzeitiges Auftreten der Spitzenwerte der einzelnen Magneten möglich und somit nur ein geringes Rastmoment gegeben.

Die elektrische Maschine wird deshalb erfindungsgemäß mit der folgenden Ständerzähnezahl Z ausgeführt:

Lochzahl q = [Passende ungerade Zahl/2P]

q = [P/2 ± C]/2P (6)

Z = m.2P.[P/2 ± C]/2P

bzw.

Z = m.(P/2 ± C) (7)

mit
Z = Ständerzähnezahl
m = Phasenzahl
P = Magnetläuferpolpaarzahl
P/2 wird als nicht durch m teilbar gewählt.

C ist eine Konstante, die folgenden Bedingungen erfüllen muß:

1. P ist geradzahlig
0 < C < P/2 (8)
mit
C = (2.n - 1) (9)
wenn P/2 eine gerade Zahl ist
und
C = 2.n (10)
wenn P/2 eine ungerade Zahl ist
mit n = 1, 2, 3, . . .
sowie
bei C < 1
ist [P/2 + C] nicht durch [C] (11)
teilbar.
2. P ist ungeradzahlig
C = 1/2.(2n - 1) mit n = 1, 2, 3, . . ., wobei
auch der Ausdruck (P/2 ± C) als ungeradzahlig gewählt wird.

Bei der Einhaltung eines bestimmten Mindestabstandes zwi schen den einzelnen Magnetpolen und der Erfüllung der Glei chung (7) unter den Bedingungen (8 bis 11) wird das Rastmoment verschwindend klein, auch bei Verwendung von Mag netpolen aus Magnetmaterial mit sehr hoher Remanenzindukti on.

Es ergibt sich vorteilhaft eine Lochzahl kleiner als 0,5. Damit wird auch die Spulenzahl der Ständerwicklung im gesam ten Zahlenbereich kleiner und es ist ein technologisch ein faches Wickeln der Spulen um die Ständerzähne der Maschine möglich.

Auch die Zahnbreiten können mit der Erfindung in einem tech nisch vorteilhaften Bereich ausgeführt werden. Dazu finden Maschinen mit sinusförmig induzierten Spannungen (Synchron maschinen) oder mit rechteckig bzw. trapezförmig induzierten Spannungen (bürstenlose Gleichstrommaschinen) Anwendung.

Für die Ständerzähnezahl des jeweiligen Ständers werden für Maschinen mit rechteckig bzw. trapezförmig induzierten Span nungen vorzugsweise niedrige Werte und für Maschinen mit sinusförmig induzierten Spannungen vorzugsweise höhere Werte gewählt.

Bei einer dreiphasigen Ausführung der Maschine ergibt sich beispielsweise eine Anzahl von 2P Polen, die ≧ 16 sowie durch 4, aber nicht durch 3 teilbar sind.

Zweckmäßig wird die Anzahl der Zähne größer gehalten als die Anzahl der Polpaare.

Die Erfindung ist sowohl für Außenläufer- als auch für In nenläufermaschinen anwendbar.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnun gen zeigen

Fig. 1 eine Teilansicht einer als Außenläufermotor ausge bildeten erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 eine Teilansicht einer zweiten Variante der elekt rischen Maschine,

Fig. 4 einen Ausschnitt aus Fig. 3 in vergrößerter Darstellung,

Fig. 5 den diskreten Verlauf des Rastmomentes der Maschi ne nach der ersten Variante in Abhängigkeit von der Läuferposition,

Fig. 6 den diskreten Verlauf des Rastmomentes einer e lektrischen Maschine nach dem Stand der Technik mit gleicher Ständerzähnezahl in Abhängigkeit der Läuferposition,

Fig. 7 den diskreten Verlauf des Rastmomentes einer er findungsgemäßen Maschine nach der zweiten Variante in Abhängigkeit von der Läuferposition und

Fig. 8 den diskreten Verlauf des Rastmomentes einer Ma schine nach einer dritten Variante.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung der erfindungs gemäßen Maschine. Fig. 2 gibt einen Hinweis auf den notwen digen Abstand zwischen den einzelnen Magnetpolen (Pollücke). Alle Magnetpole haben gleiche Abmessungen. Auch die Pollü cken zwischen der einzelnen Magneten haben gleiche Abmessun gen.

Die dargestellte Maschine hat einen als Permanentmagnetläu fer ausgebildeten Maschinenteil, hier als Läufer 111 be zeichnet, und einen als Ständer 222 ausgebildeten zweiten Maschinenteil.

Der Läufer 111 besteht im wesentlichen aus einem Läuferjoch 11, der aus massivem weichmagnetischem Material hergestellt ist und den permanentmagnetischen Feldmagneten 11 bis 140, die in Form von Streifen aus Neodym-Eisen-Bor-Magnetmaterial bestehen und auf der Innenwandung des Läuferjoches 11 ange ordnet sind.

Die Anordnung der Feldmagnete 11 bis 140 mit wechselnder Mag netisierung sind in der Zeichnung durch die Buchstaben N (Nordpol) und S (Südpol) angegeben.

Der Ständer 222, der mit einem Ständerkern 22 mit 33 Stän derzähnen 2 ₁ bis 2 ₃₃ und 33 Nuten 4 ₁ bis 4 ₃₃ versehen ist, ist aus einem geblechtem weichmagnetischem Material (Blechpaket) gebildet.

Die Ständerzahnflächen 21 ₁ bis 21 ₃₃ und die Feldmagnete 1 ₁ bis 1 ₄₀ des Läufers 111 liegen durch einen Luftspalt 5 getrennt. Um die Ständerzähne 2 ₁ bis 2 ₃₃ herum sind 33 Spulen 3 ₁ bis 3 ₃₃ gewickelt.

Es wurde die Läuferpolzahl 2P = 40 für den Ständer 222 ge wählt. Damit ergibt sich nach Gleichung (6) die Zähnezahl Z = 33. Es liegt also eine Lochzahl von q = 11/40 zugrunde. Eine versuchsweise so gebaute Maschine mit einem Läufer 111 aus Neodym-Eisen-Bor-Magnetmaterial in Form von Streifen mit einer Remanenzinduktion von 1,23 Tesla weist ein Still standsmoment pro Axiallänge von 1520 Nm/m auf.

Fig. 5 zeigt den diskreten Verlauf des Rastmomentes der Ma schine. Der Spitzenwert des Rastmomentes pro Axiallänge be trägt 0,62 Nm/m. Das entspricht 0,04% des Stillstandsmo mentes der Maschine.

Um die Höhe der Spitzenwerte des Rastmomentes vergleichen zu können, wurde die Maschine mit einer herkömmlichen Maschine mit einer Ständerzähnezahl Z = 33 und mit einer Magnetpol zahl 2P = 44 verglichen. Die Feldmagnete bestanden ebenfalls aus Neodym-Eisen-Bor-Magnetmaterial mit einer Remanenzinduk tion von 1,23 Tesla in Form von Streifen. Das Stillstandsmo ment pro Axiallänge beträgt 1600 Nm/m. Den diskreten Ver lauf des Rastmomentes in Abhängigkeit der Läuferposition zeigt Fig. 6. Mit dieser Maschinenausführung beträgt der Spitzenwert des Rastmomentes pro Axiallänge 100 Nm/m. Das entspricht 6,25% des Stillstandsmomentes. Dieser hohe Spitzenwert des Rastmomentes ist typisch bei elektrischen Maschinen, deren Magnetpole aus Neodym-Eisen-Bor-Magneten mit einem Ständerzähnezahl-Läuferpolzahl-Verhältnis Z/2P = 3/4 bzw. 3/2 sind.

Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine hat eine Läuferpolzahl 2P = 64 und wurde nach Gleichung (7) mit einem Ständer mit einer Zähnezahl Z = 51 ausgeführt. Die Lochzahl betragt q = 17/64. Die Maschine hat ein Still standsmoment pro Axiallänge von 1750 Nm/m. Den diskreten Verlauf des Rastmomentes pro Axiallänge in Abhängigkeit von der Läuferposition zeigt Fig. 7. Der maximale Wert des Rast momentes pro Axiallänge beträgt 1,16 Nm/m. Dieser maximale Wert ist jedoch sehr klein und entspricht 0,066% des Stillstandsmomentes der Maschine. Die in Fig. 3 dargestellte Maschine entspricht baumäßig der ersten Ausführungsform. Die Anzahl der Feldmagnete 1 ₁ bis 164 betragt 2P = 64, die der Ständerzähne 1 ₁ bis 1 ₅₁ betragt Z = 51. Die Feldmagnete 1 ₁ bis 1 ₆₄ sind aus Neodym-Eisen-Bor-Magnetmaterial und haben die Form von Streifen.

Fig. 4 gibt einen Hinweis auf den notwendigen Abstand zwi schen den einzelnen Magnetpolen (Pollücke).

Mit dem gleichen Läufer, das heißt der Magnetpolzahl 2P = 64 wurde eine Maschine mit einem Ständer ausgeführt, dessen Zähnezahl nach Gleichung (7) Z = 57 beträgt.

Fig. 8 zeigt den Verlauf des Rastmomentes pro Axiallänge dieser Maschine in Abhängigkeit von der Läuferposition. Aus der Zeichnung geht hervor, daß der maximale Wert des Rastmo mentes pro Axiallänge 1,7 Nm/m beträgt. Er liegt damit höher als bei der Maschine nach der zweiten Variante mit ei nem Ständer, deren Zähnezahl 51 ist. Mit diesem Wert hat die Maschine jedoch immer noch einen gleichförmigen Lauf bei sehr kleinen Drehzahlen.

Bezugszeichenliste

111

Läufer

222

Ständer

11

Läuferjoch

1 ₁

-

1 _n

Feldmagnete

22

Ständerkern

2 ₁

-

2 _n

Ständerzähne

4 ₁

-

4 _n

Nuten

21 ₁

-

21 _n

Ständerzahnflächen

5

Luftspalt

3 ₁

-

3 _n

Spulen
N Nordpol
S Südpol

Claims

1. Bürstenlose elektrische Maschine mit einem Permanentmag netläufer mit P Polpaaren, einem genuteten Ständer mit Z Ständerzähnen und einer m-phasigen Ständerwicklung, wo bei die Ständerzähnezahl Z ein Vielfaches der Phasenan zahl m ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ständerzähnezahl Z mit
Z = m.(P/2 ± C)
gewählt ist, wobei P/2 nicht durch m teilbar sein soll und C eine Konstante ist, die, sofern P geradzahlig ist, folgenden Bedingungen genügt:
0 < C < P/2 mit
C = (2.n - 1), wenn P/2 eine gerade Zahl ist und
C = 2.n, wenn P/2 eine ungerade Zahl ist mit n = 1, 2, 3, . . .,
bei C < 1 ist P/2 nicht durch C teilbar
und, sofern P ungeradzahlig ist,
auch der Ausdruck (P/2 ± C) ungeradzahlig ist und C der Bedingungen genügt:
C = 1/2.(2n - 1) mit n = 1, 2, 3, . . .,.

2. Bürstenlose elektrische Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Phasenzahl zu m = 3 gewählt ist.