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EP4430731A1 - Electrical multi-phase machine - Google Patents

Electrical multi-phase machine

Info

Publication number
EP4430731A1
EP4430731A1 EP23700851.1A EP23700851A EP4430731A1 EP 4430731 A1 EP4430731 A1 EP 4430731A1 EP 23700851 A EP23700851 A EP 23700851A EP 4430731 A1 EP4430731 A1 EP 4430731A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stator
winding
machine according
rotor
phase machine
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.)
Pending
Application number
EP23700851.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Tobias Wagner
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.)
Liebherr Electronics and Drives GmbH
Original Assignee
Liebherr Electronics and Drives GmbH
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
Priority claimed from DE102022106995.8A external-priority patent/DE102022106995A1/en
Application filed by Liebherr Electronics and Drives GmbH filed Critical Liebherr Electronics and Drives GmbH
Publication of EP4430731A1 publication Critical patent/EP4430731A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/24—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/10—Applying solid insulation to windings, stators or rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/04—Machines with one rotor and two stators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/22—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating around the armatures, e.g. flywheel magnetos
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/12—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors arranged in slots
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/30—Windings characterised by the insulating material

Definitions

  • the present invention relates to an electric multi-phase machine with a stator arrangement and a rotor which is mounted such that it can rotate relative thereto and which forms an external rotor which encloses the stator arrangement on the outside.
  • the electric machines not only have to achieve high power densities, but also provide high drive torques in order to be able to replace hydraulic drive concepts.
  • External rotor machines are particularly suitable for high torques, as they can regularly provide a higher torque than internal rotor machines with the same external dimensions.
  • the rotor running on the outside poses particular challenges in terms of size. In particular, slim, elongated designs can hardly be realized.
  • External rotors are usually designed as disc rotors with short iron lengths and short diameters in order to be able to control the then lower tilting moments with a one-sided, offset bearing.
  • such disc rotors with short iron lengths and large diameters can only be accommodated with difficulty in construction machinery, conveyor vehicles or hoists, since the installation space there is limited.
  • the winding coils can be wound in a concentrated manner, but this tends to lead to relatively large ripples in the torque output.
  • there is a high temperature load on the winding since the usual cooling at the winding overhangs that protrude over the stator laminations is omitted in the case of concentrated windings or no longer functions to a sufficient extent.
  • the present invention is based on the object of creating an improved electric multiphase machine which avoids the disadvantages of the prior art and develops the latter in an advantageous manner.
  • a compact size is to be achieved which permits high current densities and can provide high torques and high power densities without overheating as a result of the high current densities.
  • the torque output should preferably not show any excessive ripples and high availability and a low probability of failure of the multiphase machine should also be achieved.
  • the stated object is achieved by an electric multi-phase machine according to claim 1. Preferred developments of the invention are the subject matter of the dependent claims.
  • the winding coils are not cast and cooling gaps that can be flushed through by cooling liquid are provided between adjacent sections of the winding wire of a coil.
  • the cooling liquid can flow around the winding wire directly from several sides and penetrate between adjacent winding wire sections.
  • the winding wire of the winding coils can have a trapezoidal cross-section rather than a round cross-section and not a rectangular cross-section.
  • gaps form in a simple manner between adjacent wire sections when the coil is wound.
  • this can also be achieved with a triangular wire cross-section or generally a cross-section tapering from one side to the opposite side.
  • the winding wire is advantageously wound in such a way that the broader back of the cross section is in contact with the stator plate or tooth and/or the narrower side of the cross section projects towards the middle of the stator gap.
  • the gap between two adjacent wire sections widens towards the middle of the stator slot, which makes it easier for the coolant to penetrate.
  • the winding coils can be wound in a single layer.
  • the winding wire can essentially be washed completely.
  • the winding wire of the winding coils is coated in an electrically insulating manner, for example provided with a coating made of a high-temperature-resistant thermoplastic, in particular with a PEEK coating.
  • stator slots connected in parallel to one another are connected to an inlet distributor for the supply of cooling liquid and that the cooling liquid can flow through them in parallel.
  • the stator arrangement comprises two stators which are surrounded on the outer circumference by the common rotor, the rotor being supported between the two stators on an internal motor shaft or axis surrounded by the stators. Due to the central support of the rotor, much larger Greater rotor lengths can be mastered with regard to the bearing forces than is the case with disc rotors with one-sided, offset bearing, so that overall significantly slimmer, elongated designs can be realized, while nevertheless high torques can be achieved at the same time.
  • the proposed arrangement thus combines the ease of installation and form of an internal rotor with the higher torque density of an external rotor.
  • such several stators combined under a common external rotor can be cooled by liquid cooling, which supplies the two stators equally with fresh or cold cooling liquid that has not yet been heated by the other stator, with the two stators being able to be cooled in particular in parallel in order to improve the cooling effect.
  • the two stators can be arranged in parallel in a coolant circuit, so that both stators can be equally charged with coolant that is still cool and one stator does not receive the coolant that has already been heated by the other stator, as is the case with serial coolant arrangements or with a single, continuous and long stator.
  • two separate cooling circuits can also be provided for the two stators, in order to be able to charge the two stators equally with cool coolant.
  • the two stators are of at least essentially the same length and are arranged symmetrically to the common rotor, with the rotor extending over both stators being able to be supported centrally and thus in a balanced manner.
  • Said rotor can protrude equally on both sides, viewed from the bearing point, or be embodied symmetrically with respect to the central bearing point.
  • the two stators mentioned can form a symmetrical arrangement with respect to the central support point of the rotor.
  • the stator-side winding can also have a multi-phase design and a star point can be dispensed with.
  • the stator-side winding comprises at least four or at least five or at least six phases or more and is designed without a star.
  • Such a multi-phase winding without a star point can significantly reduce the torque ripple, in particular by more than 50%, even if the winding coils are wound in a concentrated manner.
  • Machines with concentrated winding tend to have a relatively high ripple in the torque curve.
  • the frequency of the torque ripple increases, while at the same time its amplitude decreases.
  • the number of phases is preferably odd in order to obtain a maximum winding factor, five phases or seven phases or nine phases or more advantageously being able to be provided.
  • the number of poles can be larger or smaller than the number of phases.
  • operation optimization can be achieved through intelligent, individual current supply of the individual phases depending on the load range and position of the rotor.
  • the average copper temperature or wire temperature can be reduced for certain load ranges by adjusting the current supply. Since, in principle, no zero-sum current condition applies to multi-phase windings without a star point, ie the sum of the phase currents does not necessarily have to be zero must, in principle different or arbitrary current forms can be realized.
  • stator-side winding can have a nine-phase design without a star point.
  • a winding with nine phases is a good compromise between low ripple in the torque behavior and still moderate assembly effort with a compact design.
  • more than nine winding phases can be considered, for example eleven phases or thirteen phases or else fifteen phases.
  • a winding with nine phases achieves a sufficient reduction in torque ripple and can also be installed with concentrated winding with reasonable effort.
  • the winding is advantageously formed in a concentrated manner.
  • a concentrated winding means that each tooth of the stator's stator laminations is wrapped by the winding wire and the winding wire of a coil is not wound around several teeth at the same time.
  • Such a concentrated winding has a high degree of automation and allows short winding heads. As a result, the losses in a coil can be reduced due to the reduced copper expenditure and a higher power density can be achieved due to the smaller installation space requirement.
  • the usual disadvantage of concentrated windings namely the ripple in the torque output, can be compensated.
  • the winding phases of the stator-side winding are advantageously connected to a control circuit that can supply current to the individual phases individually and variably.
  • the control circuit mentioned can have an inverter with full bridges, preferably in the form of H-bridges, for energizing the individual phases.
  • the drive circuit can be configured to energize the individual phases individually with a single time offset, so that, for example, if one phase fails due to a fault, the timing of the energization of the remaining phases can be adjusted in order to achieve smooth, harmonious operation.
  • the length and/or height of the current pulses can also be varied in order to achieve operational optimization, for example by adjusting the energization to lower the mean wire temperature for certain load ranges.
  • the multiphase machine can be a permanent magnet excited machine, for example in the form of a permanent magnet excited synchronous machine.
  • the stators can be provided with a multi-phase winding, while the rotor is provided with permanent magnets.
  • At least two permanent magnets or two fields of permanent magnets can be provided on the rotor, which are arranged on both sides of the central support of the rotor, in particular on both sides of a central or central bearing flange of the rotor, with which the rotor is supported between the stators on the internal motor shaft or axis.
  • the support or bearing of the rotor can fundamentally be designed differently, for example, it can comprise two angular bearings set against one another, for example in the form of tapered roller bearings.
  • the rotor can also be supported at two points by a simple fixed/loose bearing, with the loose bearing essentially only absorbing radial forces and the fixed bearing being able to absorb radial and axial forces.
  • the bearing can be designed differently.
  • the rotor can rotate about the central support with the internal Be connected to the motor shaft, preferably axially fixed and tilt-resistant, clamped axially, for example, via a splined shaft connection or gearing.
  • the internal motor shaft or axis can be mounted on opposite end sections or opposite housing sections, for example by means of the aforementioned fixed-loose mounting.
  • the bearing of the motor shaft or axis can be provided in the area of the opposite axial end faces of the stator arrangement. As a result, stable support can be achieved through the correspondingly large bearing spacing.
  • the rotor can have an axial length that is greater than an outer diameter of the rotor.
  • the axial length of the rotor can be in the range of 125% to 500% or 125% to 200% of the rotor diameter.
  • the two stators can together have an axial length which is in the range of the axial length of the rotor, but can be a little smaller or a little larger in comparison.
  • the sum of the two stators, each measured as their iron length can be 75% to 100% of the total axial length of the rotor.
  • the total iron length of the two stators can correspond approximately to the sum of the axial lengths of the two arrays of permanent magnets attached to the rotor.
  • the proposed structure of the multiphase machine can create a machine series in which the machines or machine models can basically have the same structure, but the number of phases can vary depending on the size.
  • Fig. 2 a fragmentary longitudinal section through one of the stators of the multi-phase machine from Fig. 1, showing the coolant flow through the stator
  • FIG. 5 an equivalent circuit diagram of a three-phase winding which, in comparison to FIG. 4, is designed with a star point.
  • the electric multiphase machine 1 which acts as a drive motor but can also work as a generator, comprises a stator arrangement 2 and a rotor 5 which is rotatably mounted relative thereto and forms an external rotor surrounding the stator arrangement 2 on the outer circumference.
  • Such an external rotor machine can be designed for high torques and have a high power density in order to drive large construction machines, conveyor vehicles or machines or hoists such as cranes.
  • the external rotor machine can serve as a traction drive or drive a main functional unit of the respective machine, for example the hoist of a crane.
  • the multi-phase machine can be designed for continuous outputs of several hundred kW, for example 200-500 kW, in order to be able to replace hydrostats or hydrostatic drive arrangements.
  • the stator arrangement 2 can be divided into two stators 3, 4, which can be arranged coaxially with one another and at a distance from one another.
  • the two stators 3, 4 are surrounded on the outer circumference by a common rotor 5 which interacts with both stators.
  • the rotor 5 can be equipped with one or more permanent magnets 8, while the stator arrangement 2 can be provided with a winding 9, as will be explained in more detail below.
  • the common rotor 5 can be supported in a middle section between the two stators 3, 4.
  • the rotor 5 can have a support 6 exactly in the middle, which can extend between the two stators 3, 4 through to an inner motor shaft 7 or axis, wherein said support 6 can comprise, for example, a radially extending or annular support web which can extend inwardly from the inner peripheral wall of the tubular rotor body between the stators 3, 4.
  • the support 6 can be fastened to the motor shaft 7 or axis so that it cannot tilt and/or is fastened axially and/or in a rotationally fixed manner. If the drive movement of the rotor 5 is derived via the motor shaft 7 - or, when used as a generator, is introduced into the rotor 5 via the said shaft 7 - the rotor 5 can be anchored to the said shaft 7 via the support 6 in a rotationally fixed and preferably also non-tilting and axially fixed manner, for example in a form-fitting manner using suitable connecting means such as a splined profile. Alternatively or additionally, the rotor support 6 can also be pressed onto the shaft 7 .
  • Said shaft can be supported on opposite end sections and/or on opposite front-side housing sections, for example adjacent to the front-side ends of the stator arrangement 2, by a bearing arrangement with two bearing points 20, 21, in which case, for example, a simple fixed/loose bearing can be provided, which can include a radial bearing on the one hand and a combined axial/radial bearing, for example in the form of suitable roller bearings.
  • Said shaft 7 extends in the interior of the stator arrangement 2 coaxially thereto.
  • each stator 3, 4 can be provided with a multi-phase winding 9 in each case.
  • the rotor 5 can be fitted with two arrays of permanent magnets 8, which each run directly over one of the windings 9 of the stator arrangement 2 on the outer circumference, it being possible for the permanent magnets 8 to be completely covered by one of the windings 9 on the inner circumference, cf. Fig. 1.
  • the permanent magnets 8 can each have an axial length that can essentially correspond to the axial iron length of the associated stator 3, 4.
  • the rotor 5 including the permanent magnets 8 can be designed symmetrically with respect to the central support 6 .
  • the arrangement of the stators 3, 4 can also be symmetrical with respect to the central support 6.
  • the multi-phase machine 1 can have a slim, elongated design due to the central support 6 of the rotor 5 .
  • the rotor 5 can have an axial length which is greater than the diameter of the rotor 5, for example in the range of 150%-200% of the rotor diameter. Said rotor length, ie the extension of the rotor 5 in the direction of the motor shaft 7, can at least approximately correspond to the sum of the two axial lengths of the stators 3, 4.
  • liquid cooling 10 is provided for the stator arrangement 2 to cool the multi-phase machine 1, with the two stators 3, 4 advantageously being arranged in parallel in a cooling circuit or being cooled by two separate cooling circuits, so that each stator 3, 4 can be flowed through equally by cool coolant and not one of the stators receives the coolant that has already been heated by the other stator.
  • Such a parallel cooling of the stators 3, 4 can significantly improve the cooling effect, which allows a significantly higher current density. As a result, a high power density can be achieved.
  • the liquid cooling device 10 can be designed to wash the winding wire 11 of the winding coils 12 of the multiphase winding 9 directly with cooling liquid.
  • the coolant is not conducted through the winding 9 through cooling pipes or cooling pipe coils, but flows directly around the winding wires 11 .
  • stator slots 13 are each designed as a coolant channel and form part of the cooling circuit, so that the coolant can flow directly around the winding wire 11 in the named stator slots.
  • the walls of the stator slots form a cooling channel wall, so that the winding wires float in the coolant, so to speak.
  • the winding coils can advantageously be non-cast and have cooling gaps 14 or free spaces or interspaces between the winding wires 11, which can be flushed through by the cooling liquid in order to flush the winding wire 11 with cooling liquid on multiple sides, preferably from all sides.
  • the winding coils 12 can advantageously be wound in a concentrated manner in a single layer. Thanks to the single-layer winding, the circulating coolant reliably reaches all winding wires, which significantly improves the cooling effect and prevents hotspots from forming in the winding. Nevertheless, thanks to the concentrated winding, a high power density and an overall compact design can be achieved. Concentrated winding means that each tooth of the stator laminations is wrapped by the winding wire 11 .
  • the winding wire can have a trapezoidal cross section, so that when the stator sheet metal teeth are wound, sufficiently large cooling gaps 14 form between the winding turns or between adjacent winding wire sections and the coolant can penetrate the winding layer or flow around the winding wire on several sides.
  • Said winding wire 12 can advantageously be elastically insulated, for example with a high-temperature-resistant thermoplastic coating.
  • the winding wire 11 of the winding 9 can have a PEEK, i.e. polyetheretherketone coating.
  • the cooling liquid can flow through the several winding phases or the stator slots 13 in parallel.
  • the stated stator slots can be connected in parallel to one another in a cooling circuit and the coolant can flow through them in parallel.
  • an inlet distributor can be provided upstream of a front side of the stator winding 9, for example in an intermediate plate between motor and inverter, which distributes the coolant coming from the cold side of the cooling system to the various stator slots 13.
  • Said inlet distributor can, for example, comprise an annular space on the end face of the winding 9, to which the stator slots 13 are connected in a communicating manner with their end faces.
  • the stator slots 13 can be connected to a collecting outlet 16 of the liquid cooling device 10, wherein said collecting outlet 16 can have, for example, an annular space at the front end of the respective stator 3, 4, with which the stator slots 13 are flow-connected, so that cooling liquid running out of the stator slots 13 is collected in the collecting outlet 16.
  • the cooling liquid can be guided through the stator carrier 3, 4 in countercurrent or axially in opposite directions.
  • the cold coolant coming from the cold side can flow in parallel through the stator slots 13 in a first axial direction, for example from left to right according to FIG. 2 through the stator 3, 4, while the collected, heated coolant can be routed in an opposite axial direction thereto, for example from right to left according to FIG.
  • stator 3, 4 In order to seal the stator 3, 4 through which cooling liquid flows in a fluid-tight manner in relation to the rotor 5, the stator 3, 4 can be surrounded by a sealing sleeve or a sealing tube 19 which seals or encapsulates the stator, in particular its winding slots 13.
  • a sealing sleeve-shaped sealing tube 19 can in particular extend around the stator 3, 4 and between the stator 3, 4 and the rotor 5, for example it can be seated on the outer peripheral side of the stator 3, 4.
  • a carbon fiber tube or a similar plastic tube for example a GRP tube or a thermoplastic tube made of sufficiently temperature-resistant thermoplastic can be used as the sealing tube.
  • a sleeve made of stainless steel or another non-magnetic material or mixture of materials can also be used as the sealing tube.
  • the stator winding 9 can be designed without a star and have more than three or more than six or, for example, nine phases.
  • a nine-phase winding of concentrated coils 12 without a star point allows individual control of the individual phases, which is more skillful Way to improve machine operation can be used. Since, in principle, no zero-sum current condition applies to multi-phase windings without a star point, ie the sum of the phase currents does not necessarily have to be zero, different or arbitrary current forms can be implemented. This allows, for example, in the event of a fault such as a short circuit between two phases or a line break, to be able to continue machine operation at least to a limited extent. For this purpose, the energization of the remaining functional phases can be adjusted.
  • operation optimization can be achieved through intelligent, individual current supply of the individual phases depending on the load range and position of the rotor. For example, the average copper temperature or wire temperature can be reduced for certain load ranges by adjusting the current supply.
  • the torque ripple can also be reduced significantly, in particular by more than 50%, by means of a multi-phase winding without a star point, for example in the form of the nine-phase winding mentioned without a star point.
  • Machines with concentrated winding tend to have a relatively high ripple in the torque curve.
  • the frequency of the torque ripple increases, while at the same time its amplitude decreases.
  • more than nine winding phases can also be considered, for example twelve phases or else fifteen phases.
  • a winding with nine phases is a good compromise between low ripple in the torque behavior and still moderate assembly effort with a compact design with concentrated winding.
  • the starless winding 9 can advantageously be connected to an inverter 17 with full bridges, in particular in the form of H bridges.
  • an inverter with full bridges allows the individual phases to be supplied with current independently, for example in order to be able to adapt the current supply in the event of a fault or to be able to optimally control it depending on the load range or the position of the rotor.
  • such an inverter with full bridges also allows the individual phases to be controlled or energized with a variable time offset.
  • FIG. 5 shows a conventional three-phase winding with a star point.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)

Abstract

The invention relates to an electrical multi-phase machine comprising a stator assembly having a stator-side winding, and rotor which is rotatably mounted relative to same and which forms an external rotor surrounding the stator assembly on the outer circumferential side, wherein a fluid-cooling device is provided for the stator-side winding, wherein the winding coils thereof are accommodated in stator grooves, each formed as a coolant channel, and a coolant flowing through the stator grooves washes around the winding wire in the stator grooves.

Description

Elektrische Mehrphasenmaschine Electric multiphase machine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Mehrphasenmaschine mit einer Statoranordnung und einem relativ dazu drehbar gelagerten Rotor, der einen die Statoranordnung außenseitig umgebenden Außenläufer bildet. The present invention relates to an electric multi-phase machine with a stator arrangement and a rotor which is mounted such that it can rotate relative thereto and which forms an external rotor which encloses the stator arrangement on the outside.
Große Baumaschinen wie Bagger, Raupen oder Krane, sowie Fördermaschinen wie Gabelstapler, Dump Trucks, sowie generell Hebezeuge für schwere Lasten oder landwirtschaftliche Maschine und Anbaugeräte setzen hinsichtlich der Antriebstechnik häufig auf hydraulische Konzepte, da hohe Leistungsdichten verlangt werden, um bei vernünftiger Baugröße entsprechende Leistungen bereitzustellen, was von Hyd- rostaten bekanntermaßen gut erfüllt wird. Die Pumpen der hydraulischen Antriebe werden dabei regelmäßig von Verbrennungsmotoren angetrieben, beispielsweise in Form von großen Dieselaggregaten. Large construction machines such as excavators, caterpillars or cranes, as well as conveyor machines such as forklifts, dump trucks, and generally hoists for heavy loads or agricultural machines and attachments often rely on hydraulic concepts with regard to the drive technology, since high power densities are required in order to provide the appropriate performance with a reasonable size, which is known to be well fulfilled by hydrostats. The pumps of the hydraulic drives are regularly driven by internal combustion engines, for example in the form of large diesel units.
Um zumindest lokal emissionsfrei arbeiten zu können, wird in jüngerer Zeit jedoch auch bei solchen energieintensiven Großmaschinen auf elektrische Antriebskonzepte gesetzt, wobei aufgrund der gewünschten, hohen Leistungsdichten regelmäßig Mehrphasenmaschinen zum Einsatz kommen. Beispielsweise können dies permanent magneterregte Synchronmaschinen sein, die als leistungsdichteste Bauform von elektrischen Maschinen gelten. Dabei hängt die erzielbare Leistungsdichte maßgeblich von der Stromdichte ab, die wiederum eine ausreichende Kühlung bedingt, um höhere Stromdichten zuzulassen. In order to be able to work at least locally emission-free, electric drive concepts have recently also been used in such energy-intensive large machines, with multi-phase machines being used regularly due to the desired high power densities. For example, this can be permanently magnet excited synchronous machines, which are the most power-dense design of electrical machines apply. The achievable power density depends largely on the current density, which in turn requires sufficient cooling to allow higher current densities.
Dabei müssen die Elektromaschinen nicht nur hohe Leistungsdichten realisieren, sondern auch hohe Antriebsmomente bereitstellen, um hydraulische Antriebskonzepte ersetzen zu können. Für hohe Drehmomente sind an sich besonders Außenläufermaschinen geeignet, die bei gleichen Außenabmessungen regelmäßig ein höheres Drehmoment als Innenläufermaschinen bereitstellen können. Durch den außenlaufenden Rotor ergeben sich jedoch besondere Herausforderungen hinsichtlich der Baugröße. Insbesondere können schlanke, längliche Bauformen kaum realisiert werden. Üblicherweise werden Außenläufer als Scheibenläufer mit kurzen Eisenlängen und kurzen Durchmessern ausgeführt, um mit einer einseitigen, angestellten Lagerung die dann geringeren Kippmomente beherrschen zu können. Solche Scheibenläufer mit kurzen Eisenlängen und großen Durchmessern können jedoch nur schwer in Baumaschinen, Förderfahrzeugen oder Hebezeugen untergebracht werden, da dort die Einbauräume begrenzt sind. The electric machines not only have to achieve high power densities, but also provide high drive torques in order to be able to replace hydraulic drive concepts. External rotor machines are particularly suitable for high torques, as they can regularly provide a higher torque than internal rotor machines with the same external dimensions. However, the rotor running on the outside poses particular challenges in terms of size. In particular, slim, elongated designs can hardly be realized. External rotors are usually designed as disc rotors with short iron lengths and short diameters in order to be able to control the then lower tilting moments with a one-sided, offset bearing. However, such disc rotors with short iron lengths and large diameters can only be accommodated with difficulty in construction machinery, conveyor vehicles or hoists, since the installation space there is limited.
Um hohe Stromdichten und damit hohe Leistungsdichten erzielen zu können, können die Wicklungsspulen konzentriert gewickelt werden, was jedoch tendenziell zu einer relativ großen Welligkeit der Drehmomentabgabe führt. Gleichzeitig kommt es zu einer hohen Temperaturbelastung der Wicklung, da die übliche Kühlung an den über die Statorbleche vorstehenden Wickelköpfen bei konzentrierten Wicklungen wegfällt bzw. nicht mehr in ausreichendem Maße funktioniert. In order to be able to achieve high current densities and thus high power densities, the winding coils can be wound in a concentrated manner, but this tends to lead to relatively large ripples in the torque output. At the same time, there is a high temperature load on the winding, since the usual cooling at the winding overhangs that protrude over the stator laminations is omitted in the case of concentrated windings or no longer functions to a sufficient extent.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte elektrische Mehrphasenmaschine zu schaffen, die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und letzteren in vorteilhafter Weise weiterbildet. Insbesondere soll eine kompakte Baugröße erreicht werden, die hohe Stromdichten zuläßt und hohe Drehmomente und hohe Leistungsdichten bereitstellen kann, ohne durch die hohen Stromdichten zu überhitzen. Dabei soll vorzugsweise die Drehmomentabgabe keine übermäßige Welligkeit zeigen und auch eine hohe Verfügbarkeit und geringe Ausfallwahrscheinlichkeit der Mehrphasenmaschine erreicht werden. Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch eine elektrische Mehrphasenmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Proceeding from this, the present invention is based on the object of creating an improved electric multiphase machine which avoids the disadvantages of the prior art and develops the latter in an advantageous manner. In particular, a compact size is to be achieved which permits high current densities and can provide high torques and high power densities without overheating as a result of the high current densities. In this case, the torque output should preferably not show any excessive ripples and high availability and a low probability of failure of the multiphase machine should also be achieved. According to the invention, the stated object is achieved by an electric multi-phase machine according to claim 1. Preferred developments of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Es wird also vorgeschlagen, die Statorwicklung flüssig zu kühlen und dabei den Wicklungsdraht direkt mit der Kühlflüssigkeit zu umspülen, um einen direkten Wärmeübergang zu erzielen und damit gezielt die Hotspots der Maschine effizient zu kühlen. Erfindungsgemäß ist eine Flüssig-Kühl-Vorrichtung für die statorseitige Wicklung vorgesehen, wobei die Wicklung Wicklungsspulen aufweist, die in Statornuten aufgenommen sind, die jeweils als Kühlmittelkanal ausgebildet sind, und ein durch die Statornuten fließendes Kühlmittel in den Statornuten den Wicklungsdraht umspült. It is therefore proposed to cool the stator winding with liquid and to flush the winding wire directly with the cooling liquid in order to achieve direct heat transfer and thus efficiently cool the hotspots of the machine in a targeted manner. According to the invention, a liquid cooling device for the stator-side winding is provided, the winding having winding coils which are accommodated in stator slots which are each formed as a coolant channel, and a coolant flowing through the stator slots flows around the winding wire in the stator slots.
Vorteilhafterweise werden dabei in Weiterbildung der Erfindung die Wicklungsspulen unvergossen ausgebildet und von Kühlflüssigkeit durchspülbare Kühlspalten zwischen benachbarten Abschnitten des Wicklungsdrahts einer Spule vorgesehen. Hierdurch kann die Kühlflüssigkeit den Wicklungsdraht unmittelbar von mehreren Seiten her umspülen und zwischen benachbarte Wicklungsdrahtabschnitte eindringen. Advantageously, in a further development of the invention, the winding coils are not cast and cooling gaps that can be flushed through by cooling liquid are provided between adjacent sections of the winding wire of a coil. As a result, the cooling liquid can flow around the winding wire directly from several sides and penetrate between adjacent winding wire sections.
Vorteilhafterweise kann der Wicklungsdraht der Wicklungsspulen keinen runden und keinen rechteckigen, sondern einen trapezförmigen Querschnitt besitzen. Hierdurch bilden sich in einfacher Weise Spalte zwischen benachbarten Drahtabschnitten beim Wickeln der Spule. In ähnlicher Weise kann dies auch durch einen dreieckigen Drahtquerschnitt oder allgemein einen sich von einer Seite zur gegenüberliegenden Seite hin verjüngenden Querschnitt erreicht werden. Advantageously, the winding wire of the winding coils can have a trapezoidal cross-section rather than a round cross-section and not a rectangular cross-section. As a result, gaps form in a simple manner between adjacent wire sections when the coil is wound. Similarly, this can also be achieved with a triangular wire cross-section or generally a cross-section tapering from one side to the opposite side.
Der Wicklungsdraht wird dabei vorteilhafterweise derart gewickelt, dass der breitere Rücken des Querschnitt am Statorblech bzw. -zahn anliegt und/oder die schmälere Querschnittsseite zur Mitte des Statorspalts hin vorspringt. Hierdurch verbreitert sich der Spalt zwischen zwei benachbarten Drahtabschnitten zur Mitte der Statornut hin, was das Eindringen der Kühlflüssigkeit erleichtert. The winding wire is advantageously wound in such a way that the broader back of the cross section is in contact with the stator plate or tooth and/or the narrower side of the cross section projects towards the middle of the stator gap. As a result, the gap between two adjacent wire sections widens towards the middle of the stator slot, which makes it easier for the coolant to penetrate.
Vorteilhafterweise können die Wicklungsspulen einlagig gewickelt sein. Hierdurch kann der Wicklungsdraht im wesentlichen vollständig umspült werden. In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Wicklungsdraht der Wicklungsspulen elektrisch isolierend beschichtet ist, bspw. mit einer Beschichtung aus einem Hochtemperatur-resistenten Thermoplast, insbesondere mit einer PEEK- Beschichtung, versehen ist. Advantageously, the winding coils can be wound in a single layer. As a result, the winding wire can essentially be washed completely. In a development of the invention, it can be provided that the winding wire of the winding coils is coated in an electrically insulating manner, for example provided with a coating made of a high-temperature-resistant thermoplastic, in particular with a PEEK coating.
Alternativ oder unabhängig hiervon kann vorgesehen sein, dass die Statornuten des zumindest einen Stators an einer axialen Stirnseite des Stators mit einem an der genannten Statorstirnseite vorgesehenen Ringraum zum Zuführen der Kühlflüssigkeit strömungsverbunden sind und/oder an einer gegenüberliegenden Stirnseite des Stators mit einem dort vorgesehenen Sammelauslauf strömungsverbunden sind. Alternatively or independently of this, it can be provided that the stator slots of the at least one stator are flow-connected on an axial end face of the stator to an annular space provided on the stated stator end face for supplying the cooling liquid and/or are flow-connected on an opposite end face of the stator to a collecting outlet provided there.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Kühlflüssigkeit in axial gegenläufigen Richtungen zunächst von der Kaltseite des Kühlkreises her parallel durch die Statornuten für die Wicklungsspulen von einer Stirnseite zur gegenüberliegenden Stirnseite des Stators hindurchgeführt ist und sodann die von den Wicklungsspulen aufgeheizte Kühlflüssigkeit in axial entgegengesetzter Richtung durch den Statorträger hindurch zurück zur Zuströmseite geführt wird. Provision can also be made for the cooling liquid to be guided in axially opposite directions, initially from the cold side of the cooling circuit, in parallel through the stator slots for the winding coils from one end face to the opposite end face of the stator, and then for the cooling liquid heated by the winding coils to be fed in the axially opposite direction through the stator support back to the inflow side.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Statornuten zueinander parallelgeschaltet an einen Einlassverteiler zur Zuführung von Kühlflüssigkeit angebunden sind und parallel von der Kühlflüssigkeit durchströmbar sind. Furthermore, it is proposed that the stator slots connected in parallel to one another are connected to an inlet distributor for the supply of cooling liquid and that the cooling liquid can flow through them in parallel.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Statoranordnung in mehrere Statoren zu unterteilen und einen dafür gemeinsamen Rotor vorzusehen, der sich durch die Unterteilung der Statoren zwischen den genannten Statoren abstützen kann. Hierdurch kann eine besser ausbalancierte und gegenüber Kippbelastungen unempfindlichere Lagerung erzielt werden, die im Vergleich zu einer einseitigen, angestellten Lagerung sehr viel längere Rotorbauformen zulässt. In a further development of the invention, it is proposed to subdivide the stator arrangement into a plurality of stators and to provide a common rotor for this, which can be supported between the named stators due to the subdivision of the stators. As a result, a bearing that is better balanced and less sensitive to tilting loads can be achieved, which allows much longer rotor designs compared to a one-sided, offset bearing.
Insbesondere umfasst die Statoranordnung zwei Statoren, die außenumfangsseitig von dem gemeinsamen Rotor umgeben sind, wobei der Rotor zwischen den beiden Statoren auf einer innenliegenden, von den Statoren umgebenen Motorwelle oder - achse abgestützt ist. Durch die mittige Abstützung des Rotors können sehr viel grö- ßere Rotorlängen hinsichtlich der Lagerkräfte beherrscht werden, als dies bei Schei- benläufern mit einseitiger, angestellter Lagerung der Fall ist, sodass insgesamt deutlich schlankere, längliche Bauformen realisiert werden können, wobei nichtsdestotrotz gleichzeitig hohe Drehmomente erzielt werden können. Die vorgeschlagene Anordnung vereint somit die Einbaufreundlichkeit und Form eines Innenläufers mit der höheren Drehmomentdichte eines Außenläufers. In particular, the stator arrangement comprises two stators which are surrounded on the outer circumference by the common rotor, the rotor being supported between the two stators on an internal motor shaft or axis surrounded by the stators. Due to the central support of the rotor, much larger Greater rotor lengths can be mastered with regard to the bearing forces than is the case with disc rotors with one-sided, offset bearing, so that overall significantly slimmer, elongated designs can be realized, while nevertheless high torques can be achieved at the same time. The proposed arrangement thus combines the ease of installation and form of an internal rotor with the higher torque density of an external rotor.
Solche mehreren, unter einem gemeinsamen Aussenläufer zusammengefaßten Statoren können gemäß einem weiteren Aspekt durch eine Flüssigkühlung gekühlt werden, die die beiden Statoren gleichermaßen mit frischem bzw. kaltem und vom jeweils anderen Stator noch nicht aufgeheizte Kühlflüssigkeit versorgt, wobei die beiden Statoren insbesondere parallel gekühlt werden können, um die Kühlwirkung zu verbessern. According to a further aspect, such several stators combined under a common external rotor can be cooled by liquid cooling, which supplies the two stators equally with fresh or cold cooling liquid that has not yet been heated by the other stator, with the two stators being able to be cooled in particular in parallel in order to improve the cooling effect.
Dabei können die beiden Statoren in einem Kühlmittelkreis parallelgeschaltet angeordnet sein, sodass beide Statoren gleichermaßen mit noch kühlem Kühlmittel beaufschlagt werden können und nicht ein Stator das schon vom anderen Stator erwärmte Kühlmittel zugeführt erhält, wie dies bei seriellen Kühlmittel-Anordnungen o- der auch bei einem einzelnen, durchgängigen und langen Stator der Fall ist. The two stators can be arranged in parallel in a coolant circuit, so that both stators can be equally charged with coolant that is still cool and one stator does not receive the coolant that has already been heated by the other stator, as is the case with serial coolant arrangements or with a single, continuous and long stator.
Alternativ zu einer Parallelschaltung der beiden Statoren in einem gemeinsamen Kühlkreis können auch zwei separate Kühlkreise für die beiden Statoren vorgesehen sein, um die beiden Statoren gleichermaßen mit kühlem Kühlmittel beaufschlagen zu können. As an alternative to a parallel connection of the two stators in a common cooling circuit, two separate cooling circuits can also be provided for the two stators, in order to be able to charge the two stators equally with cool coolant.
In Weiterbildung der Erfindung sind die zwei Statoren zumindest im Wesentlichen gleichlang ausgebildet und symmetrisch zum gemeinsamen Rotor angeordnet, wobei der sich über beide Statoren erstreckende Rotor mittig und damit ausbalanciert abgestützt sein kann. Der genannte Rotor kann beidseits von der Lagerstelle aus betrachtet gleichweit auskragen bzw. bezüglich der mittigen Lagerstelle symmetrisch ausgebildet sein. Unabhängig hiervon können die beiden genannten Statoren bezüglich der mittigen Abstützstelle des Rotors eine symmetrische Anordnung bilden. Durch eine symmetrische Aufteilung der Statoren kann die aktive Eisenlänge pro Stator im Vergleich zu einem einzigen Stator halbiert sein, wodurch sich auch die Kühlung der Statoranordnung insgesamt verbessern lässt. In a further development of the invention, the two stators are of at least essentially the same length and are arranged symmetrically to the common rotor, with the rotor extending over both stators being able to be supported centrally and thus in a balanced manner. Said rotor can protrude equally on both sides, viewed from the bearing point, or be embodied symmetrically with respect to the central bearing point. Irrespective of this, the two stators mentioned can form a symmetrical arrangement with respect to the central support point of the rotor. By dividing the stators symmetrically, the active iron length per stator can be halved compared to a single stator, which also allows the overall cooling of the stator arrangement to be improved.
Durch die kürzere Eisenlänge der Statoren in Folge der Teilung der Statoranordnung in zumindest zwei Statoren lässt sich durch die parallele Kühlmittelzuführung eine deutlich verbesserte Kühlwirkung erzielen, was wiederum höhere Stromdichten ermöglicht, um hohe Leistungsdichten zu erzielen. Due to the shorter iron length of the stators as a result of the division of the stator arrangement into at least two stators, a significantly improved cooling effect can be achieved through the parallel coolant supply, which in turn enables higher current densities in order to achieve high power densities.
Vorteilhafterweise kann ferner die statorseitige Wicklung vielphasig ausgebildet und auf einen Sternpunkt verzichtet sein. Insbesondere umfasst die statorseitige Wicklung mindestens vier oder mindestens fünf oder mindestens sechs Phasen oder mehr und ist dabei sternlos ausgebildet. Durch eine solche vielphasige Wicklung ohne Sternpunkt kann die Drehmomentwelligkeit signifikant, insbesondere um mehr als 50% gesenkt werden, auch wenn die Wicklungsspulen konzentriert gewickelt sind. Gerade Maschinen mit konzentrierter Wicklung neigen an sich zu einer relativ hohen Welligkeit im Drehmomentverlauf. Durch die vorgeschlagene hohe Phasenzahl erhöht sich jedoch die Frequenz der Drehmomentwelligkeit, während gleichzeitig deren Amplitude sinkt. Advantageously, the stator-side winding can also have a multi-phase design and a star point can be dispensed with. In particular, the stator-side winding comprises at least four or at least five or at least six phases or more and is designed without a star. Such a multi-phase winding without a star point can significantly reduce the torque ripple, in particular by more than 50%, even if the winding coils are wound in a concentrated manner. Machines with concentrated winding tend to have a relatively high ripple in the torque curve. However, due to the proposed high number of phases, the frequency of the torque ripple increases, while at the same time its amplitude decreases.
Vorzugsweise ist die Phasenzahl ungerade, um einen maximalen Wicklungsfaktor zu erhalten, wobei vorteilhafterweise fünf Phasen oder sieben Phasen oder neuen Phasen oder mehr vorgesehen sein können. The number of phases is preferably odd in order to obtain a maximum winding factor, five phases or seven phases or nine phases or more advantageously being able to be provided.
Die Anzahl der Pole kann dabei größer oder kleiner als die Anzahl der Phasen sein. The number of poles can be larger or smaller than the number of phases.
Unabhängig hiervon kann durch intelligente, individuelle Bestromung der einzelnen Phasen je nach Lastbereich und Position des Rotors eine Betriebsoptimierung erzielt werden. Beispielsweise kann für bestimmte Lastbereiche durch Anpassung der Bestromung die mittlere Kupfertemperatur bzw. Drahttemperatur gesenkt werden. Da bei Mehrphasenwicklungen ohne Sternpunkt grundsätzlich keine Nullsummen- Strombedingung gilt, d.h. die Summe der Phasenströme nicht zwingend null sein muss, können grundsätzlich verschiedene bzw. beliebige Stromformen realisiert werden. Irrespective of this, operation optimization can be achieved through intelligent, individual current supply of the individual phases depending on the load range and position of the rotor. For example, the average copper temperature or wire temperature can be reduced for certain load ranges by adjusting the current supply. Since, in principle, no zero-sum current condition applies to multi-phase windings without a star point, ie the sum of the phase currents does not necessarily have to be zero must, in principle different or arbitrary current forms can be realized.
Dies erlaubt es beispielsweise im Fehlerfall wie beispielsweise einem Kurzschluss zwischen zwei Phasen oder einem Leitungsbruch den Maschinenbetrieb zumindest eingeschränkt fortsetzen zu können. Hierdurch kann die Ausfallwahrscheinlichkeit signifikant reduziert und die Verfügbarkeit erhöht werden. This allows, for example, in the event of a fault such as a short circuit between two phases or a line break, to be able to continue machine operation at least to a limited extent. This can significantly reduce the probability of failure and increase availability.
Insbesondere kann die statorseitige Wicklung neunphasig ohne Sternpunkt ausgebildet sein. Eine Wicklung mit neun Phasen ist ein guter Kompromiss zwischen geringer Welligkeit im Drehmomentverhalten und noch moderatem Montageaufwand bei kompakter Bauweise. Grundsätzlich kommen mehr als neun Wicklungsphasen in Betracht, beispielsweise elf Phasen oder dreizehn Phasen oder auch fünfzehn Phasen. Eine Wicklung mit neun Phasen erzielt jedoch eine ausreichende Reduzierung der Drehmoment-Welligkeit und kann mit vernünftigem Aufwand auch bei konzentrierter Wicklung montiert werden. In particular, the stator-side winding can have a nine-phase design without a star point. A winding with nine phases is a good compromise between low ripple in the torque behavior and still moderate assembly effort with a compact design. In principle, more than nine winding phases can be considered, for example eleven phases or thirteen phases or else fifteen phases. However, a winding with nine phases achieves a sufficient reduction in torque ripple and can also be installed with concentrated winding with reasonable effort.
Die Wicklung ist vorteilhafterweise konzentriert ausgebildet. Eine konzentrierte Wicklung meint dabei, dass jeder Zahn der Statorbleche des Stators vom Wicklungsdraht umwickelt ist und der Wicklungsdraht einer Spule nicht gleichzeitig um mehrere Zähne gewickelt ist. Eine solche konzentrierte Wicklung besitzt einen hohen Automatisierungsgrad und erlaubt kurze Wickelköpfe. Hierdurch können die Verluste in einer Spule durch den reduzierten Kupferaufwand vermindert werden und durch den kleineren Bauraumbedarf kann eine höhere Leistungsdichte erreicht werden. Im Zusammenspiel mit einer vielphasigen Ausbildung der Wicklung kann der an sich sonst übliche Nachteil von konzentrierten Wicklungen, nämlich die Welligkeit in der Drehmomentabgabe, kompensiert werden. The winding is advantageously formed in a concentrated manner. A concentrated winding means that each tooth of the stator's stator laminations is wrapped by the winding wire and the winding wire of a coil is not wound around several teeth at the same time. Such a concentrated winding has a high degree of automation and allows short winding heads. As a result, the losses in a coil can be reduced due to the reduced copper expenditure and a higher power density can be achieved due to the smaller installation space requirement. In conjunction with a multi-phase design of the winding, the usual disadvantage of concentrated windings, namely the ripple in the torque output, can be compensated.
Die Wicklungsphasen der statorseitigen Wicklung sind dabei vorteilhafterweise an eine Ansteuerschaltung angebunden, die die einzelnen Phasen individuell und variabel bestromen kann. Insbesondere kann die genannte Ansteuerschaltung einen Wechselrichter mit Vollbrücken, vorzugsweise in Form von H-Brücken, zum Bestromen der einzelnen Phasen aufweisen. Vorteilhafterweise kann die Ansteuerschaltung dazu konfiguriert sein, die einzelnen Phasen individuell mit einzelnem Zeitversatz zu bestromen, so dass beispielsweise beim Ausfall einer Phase bei einem Fehler die Bestromung der verbleibenden Phasen in ihrem Timing angepasst werden kann, um einen runden, harmonischen Betrieb zu erzielen. Alternativ oder zusätzlich zu einer variable Steuerung des Beginns der Pulse bei einer gepulsten Bestromung kann auch die Länge und/oder Höhe der Strompulse variiert werden, um eine Betriebsoptimierung zu erzielen, beispielsweise für bestimmte Lastbereiche durch Anpassung der Bestromung die mittlere Drahttemperatur zu senken. The winding phases of the stator-side winding are advantageously connected to a control circuit that can supply current to the individual phases individually and variably. In particular, the control circuit mentioned can have an inverter with full bridges, preferably in the form of H-bridges, for energizing the individual phases. Advantageously, the drive circuit can be configured to energize the individual phases individually with a single time offset, so that, for example, if one phase fails due to a fault, the timing of the energization of the remaining phases can be adjusted in order to achieve smooth, harmonious operation. As an alternative or in addition to variable control of the start of the pulses in the case of a pulsed energization, the length and/or height of the current pulses can also be varied in order to achieve operational optimization, for example by adjusting the energization to lower the mean wire temperature for certain load ranges.
In Weiterbildung der Erfindung kann die Mehrphasenmaschine eine permanentmagneterregte Maschine, beispielsweise in Form einer permanentmagneterregten Synchronmaschine sein. Dabei können insbesondere die Statoren mit einer mehrphasigen Wicklung versehen sein, während der Rotor mit Permanentmagneten versehen ist. In a further development of the invention, the multiphase machine can be a permanent magnet excited machine, for example in the form of a permanent magnet excited synchronous machine. In particular, the stators can be provided with a multi-phase winding, while the rotor is provided with permanent magnets.
Am Rotor können dabei zumindest zwei Permanentmagnete bzw. zwei Felder von Permanentmagneten vorgesehen sein, die beidseits der mittigen Abstützung des Rotors angeordnet sind, insbesondere beidseits eines zentralen bzw. mittigen Lagerflansches des Rotors, mit dem sich der Rotor zwischen den Statoren an der innenliegenden Motorwelle bzw. -achse abstützt. At least two permanent magnets or two fields of permanent magnets can be provided on the rotor, which are arranged on both sides of the central support of the rotor, in particular on both sides of a central or central bearing flange of the rotor, with which the rotor is supported between the stators on the internal motor shaft or axis.
Die Abstützung bzw. Lagerung des Rotors kann grundsätzlich verschieden ausgebildet sein, beispielsweise zwei gegeneinander angestellte Schräglager beispielsweise in Form von Kegelrollenlager umfassen. In Weiterbildung der Erfindung kann der Rotor aber auch durch eine einfache Fest-Los-Lagerung an zwei Punkten abgestützt sein, wobei das Loslager im Wesentlichen nur radiale Kräfte aufnehmen und das Festlager Radial- und Axialkräfte aufnehmen kann. The support or bearing of the rotor can fundamentally be designed differently, for example, it can comprise two angular bearings set against one another, for example in the form of tapered roller bearings. In a further development of the invention, the rotor can also be supported at two points by a simple fixed/loose bearing, with the loose bearing essentially only absorbing radial forces and the fixed bearing being able to absorb radial and axial forces.
Je nach Anbindung des Rotors an die Abtriebswelle - bzw. im Falle eines Generators an die Eingangswelle - kann die Lagerung verschieden ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Rotor über die mittige Abstützung drehfest mit der innenliegenden Motorwelle verbunden sein, vorzugsweise axialfest und kippstabil, beispielsweise über eine Profilwellenverbindung oder auf eine Verzahnung axial aufgespannt. Depending on the connection of the rotor to the output shaft - or in the case of a generator to the input shaft - the bearing can be designed differently. For example, the rotor can rotate about the central support with the internal Be connected to the motor shaft, preferably axially fixed and tilt-resistant, clamped axially, for example, via a splined shaft connection or gearing.
Unabhängig von der konkreten Antriebsverbindung des Rotors kann die innenliegende Motorwelle bzw. -achse an gegenüberliegenden Endabschnitten bzw. gegenüberliegenden Gehäuseabschnitten gelagert sein, beispielsweise durch eine vorgenannte Fest-Los-Lagerung. Beispielsweise kann die Lagerung der Motorwelle bzw. -achse im Bereich der gegenüberliegenden axialen Stirnseiten der Statoranordnung vorgesehen sein. Hierdurch kann durch den entsprechend großen Lagerabstand eine stabile Abstützung erzielt werden. Regardless of the specific drive connection of the rotor, the internal motor shaft or axis can be mounted on opposite end sections or opposite housing sections, for example by means of the aforementioned fixed-loose mounting. For example, the bearing of the motor shaft or axis can be provided in the area of the opposite axial end faces of the stator arrangement. As a result, stable support can be achieved through the correspondingly large bearing spacing.
Um eine hohe Leistungsdichte bei kompakter, schlanker Bauweise zu erzielen, kann der Rotor eine axiale Länge besitzen, die größer ist als ein Außendurchmesser des Rotors. Beispielsweise kann die axiale Länge des Rotors im Bereich von 125% bis 500% oder 125% bis 200% des Rotordurchmessers betragen. In order to achieve a high power density with a compact, slim design, the rotor can have an axial length that is greater than an outer diameter of the rotor. For example, the axial length of the rotor can be in the range of 125% to 500% or 125% to 200% of the rotor diameter.
Die beiden Statoren können zusammen eine axiale Länge aufweisen, die im Bereich der axialen Länge des Rotors liegt, aber im Vergleich dazu ein Stück weit kleiner oder auch ein Stück weit größer sein kann. Beispielsweise kann die Summe der beiden Statoren, jeweils gemessen als deren Eisenlänge, 75% bis 100% der gesamten axialen Länge des Rotors betragen. Insbesondere kann die Eisenlänge der beiden Statoren in Summe betrachtet etwa der Summe der axialen Längen der beiden Felder von Permanentmagneten entsprechen, die am Rotor angebracht sind. The two stators can together have an axial length which is in the range of the axial length of the rotor, but can be a little smaller or a little larger in comparison. For example, the sum of the two stators, each measured as their iron length, can be 75% to 100% of the total axial length of the rotor. In particular, the total iron length of the two stators can correspond approximately to the sum of the axial lengths of the two arrays of permanent magnets attached to the rotor.
Vorteilhafterweise kann durch den vorgeschlagenen Aufbau der Mehrphasenmaschine eine Maschinenbaureihe geschaffen werden, bei der die Maschinen bzw. Maschinenmodelle grundsätzlich den gleichen Aufbau besitzen können, jedoch die Anzahl der Phasen je nach Baugröße variieren kann. Advantageously, the proposed structure of the multiphase machine can create a machine series in which the machines or machine models can basically have the same structure, but the number of phases can vary depending on the size.
Dabei kann auch die Kombination von Phasen und Polzahl je nach Anwendungszweck angepasst und variiert werden. Hierdurch wird ein Baukastensystem erzielt. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen: The combination of phases and number of poles can also be adjusted and varied depending on the application. This achieves a modular system. The invention is explained in more detail below using a preferred exemplary embodiment and associated drawings. In the drawings show:
Fig. 1 : einen Längsschnitt durch eine elektrische Mehrphasen-Außenläuferma- schine mit zwei symmetrisch angeordneten Statoren ohne Sternpunkt unter einem gemeinsamen Rotor sowie einer direkt gekühlten Wicklung an den Statoren gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, 1: a longitudinal section through an electrical multi-phase external rotor machine with two symmetrically arranged stators without a star point under a common rotor and a directly cooled winding on the stators according to an advantageous embodiment of the invention,
Fig. 2: einen ausschnittsweisen Längsschnitt durch einen der Statoren der Mehrphasenmaschine aus Fig. 1 , der den Kühlmittelfluss durch den Stator zeigt, Fig. 2: a fragmentary longitudinal section through one of the stators of the multi-phase machine from Fig. 1, showing the coolant flow through the stator,
Fig. 3: eine Querschnittsansicht einer Wicklungsnut und der darin aufgenommenen Wicklung aus trapezförmigem Wicklungsdraht zur Verbesserung der Kühlmittelumspülung, 3: a cross-sectional view of a winding slot and the winding made of trapezoidal winding wire accommodated therein to improve coolant circulation,
Fig. 4: ein Ersatzschaltbild einer sternlosen Mehrphasenwicklung und des angeschlossenen Wechselrichters mit Vollbrücken gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung, und 4: an equivalent circuit diagram of a starless multiphase winding and the connected inverter with full bridges according to an advantageous embodiment of the invention, and
Fig. 5: ein Ersatzschaltbild einer Dreiphasenwicklung, die im Vergleich zur Figur 4 mit einem Sternpunkt ausgeführt ist. FIG. 5: an equivalent circuit diagram of a three-phase winding which, in comparison to FIG. 4, is designed with a star point.
Wie die Figuren zeigen, umfasst die elektrische Mehrphasenmaschine 1 , die als Antriebsmotor fungieren, aber auch als Generator arbeiten kann, eine Statoranordnung 2 und einen relativ dazu drehbar gelagerten Rotor 5, der einen die Statoranordnung 2 außenumfangsseitig umgebenden Außenläufer bildet. As the figures show, the electric multiphase machine 1, which acts as a drive motor but can also work as a generator, comprises a stator arrangement 2 and a rotor 5 which is rotatably mounted relative thereto and forms an external rotor surrounding the stator arrangement 2 on the outer circumference.
Eine solche Außenläufermaschine kann für hohe Drehmomente konzipiert werden und eine hohe Leistungsdichte besitzen, um große Baumaschinen, Förderfahrzeuge bzw. -maschinen oder Hebezeuge wie Krane anzutreiben. Dabei kann die Außenläufermaschine als Fahrantrieb dienen oder ein Hauptfunktionsaggregat der jeweiligen Maschine antreiben, beispielsweise das Hubwerk eines Krans. Beispielsweise kann die Mehrphasenmaschine für Dauerleistungen von mehreren hundert kW ausgelegt sein, beispielsweise 200 - 500 kW, um Hydrostaten bzw. hydrostatische Antriebsanordnungen ersetzen zu können. Such an external rotor machine can be designed for high torques and have a high power density in order to drive large construction machines, conveyor vehicles or machines or hoists such as cranes. In this case, the external rotor machine can serve as a traction drive or drive a main functional unit of the respective machine, for example the hoist of a crane. For example the multi-phase machine can be designed for continuous outputs of several hundred kW, for example 200-500 kW, in order to be able to replace hydrostats or hydrostatic drive arrangements.
Wie Fig. 1 zeigt, kann die Statoranordnung 2 in zwei Statoren 3, 4 unterteilt sein, die koaxial zueinander und voneinander beabstandet angeordnet sein können. As shown in FIG. 1, the stator arrangement 2 can be divided into two stators 3, 4, which can be arranged coaxially with one another and at a distance from one another.
Die beiden Statoren 3, 4 sind dabei außenumfangsseitig von einem gemeinsamen Rotor 5 umgeben, der mit beiden Statoren zusammenwirkt. The two stators 3, 4 are surrounded on the outer circumference by a common rotor 5 which interacts with both stators.
Vorteilhafterweise kann der Rotor 5 mit einem oder mehreren Permanentmagneten 8 bestückt sein, während die Statoranordnung 2 mit einer Wicklung 9 versehen sein kann, wie noch näher erläutert wird. Advantageously, the rotor 5 can be equipped with one or more permanent magnets 8, while the stator arrangement 2 can be provided with a winding 9, as will be explained in more detail below.
Durch die Unterteilung der Statoranordnung 2 in zwei beabstandete Statoren 3, 4 kann der gemeinsame Rotor 5 in einem Mittelabschnitt zwischen den beiden Statoren 3, 4 abgestützt sein. Insbesondere kann der Rotor 5 exakt mittig eine Abstützung 6 aufweisen, die sich zwischen den beiden Statoren 3, 4 hindurch zu einer innenliegenden Motorwelle 7 bzw. -achse erstrecken kann, wobei die genannte Abstützung 6 beispielsweise einen sich radial erstreckenden oder ringförmigen Abstützsteg umfassen kann, der sich von der Innenumfangswandung des rohrförmigen Rotorkorpus nach innen vorspringend zwischen den Statoren 3, 4 erstrecken kann. By dividing the stator arrangement 2 into two spaced-apart stators 3, 4, the common rotor 5 can be supported in a middle section between the two stators 3, 4. In particular, the rotor 5 can have a support 6 exactly in the middle, which can extend between the two stators 3, 4 through to an inner motor shaft 7 or axis, wherein said support 6 can comprise, for example, a radially extending or annular support web which can extend inwardly from the inner peripheral wall of the tubular rotor body between the stators 3, 4.
Die Abstützung 6 kann an der Motorwelle 7 bzw. -achse kippfest und/oder axialfest und/oder drehfest befestigt sein. Wird die Antriebsbewegung des Rotors 5 über die Motorwelle 7 abgeleitet - oder bei Verwendung als Generator über die genannte Welle 7 in den Rotor 5 eingeleitet - kann der Rotor 5 über die Abstützung 6 drehfest und vorzugsweise auch kippfest sowie axialfest an der genannten Welle 7 verankert sein, beispielsweise formschlüssig durch geeignete Verbindungsmittel wie beispielsweise ein Keilwellenprofil. Alternativ oder zusätzlich kann die Rotorabstützung 6 auch an der Welle 7 verpresst sein. Die genannte Welle kann an gegenüberliegenden Endabschnitten und/oder an gegenüberliegenden, stirnseitigen Gehäuseabschnitten beispielsweise angrenzend an die stirnseitigen Enden der Statoranordnung 2 durch eine Lageranordnung mit zwei Lagerpunkten 20, 21 abgestützt sein, wobei hier beispielsweise eine einfache Fest- Los-Lagerung vorgesehen sein kann, welche ein Radiallager einerseits und ein kombiniertes Axial-ZRadiallager, beispielsweise in Form geeigneter Wälzlager, umfassen kann. The support 6 can be fastened to the motor shaft 7 or axis so that it cannot tilt and/or is fastened axially and/or in a rotationally fixed manner. If the drive movement of the rotor 5 is derived via the motor shaft 7 - or, when used as a generator, is introduced into the rotor 5 via the said shaft 7 - the rotor 5 can be anchored to the said shaft 7 via the support 6 in a rotationally fixed and preferably also non-tilting and axially fixed manner, for example in a form-fitting manner using suitable connecting means such as a splined profile. Alternatively or additionally, the rotor support 6 can also be pressed onto the shaft 7 . Said shaft can be supported on opposite end sections and/or on opposite front-side housing sections, for example adjacent to the front-side ends of the stator arrangement 2, by a bearing arrangement with two bearing points 20, 21, in which case, for example, a simple fixed/loose bearing can be provided, which can include a radial bearing on the one hand and a combined axial/radial bearing, for example in the form of suitable roller bearings.
Die genannte Welle 7 erstreckt sich dabei im Inneren der Statoranordnung 2 koaxial hierzu. Said shaft 7 extends in the interior of the stator arrangement 2 coaxially thereto.
Wie Fig. 1 zeigt, kann jeder Stator 3, 4 mit einer jeweils mehrphasigen Wicklung 9 versehen sein. As shown in FIG. 1, each stator 3, 4 can be provided with a multi-phase winding 9 in each case.
Der Rotor 5 kann mit zwei Feldern von Permanentmagneten 8 bestückt sein, die jeweils unmittelbar außenumfangsseitig über eine der Wicklungen 9 der Statoranordnung 2 laufen, wobei die Permanentmagnete 8 innenumfangsseitig vollständig von einer der Wicklungen 9 überdeckt sein können, vgl. Fig. 1. The rotor 5 can be fitted with two arrays of permanent magnets 8, which each run directly over one of the windings 9 of the stator arrangement 2 on the outer circumference, it being possible for the permanent magnets 8 to be completely covered by one of the windings 9 on the inner circumference, cf. Fig. 1.
Die Permanentmagnete 8 können jeweils eine axiale Länge besitzen, die im Wesentlichen der axialen Eisenlänge des zugehörigen Stators 3, 4 entsprechen kann. The permanent magnets 8 can each have an axial length that can essentially correspond to the axial iron length of the associated stator 3, 4.
Insbesondere kann der Rotor 5 einschließlich der Permanentmagnete 8 bezüglich der zentralen Abstützung 6 symmetrisch ausgebildet sein. Auch die Anordnung der Statoren 3, 4 kann bezüglich der zentralen Abstützung 6 symmetrisch sein. In particular, the rotor 5 including the permanent magnets 8 can be designed symmetrically with respect to the central support 6 . The arrangement of the stators 3, 4 can also be symmetrical with respect to the central support 6.
Wie Fig. 1 zeigt, kann die Mehrphasenmaschine 1 durch die Zentralabstützung 6 des Rotors 5 eine schlanke, längliche Bauweise besitzen. Der Rotor 5 kann eine axiale Länge besitzen, die größer ist als der Durchmesser des Rotors 5, beispielsweise im Bereich von 150% - 200% des Rotordurchmessers betragen kann. Die genannte Rotorlänge, d.h. die Erstreckung des Rotors 5 in Richtung der Motorwelle 7, kann zumindest näherungsweise der Summe der beiden axialen Längen der Statoren 3, 4 entsprechen. As FIG. 1 shows, the multi-phase machine 1 can have a slim, elongated design due to the central support 6 of the rotor 5 . The rotor 5 can have an axial length which is greater than the diameter of the rotor 5, for example in the range of 150%-200% of the rotor diameter. Said rotor length, ie the extension of the rotor 5 in the direction of the motor shaft 7, can at least approximately correspond to the sum of the two axial lengths of the stators 3, 4.
Vorteilhafterweise ist zur Kühlung der Mehrphasenmaschine 1 eine Flüssigkühlung 10 für die Statoranordnung 2 vorgesehen, wobei vorteilhafterweise die beiden Statoren 3, 4 parallel in einem Kühlkreis angeordnet oder von zwei separaten Kühlkreisen gekühlt werden können, so dass jeder Stator 3, 4 gleichermaßen von kühlem Kühlmittel durchströmt werden kann und nicht einer der Statoren das bereits vom anderen Stator aufgewärmte Kühlmittel bekommt. Durch eine solche parallele Kühlung der Statoren 3, 4 kann die Kühlwirkung deutlich verbessert werden, was eine deutlich höhere Stromdichte zulässt. Hierdurch kann eine hohe Leistungsdichte erzielt werden. Advantageously, liquid cooling 10 is provided for the stator arrangement 2 to cool the multi-phase machine 1, with the two stators 3, 4 advantageously being arranged in parallel in a cooling circuit or being cooled by two separate cooling circuits, so that each stator 3, 4 can be flowed through equally by cool coolant and not one of the stators receives the coolant that has already been heated by the other stator. Such a parallel cooling of the stators 3, 4 can significantly improve the cooling effect, which allows a significantly higher current density. As a result, a high power density can be achieved.
Wie Fig. 2 zeigt, kann die Flüssigkühlvorrichtung 10 dazu ausgebildet sein, den Wicklungsdraht 11 der Wicklungsspulen 12 der Mehrphasenwicklung 9 direkt mit Kühlflüssigkeit zu umspülen. Mit anderen Worten, das Kühlmittel wird nicht durch Kühlrohre bzw. Kühlrohrschlangen durch die Wicklung 9 hindurch geführt, sondern umspült direkt die Wicklungsdrähte 11 . As FIG. 2 shows, the liquid cooling device 10 can be designed to wash the winding wire 11 of the winding coils 12 of the multiphase winding 9 directly with cooling liquid. In other words, the coolant is not conducted through the winding 9 through cooling pipes or cooling pipe coils, but flows directly around the winding wires 11 .
Hierzu können die Wicklungsspulen 12 in Statornuten 13 aufgenommen sein, die jeweils als Kühlmittelkanal ausgebildet sind und einen Teil des Kühlkreises bilden, so dass das Kühlmittel in den genannte Statornuten den Wicklungsdraht 11 direkt umspülen kann. Die Wandungen der Statornuten bilden dabei eine Kühlkanalwandung, so dass die Wicklungsdrähte sozusagen in der Kühlflüssigkeit schwimmen. For this purpose, the winding coils 12 can be accommodated in stator slots 13, which are each designed as a coolant channel and form part of the cooling circuit, so that the coolant can flow directly around the winding wire 11 in the named stator slots. The walls of the stator slots form a cooling channel wall, so that the winding wires float in the coolant, so to speak.
Um die Wärmeübergangsfläche des Wicklungsdrahts 11 zum Kühlmittel zu erhöhen, können die Wicklungsspulen vorteilhafterweise unvergossen ausgebildet sein und zwischen den Wicklungsdrähten 11 Kühlspalten 14 bzw. Freiräume bzw. Zwischenräume aufweisen, die von der Kühlflüssigkeit durchspülbar sind, um den Wicklungsdraht 11 mehrseitig, vorzugsweise von allen Seiten mit Kühlflüssigkeit zu umspülen. Um die Kühlwirkung gezielt zu erhöhen, können die Wicklungsspulen 12 vorteilhafterweise einlagig konzentriert gewickelt sein. Durch die einlagige Wicklung kommt das umspülende Kühlmittel zuverlässig an alle Wicklungsdrähte, was die Kühlwirkung beträchtlich verbessert und die Bildung von Hotspots in der Wicklung verhindert. Durch die konzentrierte Wicklung kann nichtsdestotrotz eine hohe Leistungsdichte und eine insgesamt kompakte Bauweise erzielt werden. Konzentrierte Wicklung meint dabei, dass jeder Zahn der Statorbleche vom Wicklungsdraht 11 umwickelt ist. In order to increase the heat transfer surface of the winding wire 11 to the coolant, the winding coils can advantageously be non-cast and have cooling gaps 14 or free spaces or interspaces between the winding wires 11, which can be flushed through by the cooling liquid in order to flush the winding wire 11 with cooling liquid on multiple sides, preferably from all sides. In order to increase the cooling effect in a targeted manner, the winding coils 12 can advantageously be wound in a concentrated manner in a single layer. Thanks to the single-layer winding, the circulating coolant reliably reaches all winding wires, which significantly improves the cooling effect and prevents hotspots from forming in the winding. Nevertheless, thanks to the concentrated winding, a high power density and an overall compact design can be achieved. Concentrated winding means that each tooth of the stator laminations is wrapped by the winding wire 11 .
Vorteilhafterweise kann der Wicklungsdraht einen trapezförmigen Querschnitt besitzen, so dass sich bei der Umwicklung der Statorblechzähne ausreichend große Kühlspalte 14 zwischen den Wicklungsgängen bzw. zwischen benachbarten Wicklungsdrahtabschnitten bilden und das Kühlmittel in die Wicklungslage eindringen bzw. den Wicklungsdraht mehrseitig umspülen kann. Advantageously, the winding wire can have a trapezoidal cross section, so that when the stator sheet metal teeth are wound, sufficiently large cooling gaps 14 form between the winding turns or between adjacent winding wire sections and the coolant can penetrate the winding layer or flow around the winding wire on several sides.
Der genannte Wicklungsdraht 12 kann vorteilhafterweise elastisch isoliert beschichtet sein, beispielsweise mit einer hochtemperaturresistenten Thermoplastbeschichtung. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Wicklungsdraht 11 der Wicklung 9 eine PEEK, d.h. Polyetheretherketon-Beschichtung aufweisen. Said winding wire 12 can advantageously be elastically insulated, for example with a high-temperature-resistant thermoplastic coating. In an advantageous development of the invention, the winding wire 11 of the winding 9 can have a PEEK, i.e. polyetheretherketone coating.
Um die mehrlagige Wicklung 9 des Stators 3, 4 gleichmäßig zu kühlen, können die mehreren Wicklungsphasen bzw. die Statornuten 13 von der Kühlflüssigkeit parallel durchströmt werden. Die genannten Statornuten können in einem Kühlkreis zueinander parallel geschaltet sein und parallel vom Kühlmittel durchströmt werden. In order to cool the multi-layer winding 9 of the stator 3, 4 uniformly, the cooling liquid can flow through the several winding phases or the stator slots 13 in parallel. The stated stator slots can be connected in parallel to one another in a cooling circuit and the coolant can flow through them in parallel.
Um die genannten Statornuten 13 gleichmäßig zu kühlen, kann stromauf einer Stirnseite der Statorwicklung 9, beispielsweise in einer Zwischenplatte zwischen Motor und Wechselrichter, ein Einlaufverteiler vorgesehen sein, der das von der Kaltseite des Kühlsystems herkommende Kühlmittel auf die verschiedenen Statornuten 13 verteilt. Der genannte Einlassverteiler kann beispielsweise einen Ringraum an der Stirnseite der Wicklung 9 umfassen, an die bzw. an den die Statornuten 13 mit ihren stirnseitigen Enden kommunizierend angebunden sind. Auslassseitig können die Statornuten 13 an einen Sammelauslauf 16 der Flüssigkeitskühlvorrichtung 10 angebunden sein, wobei der genannte Sammelauslauf 16 beispielsweise einen Ringraum am stirnseitigen Ende des jeweiligen Stators 3, 4 aufweisen kann, mit dem die Statornuten 13 in Strömungsverbindung stehen, so dass aus den Statornuten 13 herauslaufenden Kühlflüssigkeit in dem Sammelauslauf 16 gesammelt wird. In order to cool the mentioned stator slots 13 evenly, an inlet distributor can be provided upstream of a front side of the stator winding 9, for example in an intermediate plate between motor and inverter, which distributes the coolant coming from the cold side of the cooling system to the various stator slots 13. Said inlet distributor can, for example, comprise an annular space on the end face of the winding 9, to which the stator slots 13 are connected in a communicating manner with their end faces. On the outlet side, the stator slots 13 can be connected to a collecting outlet 16 of the liquid cooling device 10, wherein said collecting outlet 16 can have, for example, an annular space at the front end of the respective stator 3, 4, with which the stator slots 13 are flow-connected, so that cooling liquid running out of the stator slots 13 is collected in the collecting outlet 16.
Wie Fig. 2 zeigt, kann die Kühlflüssigkeit im Gegenstrom bzw. axial gegenläufig durch den Statorträger 3, 4 geführt sein. Das von der Kaltseite herkommende kalte Kühlmittel kann parallel durch die Statornuten 13 in einer ersten Axialrichtung beispielsweise gemäß Fig. 2 von links nach rechts durch den Stator 3, 4 strömen, während das gesammelte, aufgeheizte Kühlmittel in einer dazu entgegengesetzten Axialrichtung, also beispielsweise gemäß Fig. 2 von rechts nach links durch Ablaufkanäle 17 zurück an die Stirnseite des Stators geführt werden kann, an der auch das kalte Kühlmittel zugeführt wurde. As FIG. 2 shows, the cooling liquid can be guided through the stator carrier 3, 4 in countercurrent or axially in opposite directions. The cold coolant coming from the cold side can flow in parallel through the stator slots 13 in a first axial direction, for example from left to right according to FIG. 2 through the stator 3, 4, while the collected, heated coolant can be routed in an opposite axial direction thereto, for example from right to left according to FIG.
Um den von Kühlflüssigkeit durchströmten Stator 3, 4 gegenüber dem Rotor 5 fluiddicht abzudichten, kann der Stator 3, 4 von einer Dichtungshülse bzw. einem Dichtungsrohr 19 umgeben sein, das den Stator, insbesondere dessen Wicklungsnuten 13, abdichtet bzw. kapselt. Ein solches hülsenförmiges Dichtungsrohr 19 kann sich insbesondere um den Stator 3, 4 herum und zwischen Stator 3, 4 und Rotor 5 erstrecken, beispielsweise auf der Außenumfangsseite des Stators 3, 4 sitzen. In order to seal the stator 3, 4 through which cooling liquid flows in a fluid-tight manner in relation to the rotor 5, the stator 3, 4 can be surrounded by a sealing sleeve or a sealing tube 19 which seals or encapsulates the stator, in particular its winding slots 13. Such a sleeve-shaped sealing tube 19 can in particular extend around the stator 3, 4 and between the stator 3, 4 and the rotor 5, for example it can be seated on the outer peripheral side of the stator 3, 4.
Hierbei kann beispielsweise ein Kohlefaserrohr oder ein ähnliches Kunststoffrohr, beispielsweise ein GFK-Rohr oder ein thermoplastisches Rohr aus ausreichend temperaturfestem Thermoplast als Dichtungsrohr Verwendung finden. Alternativ oder zusätzlich kann als Dichtungsrohr aber auch eine Hülse aus Edelstahl oder einem anderen nicht-magnetischem Material oder Materialmischungen zum Einsatz kommen. Here, for example, a carbon fiber tube or a similar plastic tube, for example a GRP tube or a thermoplastic tube made of sufficiently temperature-resistant thermoplastic can be used as the sealing tube. Alternatively or additionally, a sleeve made of stainless steel or another non-magnetic material or mixture of materials can also be used as the sealing tube.
Die Statorwicklung 9 kann, wie Fig. 4 zeigt, sternlos ausgebildet sein und mehr als drei oder mehr als sechs oder beispielsweise neun Phasen aufweisen. Eine beispielsweise neunphasige Wicklung aus konzentrierten Spulen 12 ohne Sternpunkt ermöglicht eine individuelle Ansteuerung der einzelnen Phasen, was in geschickter Weise zur Verbesserung des Maschinenbetriebs genutzt werden kann. Da bei Mehrphasenwicklungen ohne Sternpunkt grundsätzlich keine Nullsummen-Strombedin- gung gilt, d.h. die Summe der Phasenströme nicht zwingend Null sein muss, können grundsätzlich verschiedene bzw. beliebige Stromformen realisiert werden. Dies erlaubt es beispielsweise im Fehlerfall wie beispielsweise einem Kurzschluss zwischen zwei Phasen oder einem Leitungsbruch den Maschinenbetrieb zumindest eingeschränkt fortsetzen zu können. Hierzu kann die Bestromung der verbleibenden funktionsfähigen Phasen angepasst werden. As FIG. 4 shows, the stator winding 9 can be designed without a star and have more than three or more than six or, for example, nine phases. For example, a nine-phase winding of concentrated coils 12 without a star point allows individual control of the individual phases, which is more skillful Way to improve machine operation can be used. Since, in principle, no zero-sum current condition applies to multi-phase windings without a star point, ie the sum of the phase currents does not necessarily have to be zero, different or arbitrary current forms can be implemented. This allows, for example, in the event of a fault such as a short circuit between two phases or a line break, to be able to continue machine operation at least to a limited extent. For this purpose, the energization of the remaining functional phases can be adjusted.
Unabhängig hiervon kann durch intelligente, individuelle Bestromung der einzelnen Phasen je nach Lastbereich und Position des Rotors eine Betriebsoptimierung erzielt werden. Beispielsweise kann für bestimmte Lastbereiche durch Anpassung der Bestromung die mittlere Kupfertemperatur bzw. Drahttemperatur gesenkt werden. Irrespective of this, operation optimization can be achieved through intelligent, individual current supply of the individual phases depending on the load range and position of the rotor. For example, the average copper temperature or wire temperature can be reduced for certain load ranges by adjusting the current supply.
Grundsätzlich kann durch eine vielphasige Wicklung ohne Sternpunkt, beispielsweise in Form der genannten Neunphasenwicklung ohne Sternpunkt, auch die Drehmomentwelligkeit signifikant, insbesondere um mehr als 50% gesenkt werden. Gerade Maschinen mit konzentrierter Wicklung neigen an sich zu einer relativ hohen Welligkeit im Drehmomentsverlauf. Durch die vorgeschlagene hohe Phasenzahl erhöht sich jedoch die Frequenz der Drehmomentwelligkeit, während gleichzeitig deren Amplitude sinkt. Grundsätzlich kommen auch mehr als neun Wicklungsphasen in Betracht, beispielsweise zwölf Phasen oder auch fünfzehn Phasen. Eine Wicklung mit neun Phasen ist jedoch ein guter Kompromiss zwischen geringer Welligkeit im Drehmomentverhalten und noch moderatem Montageaufwand bei kompakter Bauweise mit konzentrierter Wicklung. In principle, the torque ripple can also be reduced significantly, in particular by more than 50%, by means of a multi-phase winding without a star point, for example in the form of the nine-phase winding mentioned without a star point. Machines with concentrated winding tend to have a relatively high ripple in the torque curve. However, due to the proposed high number of phases, the frequency of the torque ripple increases, while at the same time its amplitude decreases. In principle, more than nine winding phases can also be considered, for example twelve phases or else fifteen phases. However, a winding with nine phases is a good compromise between low ripple in the torque behavior and still moderate assembly effort with a compact design with concentrated winding.
Wie Fig. 4 zeigt, kann vorteilhafterweise die sternlose Wicklung 9 an einen Wechselrichter 17 mit Vollbrücken, insbesondere in Form von H-Brücken, angebunden werden. Ein solcher Wechselrichter mit Vollbrücken erlaubt eine unabhängige Bestromung der einzelnen Phasen, um die Bestromung beispielsweise im Fehlerfall anpassen oder je nach Lastbereich oder Position des Rotors optimal steuern zu können. Insbesondere erlaubt es ein solcher Wechselrichter mit Vollbrücken auch, die einzelnen Phasen mit variablem Zeitversatz anzusteuern bzw. zu bestromen. Im Vergleich zu der sternlosen Vielphasenwicklung der Fig. 4 zeigt Fig. 5 eine an sich herkömmliche Dreiphasenwicklung mit Sternpunkt. As FIG. 4 shows, the starless winding 9 can advantageously be connected to an inverter 17 with full bridges, in particular in the form of H bridges. Such an inverter with full bridges allows the individual phases to be supplied with current independently, for example in order to be able to adapt the current supply in the event of a fault or to be able to optimally control it depending on the load range or the position of the rotor. In particular, such an inverter with full bridges also allows the individual phases to be controlled or energized with a variable time offset. In comparison to the starless multiphase winding of FIG. 4, FIG. 5 shows a conventional three-phase winding with a star point.

Claims

Elektrische Mehrphasenmaschine Electric multiphase machine
Ansprüche Elektrische Mehrphasenmaschine mit einer Statoranordnung (2) umfassend eine statorseitige Wicklung (9), und einem relativ dazu drehbar gelagerten Rotor (5), der einen die Statoranordnung (2) außenumfangsseitig umgebenden Außenläufer bildet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssig-Kühl-Vorrich- tung (10) für die statorseitige Wicklung (9) vorgesehen ist, deren Wicklungsspulen (12) in Statornuten (13) aufgenommen sind, die jeweils als Kühlmittelkanal ausgebildet sind, und ein durch die Statornuten (13) fließendes Kühlmittel in den Statornuten den Wicklungsdraht (11 ) umspült. Elektrische Mehrphasenmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Wicklungsspulen (12) unvergossen ausgebildet sind und von Kühlflüssigkeit durchspülbare Kühlspalten (14) zwischen benachbarten Abschnitten des Wicklungsdrahts (11 ) einer Spule vorgesehen sind. Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wicklungsdraht (11 ) der Wicklungsspulen (12) einen trapezförmigen oder dreieckigen Querschnitt besitzt. Elektrische Mehrphasenmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Wicklungsdraht (12) derart um die Statorblechzähne gewickelt ist, dass der breitere Rücken des Querschnitts am Statorblech bzw. -zahn anliegt und/oder die schmälere Querschnittsseite zur Mitte des Statorspalts hin vorspringt Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wicklungsspulen (12) einlagig gewickelt sind. Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wicklungsdraht (11 ) der Wicklungsspulen (12) elektrisch isolierend beschichtet ist. Elektrische Mehrphasenmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Wicklungsdraht (11 ) mit einer Beschichtung aus einem Hochtemperaturresistenten Thermoplast, insbesondere mit einer PEEK-Beschichtung, versehen ist. Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Statornuten (13) zueinander parallelgeschaltet an einen Einlassverteiler (15) zur Zuführung von Kühlflüssigkeit angebunden sind und parallel von der Kühlflüssigkeit durchströmbar sind. Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Statornuten (13) des zumindest einen Stators (3, 4) an einer axialen Stirnseite des Stators (3, 4) mit einem an der genannten Statorstirnseite vorgesehenen Ringraum zum Zuführen der Kühlflüssigkeit strömungsverbunden sind und/oder an einer gegenüberliegenden Stirnseite des Stators (3, 4) mit einem dort vorgesehenen Sammelauslauf (16) strömungsverbunden sind. Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlflüssigkeit in axial gegenläufigen Richtungen zunächst von der Kaltseite des Kühlkreises her parallel durch die Statornuten (13) für die Wicklungsspulen (12) von einer Stirnseite zur gegenüberliegenden Stirnseite des Stators hindurchgeführt ist und sodann die von den Wicklungsspulen (12) aufgeheizte Kühlflüssigkeit in axial entgegengesetzter Richtung durch den Statorträger hindurch zurück zur Zuströmseite geführt wird. Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche oder dem Oberbegriff von Anspruch 1 , wobei die Statoranordnung (2) zwei Statoren (3, 4) umfasst, die außenseitig von dem gemeinsamen Rotor (5) umgeben sind, wobei die zwei Statoren (3, 4) in einem Kühlkreis parallelgeschaltet angeordnet sind oder an zwei separate Kühlkreise angebunden sind, so dass jeder Stator (3, 4) von gleichermaßen frischer und/oder kalter Kühlflüssigkeit durch- strömbar ist. Elektrische Mehrphasenmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Rotor (5) zwischen den beiden Statoren (3, 4) mittels einer Abstützung (6) auf einer innenliegenden, von den Statoren (3, 4) umgebenen Maschinenwelle (7) oder -achse abgestützt ist. Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der beiden vorhergehenden Anspruch, wobei die zwei Statoren (3, 4) im Wesentlichen gleichlang ausgebildet und symmetrisch zum gemeinsamen Rotor (5) und dessen zentralen Abstützung (6) ausgebildet sind, wobei der Rotor (5) durch die Abstützung (6) mittig abgestützt ist und bezüglich der Abstützung symmetrisch ausgebildet ist. Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der als Außenläufer ausgebildete Rotor (5) durch eine Fest-Los-Lage- rung an zwei voneinander beabstandeten Lagerpunkten abgestützt ist. Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (5) kippfest und drehfest an der innenliegenden Maschinenwelle (7) oder -achse befestigt ist, die ihrerseits an gegenüberliegenden Endabschnitten oder Stirnseiten, insbesondere im Bereich der gegenüberliegenden Stirnseiten der Statoranordnung (2) und/oder gegenüberliegenden Gehäuseseiten, drehbar gelagert ist. Elektrische Mehrphasenmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die genannte Motorwelle (7) durch zumindest zwei Wälzlager drehbar gelagert ist, die zusammen eine Fest-Los-Lagerung bilden. Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der als Außenläufer ausgebildete Rotor (5) eine axiale Länge besitzt, die größer ist als ein Durchmesser des Außenläufers. Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die statorseitige Wicklung (9) mehr als fünf Phasen aufweist und sternlos ausgebildet, insbesondere neunphasig sternlos ausgebildet ist. Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wicklungsspulen (12) der Wicklung (9) des Stators (3, 4) konzentriert gewickelt sind. Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wicklungsphasen der statorseitigen Wicklung (9) an eine Ansteuerschaltung zum phasenindividuellen, variablen Bestromen der einzelnen Phasen angebunden sind. Elektrische Mehrphasenmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die genannte Ansteuerschaltung einen Wechselrichter (17) mit Vollbrücken, insbesondere in Form von H-Brücken (18), zum Bestromen der einzelnen Phasen mit variablem Zeitversatz aufweist. Elektrische Mehrphasenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an den beiden Statoren (3, 4) jeweils eine mehrphasige Wicklung (9) und an dem gemeinsamen Rotor (5) Permanentmagnete (8) vorgesehen sind. Bau- und/oder Flurfördermaschine wie Bagger, Raupe oder Dump Truck, oder Hebezeug wie Kran, oder landwirtschaftliche Arbeitsmaschine, mit einer elektrischen Mehrphasenmaschine (1 ), die gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist. Bau- und/oder Flurfördermaschine oder Hebezeug gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die elektrische Mehrphasenmaschine (1 ) den Antriebsmotor eines Fahrantriebs oder eines Hauptfunktionsaggregats bildet. Claims Electrical multi-phase machine with a stator arrangement (2) comprising a stator-side winding (9) and a rotor (5) rotatably mounted relative thereto, which forms an external rotor surrounding the stator arrangement (2) on the outer circumference, characterized in that a liquid cooling device (10) is provided for the stator-side winding (9), the winding coils (12) of which are accommodated in stator slots (13), which are each designed as a coolant channel, and a through the stator slots (13) Flowing coolant flows around the winding wire (11) in the stator slots. Electrical multi-phase machine according to the preceding claim, wherein the winding coils (12) are formed without casting and cooling liquid flushable cooling gaps (14) are provided between adjacent sections of the winding wire (11) of a coil. Electrical multi-phase machine according to one of the preceding claims, wherein the winding wire (11) of the winding coils (12) has a trapezoidal or triangular cross section. Electrical multi-phase machine according to the preceding claim, wherein the winding wire (12) is wound around the stator sheet metal teeth in such a way that the broader back of the cross section rests against the stator sheet metal or tooth and/or the narrower cross-sectional side projects towards the center of the stator gap. Electrical multi-phase machine according to one of the preceding claims, wherein the winding coils (12) are wound in a single layer. Electrical multi-phase machine according to one of the preceding claims, wherein the winding wire (11) of the winding coils (12) has an electrically insulating coating. Electrical multi-phase machine according to the preceding claim, wherein the winding wire (11) is provided with a coating of a high-temperature-resistant thermoplastic, in particular with a PEEK coating. Electrical multiphase machine according to one of the preceding claims, wherein the stator slots (13) connected in parallel to one another are connected to an inlet distributor (15) for the supply of cooling liquid and the cooling liquid can flow through in parallel. Electrical multi-phase machine according to one of the preceding claims, wherein the stator slots (13) of the at least one stator (3, 4) are flow-connected on an axial end face of the stator (3, 4) to an annular space provided on said stator end face for supplying the cooling liquid and/or on an opposite end face of the stator (3, 4) are flow-connected to a collecting outlet (16) provided there. Electrical multi-phase machine according to one of the preceding claims, wherein the cooling liquid flows in axially opposite directions initially from the cold side of the cooling circuit in parallel through the stator slots (13) for the winding coils (12) from one end face to the opposite end face of the Stator is passed through and then the winding coils (12) heated cooling liquid in the axially opposite direction through the stator and back to the inflow side. Electrical multi-phase machine according to one of the preceding claims or the preamble of claim 1, wherein the stator arrangement (2) comprises two stators (3, 4) which are surrounded on the outside by the common rotor (5), the two stators (3, 4) being arranged in parallel in a cooling circuit or being connected to two separate cooling circuits, so that each stator (3, 4) can be flowed through by equally fresh and/or cold coolant. Electrical multiphase machine according to the preceding claim, wherein the rotor (5) is supported between the two stators (3, 4) by means of a support (6) on an internal machine shaft (7) or axis surrounded by the stators (3, 4). Electrical multi-phase machine according to one of the two preceding claims, wherein the two stators (3, 4) are of essentially the same length and are symmetrical to the common rotor (5) and its central support (6), the rotor (5) being supported centrally by the support (6) and being symmetrical with respect to the support. Electrical multi-phase machine according to one of the preceding claims, wherein the rotor (5) designed as an external rotor is supported by a fixed/loose bearing at two bearing points spaced apart from one another. Electrical multi-phase machine according to one of the preceding claims, wherein the rotor (5) is fixed in a non-tilting and non-rotatable manner on the internal machine shaft (7) or axis, which in turn is rotatably mounted on opposite end sections or end faces, in particular in the region of the opposite end faces of the stator arrangement (2) and/or opposite housing sides. Multiphase electrical machine according to the preceding claim, wherein said motor shaft (7) is rotatably supported by at least two roller bearings which together form a fixed-floating bearing. Electrical multi-phase machine according to one of the preceding claims, in which the rotor (5) designed as an external rotor has an axial length which is greater than a diameter of the external rotor. Electrical multi-phase machine according to one of the preceding claims, wherein the stator-side winding (9) has more than five phases and is designed without a star, in particular is designed without a star with nine phases. Electrical multi-phase machine according to one of the preceding claims, wherein the winding coils (12) of the winding (9) of the stator (3, 4) are concentrated wound. Electrical multi-phase machine according to one of the preceding claims, wherein the winding phases of the stator-side winding (9) are connected to a control circuit for phase-specific, variable current supply to the individual phases. Electrical multi-phase machine according to the preceding claim, wherein said control circuit has an inverter (17) with full bridges, in particular in the form of H-bridges (18), for energizing the individual phases with a variable time offset. Electrical multi-phase machine according to one of the preceding claims, in which a multi-phase winding (9) is provided on each of the two stators (3, 4) and permanent magnets (8) are provided on the common rotor (5). Construction and / or industrial truck such as excavator, caterpillar or dump truck, or lifting gear such as crane, or agricultural machine, with an electrical multi-phase machine (1), which is designed according to one of the preceding claims. Construction and / or industrial truck or hoist according to the preceding claim, wherein the electric multi-phase machine (1) forms the drive motor of a traction drive or a main functional unit.
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