Beschreibung

Elektrische Maschine mit vereinfachter Drehwinkelgeberausrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer, einem drehbaren Läufer und einem zwischen dem Ständer und dem Läufer ausgebildeten Luftspalt, wobei bei einer Drehung des Läufers durch den Läufer in dem Luftspalt ein Drehfeld erzeugbar ist, das mehrere Polpaare aufweist, und mit einem Drehwinkelgeber zur Bestimmung des Drehwinkels des Läufers, wobei der Drehwinkelgeber eine drehbare Geberwelle aufweist, die mit dem Läufer drehfest verbindbar ist.

Bei einer derartigen Maschine wird durch den Läufer in dem

Luftspalt ein umlaufendes Drehfeld erzeugt, das aus einander abwechselnden magnetischen Nord- und Südpolen besteht, die entlang des Luftspaltes rotieren. Die Gesamtzahl aller Nord- und Südpole bestimmt dabei die so genannte Polzahl (2p) oder Polpaarzahl (p) . Das Drehfeld kann hierbei entweder durch auf dem Läufer angeordnete, stromdurchflossene Läuferwicklungen oder durch Permanentmagnete erzeugt werden, die auf dem Läufer angeordnet sind.

Eine derartige, als Synchronmaschine ausgebildete elektrische Maschine mit einem permanentmagnetisch erregten Läufer mit einer Polpaarzahl von beispielsweise p = 16 kommt aufgrund des geringen Platzbedarfs und der geringen Geräuscharmut bevorzugt bei U-Boot-Antriebsmotoren zum Einsatz. Hierbei kann, wie in der DE 10 301 272 Al dargestellt, der Ständer mehrere Wicklungsstränge aufweisen, die durch jeweils einen separaten, einphasigen Stromrichter gespeist werden.

Zu hochgenauen Regelung der Maschine bzw. der die Ständer- wicklung speisenden Stromrichter mit Hilfe einer Regelungsvorrichtung weist die Maschine einen hochwertigen Signalgeber zur Erfassung des Drehwinkels des Läufers der Maschine und zur Erzeugung von entsprechenden Signalinformationen für die

Regelungsvorrichtung auf. Mit Hilfe dieser Signalinformationen wird eine Strang- bzw. Phasenzuordnung der Wicklungsströme im Ständer der Maschine, eine feldorientierte, stromrichternahe Regelung der Stromrichter und insbesondere eine ge- räuschoptimierte Modulation der Motorströme ermöglicht.

Der Drehwinkelgeber erzeugt üblicherweise einmal pro ganzer (d.h. 360°) Umdrehung der Geberwelle bzw. des damit verbundenen Läufers ein sogenanntes Nullsignal, anhand dessen die ab- solute Winkellage des Läufers in Bezug auf den Ständer ermittelt werden kann. Bei der Erstmontage des Drehwinkelgebers wird der Winkelpunkt dieses Nullsignales innerhalb einer Periode der bei einer Drehung des Läufers durch diesen in einer Ständerwicklung induzierten Spannung ermittelt und danach die Regelung der Ständerströme auf diesen Winkelpunkt ausgerichtet.

Bei einem späteren Abbau des Gebers und einer Neumontage dieses oder eines anderen Gebers stimmt im Normalfall der Win- kelpunkt des Nullsignales des Gebers nicht mit dem bei der Erstmontage eingestellten Winkelpunkt überein. Dies liegt daran, dass üblicherweise sowohl die Läuferwelle als auch die Geberwelle ein Rundprofil aufweisen, die durch einen Kraft- schluss drehfest miteinander verbunden werden. Hierdurch sind in Drehrichtung des Läufers eine unbegrenzte Anzahl von Stellungen des Läufers in Bezug auf die Geberwelle und somit unterschiedlichster Winkelpunkte für das Nullsignal möglich.

Der Geber muss deshalb durch eine aufwändige elektronische Vermessung erst wieder auf den vorher eingestellten Winkelpunkt ausgerichtet werden, damit die Stromrichter, die die Ständerwicklung speisen, korrekte Drehwinkelwerte erhalten. Bei jedem Drehwinkelgeberabbau und anschließender Neumontage sind deshalb umfangreiche Arbeiten nötig, um die Funktionsbe- reitschaft der Maschine wieder herzustellen.

Die US 5,184,038 A beschäftigt sich mit der exakten Ausrichtung der Geberwelle zu dem Rotor eines elektrischen Gleich-

Strommotors. Hierzu weist die Rotorwelle einen Stift auf, der in eine Nut auf der Geberwelle greift und dadurch nur eine einzige Stellung der Geberwelle in Bezug auf den Läufer ermöglicht .

Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, bei einer elektrischen Maschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 die Drehwinkelgeberausrichtung zu vereinfachen und damit die Funktionsbereitschaft der Maschine zu erhöhen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Eine besonders vorteilhafte Verwendung der elektrischen Ma- schine ist Gegenstand des Anspruchs 11.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Anzahl der möglichen korrekten Ausrichtungen des Drehwinkelgebers, in denen der Winkelpunkt des Nullsignales des Winkelgebers innerhalb einer Periode der bei einer Drehung des Läufers durch diesen in einer Ständerwicklung induzierten Spannung bei einer Neumontage dem Winkelpunkt des Nullsignales der Erstmontage entspricht, der Anzahl der Perioden des bei einer ganzen Umdrehung des Läufers in einer Ständerwicklung indu- zierten Spannung und somit der Anzahl der Polpaare des von dem Läufer erzeugten Drehfeldes entspricht. Damit gibt es beispielsweise bei einer Polpaarzahl von 20 genau 20 mögliche unterschiedliche Stellungen des Läufers in Bezug auf die Geberwelle, in denen der Winkelpunkt des Nullsignales des Win- kelgebers bei einer Neumontage dem Winkelpunkt des Nullsignales der Erstmontage entspricht ist.

Durch die erfindungsgemäße Verbindbarkeit der Geberwelle mit dem Läufer derart, dass in Drehrichtung des Läufers nur eine zahlenmäßig begrenzte, von der Anzahl der Polpaare abhängige Anzahl unterschiedlicher Stellungen des Läufers in Bezug auf die Geberwelle möglich ist, kann sichergestellt werden, dass bei einer Neumontage eines Winkelgebers der Winkelpunkt des

Nullsignales innerhalb einer Periode der in einer Ständerwicklung induzierten Spannung automatisch dem Winkelpunkt des Nullsignales der Erstmontage entspricht. Hierdurch kann eine aufwendige Neuvermessung und -ausrichtung des Gebers nach dessen Montage entfallen, wodurch die Funktionsbereitschaft des Motors in kürzerer Zeit als bisher wiederhergestellt werden kann.

Wenn eine Ständerwicklung ein Drehfeld mit einer Polpaarzahl p erzeugt, müssen jedoch für eine automatisch korrekte Ausrichtung der Geberwelle nicht auch genau so viele Stellungen in Bezug auf den Läufer möglich sein, sondern es ist für eine automatisch korrekte Ausrichtung ausreichend, wenn die Anzahl der unterschiedlichen Stellungen der Geberwelle in Bezug auf den Läufer ein ganzzahliger Teiler der Polpaarzahl p ist. Bei einer Polpaarzahl von p = 20 ist es somit ausreichend, wenn die Geberwelle mit dem Läufer in 1, 2, 4, 5, 10 oder 20 unterschiedlichen Stellungen des Läufers in Bezug auf die Geberwelle verbindbar ist.

Wenn die Anzahl der möglichen unterschiedlichen Stellungen des Läufers in Bezug auf die Geberwelle größer als 1 ist, d.h. dass mehr als eine Stellung des Läufers in Bezug auf die Geberwelle möglich ist, kann die Montage des Gebers besonders einfach erfolgen. Dies ist insbesondere von großem Vorteil bei einer Montage des Gebers unter sehr beengten Platzverhältnissen, wie sie z.B. in einem U-Boot vorliegen.

Die Verbindung kann konstruktiv einfach dadurch realisiert werden, dass die Geberwelle mit dem Läufer durch einen Form- schluss in Drehrichtung des Läufers verbindbar ist.

Bevorzugt ist eine Kupplung zur formschlüssigen Verbindung des Läufers mit der Geberwelle vorgesehen, wobei die Kupplung ein in seiner in Bezug auf die Drehachse des Läufers radialen Ausdehnung veränderbares Kupplungselement und ein Gegenkupplungselement aufweist, wobei das Kupplungselement zur formschlüssigen Verbindung in einen Innenraum des Gegenkupplungs-

elementes eingreift, und wobei der Innenraum und das Kupplungselement in Drehrichtung des Läufers aneinander angepass- te Profilierungen aufweisen.

In einer konstruktiv besonders einfachen und montagefreundlichen Ausgestaltung sind die Profilierungen als ein Mehrkantprofil ausgebildet. Weiterhin können hierdurch Drehmomente besonders zuverlässig übertragen werden.

Das Kupplungselement bzw. das Gegenkupplungselement kann hierbei Teil des Läufers, der Geberwelle, aber auch Teil eines Wellenadapters sein, der drehfest mit dem Läufer verbunden ist.

In einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung ist das Gegenkupplungselement Teil der Geberwelle, wobei die Geberwelle als Hohlwelle ausgebildet ist und der Innenraum durch zumindest einen Teil des Hohlraums der Hohlwelle gebildet ist.

Bevorzugt weist die Ständerwicklung mehrere Wicklungsstränge aufweist, die von jeweils einem separaten, einphasigen Umrichter gespeist werden.

Ein besonders geringer Platzbedarf bei hoher Leistungsdichte ist dadurch möglich, dass die Maschine als Synchronmaschine mit einem permanentmagnetisch erregten Läufer ausgebildet ist .

Aufgrund ihres geringen Platzbedarfes und ihrer Geräuscharmut eignet sich die elektrische Maschine besonders zur Verwendung als Antriebsmotor für ein Schiff, insbesondere ein U-Boot.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen:

FIG 1 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung von Wicklungssträngen und Umrichtern einer elektrischen Maschine, FIG 2 eine Prinzipdarstellung der Polpaare des Läufers der

Maschine von FIG 1, FIG 3 einen zeitlichen Verlauf der in einer Ständerwicklung induzierten Spannung,

FIG 4 einen Längsschnitt durch eine Kupplung mit einem Vierkantprofil und FIG 5 eine Draufsicht auf den Wellenadapter von FIG 4 und

Eine in FIG 1 vereinfacht und in einer Prinzipdarstellung gezeigte elektrische Maschine 1 weist einen Ständer 2 mit einer Ständerwicklung 3 auf, die wiederum aus mehreren einzelnen Wicklungssträngen 3' besteht. Jeder einzelne Wicklungsstrang 3' wird durch jeweils einen gesonderten, nur für diesen Wicklungsstrang 3' vorgesehenen Umrichter 5 gespeist. Jeweils zwei der Umrichter 5 sind zu einem Umrichtermodul 6 zusammen- gefasst. Die Umrichtermodule 6 sind im Inneren der Maschine angeordnet .

Der Ständer 2 umgibt unter Bildung eines Luftspaltes 4 einen drehbaren Läufer 7, häufig auch als „Polrad" bezeichnet. Auf dem Läufer 7 sind - wie vereinfacht in FIG 2 dargestellt - in Umfangsrichtung mehrere Permanentmagnete verteilt, die aus jeweils einem magnetischen Nordpol N und einem Südpol S bestehen .

Bei einer Drehung des Läufers 7 wird in dem Luftspalt 4 und in der Ständerwicklung 3 ein umlaufendes Drehfeld erzeugt, das aus einander abwechselnden magnetischen Nordpolen N und Südpolen S besteht, die jeweils ein Polpaar P bilden und die entlang des Luftspaltes 4 rotieren. Die Gesamtzahl aller Nord- und Südpole bestimmt dabei die so genannte Polzahl (2p) oder Polpaarzahl (p) . Im Fall der FIG 2 werden durch den Läu- fer 7 acht Pole erzeugt, d.h. die Polpaarzahl beträgt p = 4.

Durch das rotierende Drehfeld werden in einem Wicklungsstrang 3' der Ständerwicklung 3 eine Spannung U induziert, deren

zeitlicher Verlauf beispielhaft in FIG 3 dargestellt wird. Dabei ist mit „N" die durch einen Nordpol und mit „S" die durch einen Südpol induzierte Spannung bezeichnet. Die bei einer ganzen Umdrehung des Läufers induzierte Spannung U durchläuft vier Perioden Pl, P2, P3, P4, d.h. die Anzahl der induzierten Spannungsperioden Pl, P2, P3, P4 entspricht dabei der Anzahl der Polpaare P bzw. der Polpaarzahl p.

Ein in FIG 4 näher dargestellter Drehwinkelgeber 8 mit einer als Hohlwelle 9 ausgebildeten drehbaren Geberwelle dient zur Erfassung des Drehwinkels α des Läufers 7 und zur Erzeugung einer entsprechenden Signalinformation für eine Regelungseinrichtung der Umrichter 5. Die FIG 4 zeigt hierbei einen aus dem abtriebsseitigen Ende der elektrischen Maschine 1 heraus- ragenden Teil des Läufers 7, der drehbar zwischen einem feststehenden Lagerschild 11 angeordnet ist. Das Gehäuse 12 des Gebers 8 ist zur Verdrehsicherung über eine Halterung 28 mit dem feststehenden Lagerschild 11 verbunden. Die Hohlwelle 9 des Gebers 8 ist über eine Kupplung 10 mit dem Läufer 7 zur übertragung der Drehbewegung des Läufers 7 an die Hohlwelle 9 drehfest verbunden.

Einmal pro vollständiger Umdrehung des Läufers 7 wird von dem Drehwinkelgeber 8 ein Nullsignal erzeugt, das im Fall der in FIG 3 dargestellten, in einer Ständerwicklungsstrang induzierten Spannung zeitlich beispielsweise in der zweiten Periode P2 bei einem Winkelpunkt φ = x liegt, und das für die Bestimmung der absoluten Winkellage des Läufers 7 in Bezug auf den Ständer 2 dient.

Wenn sowohl die Hohlwelle 9 als auch der Läufer 7 ein Rundprofil aufweisen und die beiden bei einem Abbau des Drehwinkelgebers 8 und anschließender Neumontage durch eine kraftschlüssigen Verbindung drehfest miteinander verbunden werden, wird das Nullsignal nach der Neumontage im Normalfall in der gleichen Periode P2 oder in einer der anderen Perioden Pl, P3, P4 bei einem zum Winkelpunkt φ = x unterschiedlichen Winkelpunkt φ = y erzeugt werden. Für eine optimale Stromrege-

lung müsste der Geber 8 durch eine aufwändige elektronische Vermessung dann erst wieder auf den ursprünglichen Winkelpunkt φ = x ausgerichtet werden.

Erfindungsgemäß ist dagegen die Hohlwelle 9 mit dem Läufer 7 in dessen Drehrichtung nur in einer zahlenmäßig begrenzten, von der Anzahl der Polpaare P abhängigen Anzahl unterschiedlicher Stellungen des Läufers 7 in Bezug auf die Geberwelle verbindbar. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Welle 9 des Gebers 8 in Bezug auf den Läufer 7 automatisch derart ausgerichtet ist, dass das Nullsignal beim gleichen Winkelpunkt φ = x der gleichen Periode P2 oder beim gleichen Winkelpunkt φ = x' = x in einer der anderen Perioden Pl, P3 oder P4 erzeugt wird.

Da der Läufer 7 ein Drehfeld mit vier Polpaaren erzeugt, ist die Verbindung zwischen Welle 9 und Läufer 7 derart ausgebildet, dass die Anzahl der unterschiedlichen Stellungen des Läufers 7 in Bezug auf die Welle 9 ein ganzzahliger Teiler der Anzahl der Polpaare P ist, das heißt, dass entweder 1, 2 oder 4 unterschiedliche Stellungen des Läufers 7 in Bezug auf die Welle 9 möglich sind. In jedem dieser Fälle ist bei einer Neumontage des Gebers 8 automatisch eine korrekte Ausrichtung der Welle 9 in Bezug auf den Läufer 7 sichergestellt. Vor- zugsweise ist die Anzahl der unterschiedlichen Stellungen dabei größer als 1, d.h. im vorliegenden Fall sind 2 oder 4 unterschiedlichen Stellungen möglich.

Wie in FIG 4 und 5 dargestellt, ist die Hohlwelle 9 mit dem Läufer 7 durch einen Formschluss in Drehrichtung des Läufers 7 verbindbar. Für diese formschlüssige Verbindung ist eine Kupplung 10 vorgesehen, die zum einen ein in seiner radialen Ausdehnung veränderbares Kupplungselement 15 und zum anderen die Hohlwelle 9 des Gebers 8 als Gegenkupplungselement 14 aufweist. Das Kupplungselement 15 ist hierbei ein Teil eines in FIG 5 in Draufsicht näher gezeigten Wellenadapters 13, der auf seiner dem Geber 8 abgewandten Seite mittels Schrauben 26

drehfest mit dem Läufer 7 verbunden ist und auf seiner dem Geber 8 zugewandten Seite das Kupplungselement 15 aufweist.

Zur formschlüssigen Verbindung in Drehrichtung des Läufers 7 wird die Hohlwelle 9 auf das Kupplungselement 15 geschoben, wodurch das Kupplungselement 15 in einen dem Kupplungselement 15 zugewandten Bereich 27 des von der Hohlwelle 9 umschlossenen Innenraumes 21 eingreift. Die Innenwandung der Hohlwelle 9 in diesem Bereich 27 des Innenraums 21 und die Oberfläche des Kupplungselementes 15 in einem dem Geber 8 zugewandten Bereich 20 weisen in Drehrichtung des Läufers 7 aneinander angepasste Profilierungen auf, die beispielsweise als ein Mehrkantprofil ausgebildet sind. Im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 4 und 5 weisen die Profilierungen in Drehrichtung ein Vierkantprofil auf, d.h. es sind 4 unterschiedliche Stellungen des Läufers 7 in Bezug auf die Hohlwelle 9 möglich.

Grundsätzlich wird bei einem Mehrkantprofil durch die Anzahl der Kanten in Drehrichtung des Läufers 7 die Anzahl der un- terschiedlichen Stellungen des Läufers 7 in Bezug auf die Hohlwelle 9 bestimmt. Diese muss jedoch mit der Anzahl der Polpaare abgestimmt sein, d.h. die Anzahl der Kanten muss ein ganzzahliger Teiler der Polpaarzahl sein.

Das Vierkantprofil des Kupplungselements 15 ist durch ein Spreizelement 16 in seiner radialen Ausdehnung veränderbar und weist hierzu - wie aus FIG 5 entnehmbar - an den Ecken 23 zwischen den Kanten 24 jeweils einen in axialer Richtung verlaufenden Schlitz 25 auf. Das Spreizelement 16 weist einen in Richtung zu dem Läufer 7 sich verjüngenden Durchmesser und eine Bohrung 17 auf, durch die eine über die Hohlwelle 9 zugeführte Schraube 18 in ein in dem Wellenadapter 13 vorgesehenes Innengewinde 19 einschraubbar ist.

Ein Einschrauben der Schraube 18 in das Innengewinder 19 führt zu einer Bewegung des Spreizelementes 16 entlang der Drehachse 22 des Läufers 7 in Richtung zu dem Läufer 7. Hierdurch kommt es zu einer Aufspreizung des Vierkantprofils des

Kupplungselementes 15 in Richtung zu der Innenwandung der Hohlwelle 9. Das Spreizelement 16 wird so weit in Richtung zu dem Läufer 7 geführt, bis sich zwischen dem Vierkantprofil im Bereich 20 des Kupplungselementes 15 und dem Vierkantprofil im Bereich 27 der Hohlwelle 9 ein Formschluss in Drehrichtung des Läufers 7 und ein Kraftschluss in Richtung der Drehachse 22 des Läufers 7 einstellt.

Es wird somit auf einfache Weise sichergestellt, dass bei ei- ner erneuten Montage eines Drehwinkelgebers 8 automatisch eine korrekte Ausrichtung des Drehwinkelgebers 8 in Bezug auf den Läufer 7 erfolgt.