Beschreibung

Titel

Elektrische Maschine, insbesondere Synchronmotor mit elektrischer Kommutierung

Stand der Technik

Für drehzahlgeregelte elektrische Antriebe werden heute immer häufiger elektronisch kommutierte Synchronmotoren mit permanent magnetischer Erregung eingesetzt. Dabei befinden sich die Permanentmagnete im Rotor, der sowohl als Innen- als auch als Außenläufer ausgeführt sein kann. Die Magnetsysteme sind dabei als Axialfluss- oder Transversalfluss- Systeme aufgebaut. Im Stator der Maschinen sind ein- oder mehrphasige Wicklungen angeordnet. Werden möglichst kostengünstige Kleinantriebe mit elektronischer Kommutierung, so genannte EC-Motore benötigt, wie zum Beispiel in Kraftfahrzeugbau, werden hierfür häufig einphasige Maschinen eingesetzt, sofern nur eine Drehrichtung erforderlich ist, wie zum Beispiel bei Lüftern und Pumpen. Besonders kostengünstig und leicht lassen sich solche Maschinen mit einem Stator in Klauenpolausführung und Ringspulen herstellen. Bei mehrphasigen Maschinen, wie sie für einen Reversierbetrieb erforderlich sind, werden die Statorwicklungen mittels einer elektronischen Schaltung, einem Umrichter, bestromt. Vorzugsweise kommt dabei die klassische dreiphasige Brückenschaltung gemäß Figur 1 zum Einsatz. Die drei Phasenwicklungen des Motors können dann sowohl in Stern als auch im

Dreieck verschaltet sein.

Um die Vorteile von mehrphasigen Maschinen, wie geringe Pendelmomente und Reversierbetrieb, mit den fertigungstechnischen Vorzügen der Klauenpolausführung und Ringspule des Stators zu kombinieren, werden üblicherweise so viele identische Klauenpolsysteme wie Phasen erwünscht sind, axial nebeneinander und um den Phasenverschiebungswinkel zueinander verdreht angeordnet und mit einer dreiphasigen Umrichter-Brückenschaltung bestromt. Eine solche bekannte elektrische Maschine zeigt die US 6765321 B2.

Offenbarang der Erfindung

Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, einen mehrphasigen elektronisch kommutierten Synchronmotor einerseits möglichst kostengünstig und kompakt herzustellen und andererseits mit dem üblichen Umrichter in dreiphasiger Brückenschaltung bestromen zu können.

Bei derartigen EC-Synchronmotoren wird aufgrund der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gegenüber einem Motor mit dreisträngigem Stator eine Ringspule mitsamt den Klauenpolen weggelassen. Durch die derart geänderte Klauenpolanordnung werden die elektromagnetischen Verhältnisse weitgehend beibehalten. Das hat den Vorteil einer erheblichen Kosteneinsparung bei der Herstellung der Maschine. Außerdem werden durch das gemeinsame Magnetsystem für beide Spulen die bisher benötigten Klauenpolpaare für jede Spule einer mehrsträngigen Maschine überflüssig. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei der nunmehr zweisträngigen Maschine ein erheblich kürzer bauender Stator verwendet wird, was eine kompakte Bauweise der Maschine zur Folge hat. Die Maschine kann außerdem wie üblich über einen dreiphasigen Umrichter im Reversierbetrieb arbeiteten.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.

Eine besonders einfach herzustellende und kompakte Ausbildung des Klauenpol- Magnetsystems wird dadurch erreicht, dass zwischen den beiden Ringspulen zwei aneinander liegende Polplatten angeordnet sind, die jeweils zur Bildung eines Klauenpoles zueinander entgegengesetzt abgewinkelte Klauen haben. Bei einem Synchronmotor mit axialem Arbeitsluftspalt werden zu Erzielung einer kompakten Bauform die beiden Ringspulen axial nebeneinander angeordnet und die Polplatten an den Stirnseiten der Spulen befestigt, so dass die Klauenpole axial über beide Ringspulen hinwegragen. Die Ringspulen sind gleich ausgebildet und können somit von Wickelmaschinen in hoher Taktzahl gefertigt werden. Einen hohen Wirkungsgrad der Maschine erreicht man dadurch, dass die Klauenpole über die gesamte Länge des Arbeitsluftspaltes geführt sind. Zur kostengünstigen Herstellung des Magnetsystems werden zweckmäßigerweise die Polscheiben mit ihren Klauenpolen aus Blechen gestanzt und mittels Tiefziehen geformt. Zweckmäßigerweise bleiben dabei Breite und Dicke der Klauenpole über ihre gesamte Länge gleich. Dadurch ergibt sich eine magnetisch gleichmäßige Folge von drei Klauenpolen entlang des Umfangs am Arbeitsluftspalt. Dies führt zu einem Drehfeld mit 60° oder 120° elektrisch zueinander verschobenen Takten bei entsprechender Phasenverschiebung der vom Umrichter abgegebenen dreiphasigen Spannungen.

Das Konzept eines EC-Synchronmotors mit zweisträngiger Statorwicklung lässt sich sowohl mit einem zweipoligen als auch mit einem mehrpoligen Läufer realisieren, das heißt mit einem oder mehreren über den Umfang des Läufers verteilt angeordneten Magnetpolpaaren. Ebenso variabel ist die Anzahl der an den Polscheiben jeweils ausgebildeten Klauenpole. Zur Erzielung kleiner Drehschritte und geringer Pendelmomente ist es daher vorteilhaft, bei einem mindestens zweipoligen, vorzugsweise vierpoligen Läufer, Polscheiben zu verwenden, die jeweils mit mindestens zwei, vorzugsweise vier Klauenpolen versehen sind. Bei einem EC-Synchronmotor mit Außenläufer kann in vorteilhafterweise der Stator mit den Ringspulen auf einer magnetisch leitfähigen Achse angeordnet werden, wobei dann die Polscheiben des Klauenpolsystems für den magnetischen Rückschluss auf der Achse befestigt sind, deren freies Ende eine Lagerstelle für einen topfförmig ausgebildeten Außenläufer aufweist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Schaltungsanordnung für einen dreisträngigen EC-Motor gemäß dem

Stand der Technik,

Figur 2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen zweisträngigen EC-Motor in Außenläufer-Bauweise,

Figur 3 den Stator der Maschine mit dem Klauenpolsystem in vergrößerter raumbildlicher Darstellung,

Figur 4 den Stator aus Figur 3 in Explosions-Darstellung,

Figur 5 die Schaltungsanordnung des EC-Motors nach Figur 2 mit einem dreiphasigen Umrichter,

Figur 6 ein Diagramm mit den Spannungs- und Stromverläufen der drei Phasen an den beiden Spulen des EC-Motors und Figur 7a bis 7c je eine Abwicklung des Klauenpolsystems und der Permanentmagnete des

Läufers mit den phasenabhängig wechselnden Polaritäten der Klauenpole.

Ausführungsformen der Erfindung

Ausgehend von einer bekannten Schaltungsanordnung eines EC-Synchronmotors mit dreiphasigem Umrichter gemäß Figur 1 wird die Erfindung mit einem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 bis 5 sowie die Wirkungsweise mit Hilfe der Figuren 6 und 7a bis 7c näher erläutert.

Die in Figur 1 mit 10 bezeichnete Schaltungsanordnung zeigt einen an sich bekannten dreisträngigen EC-Synchronmotor 11 mit permanent magnetisch erregtem Läufer I Ia, dessen

- A -

drei Statorwicklungen 1 Ib in üblicherweise von den drei Phasenausgängen R, S, T eines Umrichters 12 in Brückenschaltung über elektronisch steuerbare Halbleiterschalter 13 versorgt werden. Der Umrichter 12 ist dabei eingangsseitig an eine Gleichstromquelle 14 angeschlossen. über die Halbleiterschalter 13 lassen sich Drehzahl und Drehrichtung sowie die Ruhelage des Läufers steuern.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich diese Funktionen nunmehr auch durch eine zweisträngige Ausführung des Synchronmotors realisieren, wodurch eine Spule mitsamt ihrem Magnetsystem im Stator eingespart wird. Figur 2 zeigt den schematischen Aufbau eines solchen Synchronmotors 15 im Längsschnitt in einer Außenläufer-Bauweise. Sein Stator 16 ist auf einer starren Achse 17 befestigt und besteht aus einer mehrphasigen Wicklung 18, die von einem Klauenpolsystem 19 eingefasst ist. Sein topfförmig ausgebildeter Läufer 20 aus weichmagnetischem Material ist mit seiner Nabe auf einer Antriebswelle 21 der Maschine befestigt, die mit der Achse 17 des Stators fluchtet. Das freie Ende 17a der an einer Konsole 17b befestigten Achse 17 ist dabei als Lagerstelle 22 für den topfförmigen Läufer 20 ausgebildet.

Am Innenumfang des topfförmigen Läufers sind acht radial magnetisierte Permanentmagnete 23 mit abwechselnder Polarität über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet. Stator 16 und Läufer 20 wirken dabei über einen axialen Arbeitsluftspalt 24 zusammen. Die Wicklung 18 besteht dabei aus zwei Ringspulen 29, 30.

Anhand der Figuren 3 und 4 wird der erfindungsgemäße Aufbau des Stators 16 näher erläutert. Das Klauenpolsystem 19 des Stators 16 besteht aus vier ringförmigen Polplatten 25 bis 28, die jeweils paarweise eine von zwei axial nebeneinander angeordneten Ringspulen 29 und 30 einfassen. Von den stirnseitig außen liegenden beiden Polplatten 25 und 26 sind jeweils am Außenumfang Klauenpole 31 und 32 rechtwinklig axial abgebogen. Zwischen den beiden

Ringspulen 29 und 30 sind die zwei aneinander liegenden Polplatten 27 und 28 angeordnet. Sie haben jeweils zur Bildung eines Klauenpoles 33 zwei zueinander entgegengesetzt axial abgewinkelte Klauen 33a, 33b. An den beiden äußeren Polplatten 25 und 26 sowie an den inneren Polplatten 27, 28 zwischen den Ringspulen 29, 30, sind jeweils vier Klauenpole 31, 32 und 33 ausgebildet, die gleichmäßig über den Umfang verteilt in wechselnder Folge ineinander greifen und dabei entlang des Arbeitsluftspaltes 24 über beide Ringspulen 29 und 30 axial hinwegragen. Aus Figur 2 ist erkennbar, dass die Klauenpole dabei über die gesamte durch die Permanentmagnete 28 des Läufers vorgegebene Länge des Arbeitsluftspaltes 24 geführt sind. Die Polplatten 25 bis 28 sind mit ihren Klauenpolen 31 bis 33 in einfach herstellbarer Weise aus weichmagnetischen Blechen gestanzt und mittels Tiefziehen geformt. Dabei bleiben Dicke und Breite der Klauenpole 31 bis 33 über ihre gesamte axiale Länge konstant. Die Polplatten 25 bis 28 werden mit den beiden Ringspulen 29 und 30 axial zusammengefügt und an der Achse 17

aus weichmagnetischem Material befestigt, so dass die Achse 17 den magnetischen Rückschluss für das Klauenpolsystems des Stators 16 bildet.

Figur 5 zeigt die Schaltungsanordnung zur Versorgung des zweisträngigen EC-Synchronmotors 15 nach Figur 2. Dort ist erkennbar, dass die zwei nebeneinander angeordneten Ringspulen 29, 30 zueinander in Reihe geschaltet sind, wobei deren Verbindung 34 und deren Spulenanfänge je einen der drei Phasenanschlüsse R, S, T bilden. Diese Anschlüsse werden in gleicher Weise wie in Figur 1 mit den Ausgängen eines Drei-Brücken-Umrichters 12 verbunden.

Die Wirkungsweise des Synchronmotors 15 soll nunmehr mit Hilfe der Figuren 6 und 7a bis 7c erläutert werden. üblicher Weise werden die Ringspulen 29, 30 über den Umrichter 12 wie bei Maschinen mit drei Spulen gemäß dem Stand der Technik in sechs Takten zyklisch bestromt. Im Folgenden wird jedoch zur vereinfachten Darstellung der Wirkungsweise ein Bestromungs- Zyklus von drei Takten gewählt.

Gemäß Figur 6 wird dazu die Gleichspannung am Eingang des Umrichters 12 durch eine getaktete Ansteuerung der Halbleiterschalter 13 in zyklisch abwechselnder Folge als Rechteckimpulse auf die Phasenausgänge R, S und T gegeben, wobei zur Steuerung der Drehzahl die Impulslänge variabel ist. Der erste Spannungsimpuls Ul gelangt dabei über den Phasenausgang R zur Ringspule 29. Dadurch fließt nunmehr über den oberen Halbleiterschalter 13 der linken Brücke ein Strom über den Anschluss R durch die erste Ringspule 29 und vor dort über den Anschluss S und den unteren Halbleiterschalter 13 der mittleren Brücke zum Minuspol der Gleichstromquelle 14. Danach tritt ein zweiter Spannungsimpuls U2 am Anschluss S auf, der über die Verbindung 34 beiden Spulen 29 und 30 zugeführt wird. Diese Spannung treibt nunmehr einen Strom über den oberen Halbleiterschalter 13 der mittleren Brücke und den

Anschluss S in umgekehrter Richtung, das heißt von den Spulenenden her gleichzeitig durch beide Spulen und 29 und 30 bei geschlossenen unteren Halbleiterschaltern in der linken und rechten Brücke. Danach tritt ein dritter Spannungsimpuls U3 am Anschluss T der linken Brücke auf, der nunmehr durch die zweite Spule 30 über den oberen Halbleiterschalter 13 der rechten Brücke einen Strom treibt, der über den Anschluss S und den unteren Halbleiterschalter 13 der mittleren Brücke zum Minuspol der Gleichstromquelle 14 geführt wird. Diese Spannungs- und Stromverläufe sind im Diagramm nach Figur 6 dargestellt und wiederholen sich in zeitlich zyklischer Folge. Die dabei an den Klauenpolen 31 bis 33 des Synchronmotors 15 auftretenden Polaritäten wirken mit den Permanentmagneten 23 des Läufers 20 derart zusammen, dass dieser in einer durch die Impulsfolge vorgegebenen Drehrichtung angetrieben wird. Mit Hilfe der Figuren 7a bis 7c wird diese Wirkungsweise näher erläutert. Sie zeigen die Abwicklung einer Klauenpolfolge des Stators 16 im Zusammenwirken mit den Permanentmagneten 23 des Läufers 20.

In Figur 7a ist die Polarisierung der Klauenpole des Synchronmotors 15 aus Figur 1 zum Zeitpunkt a im Diagramm nach Figur 6 dargestellt. Danach fließt in der ersten Ringspule 29 ein Strom in Vorwärtsrichtung, der über die linke Polplatte 25 an deren Klauenpolen 31 einen Nordpol N ausbildet. Dementsprechend werden vom gleichen Stromfluss in der Spule 29 über die beiden inneren Polplatten 27 und 28 jeweils an den Klauen 33a und 33b des mittleren Klauenpols 33 ein Südpol S ausgebildet. Da die linke Ringspule 30 keinen Strom führt, durchsetzt ein Teil des Magnetflusses der rechten Ringspule 29 auch die linke Spule und bildet über die linke Polplatte 26 einen weiteren, schwächeren Südpol (S) am Klauenpol 32 aus. Bei dem achtpoligen Läufer 20 und den zwölf Klauenpolen 31 bis 33 gemäß Figur 3 sind jedem Polpaar des Läufers 20 je ein Klauenpol 31, 32 und 33 des Klauenpolsystems 19 zugeordnet. Dabei ergibt sich durch die vom Stromfluss in der linken Ringspule 39 erzeugte Polarität des Stators 16 zum Zeitpunkt a die in Figur 7a dargestellte Position des Läufers 20, wobei dem Südpol S des Läufers 20 der Nordpol des Klauenpols 31 gegenüber steht. Der benachbarte Nordpol N des Läufers 20 steht dagegen je zur Hälfte dem Südpol S des mittleren Klauenpols 33 und dem schwächeren Südpol (S) des linken Klauenpols 32 gegenüber.

Sobald nun vom Umrichter 12 ein weiterer Spannungsimpuls U2 auf den Anschluss S gegeben wird, wird damit auch der Strom in den Ringspulen 29 und 30 umgeschaltet. Es fließt nun durch beide Ringspulen 29 und 30 ein Strom in Rückwärtsrichtung und dadurch wird gemäß Figur 7b am Klauenpol 31 der linken Polplatte 25 die Polarität gewechselt und ein Südpol S ausgebildet. In gleicher Weise wird auch durch den Strom in der rechten Ringspule 30 am Klauenpol 32 der rechten Polplatte 26 ein Südpol S ausgebildet. Die innerhalb der beiden Ringspulen 29 und 30 erzeugten Magnetflüsse sind nun entgegen gerichtet und bilden über die beiden inneren Polplatten 27 und 28 am mittleren Klauenpol 33 einen Nordpol N aus. Dadurch wird nun der

Läufer 20 aus der Position gemäß Figur 7a in Richtung des Pfeiles 35 gedreht, bis schließlich zur Zeit b (gemäß Figur 6) die Position gemäß Figur 7b erreicht wird. Hier steht nun der permanentmagnetische Südpol S des Läufers 20 dem Nordpol N des mittleren Klauenpols 33 gegenüber und der benachbarte Nordpol N des Läufers 20 steht jeweils zur Hälfte einem Südpol S des Klauenpols 32 sowie einem Südpol S des Klauenpols 31 gegenüber.

Sobald nun am Anschluss T ein weiterer Spannungsimpuls U3 auftritt, wird der Stromfluss in der linken Spule 29 gemäß Figur 6 abgeschaltet und in der rechten Ringspule 30 in Vorwärtsrichtung umgeschaltet. Dadurch findet an dieser Ringspule 30 eine Flussrichtungsumkehr statt. Gemäß Figur 7c wird dadurch über die rechte Polplatte 26 am

Klauenpol 32 ein Nordpol N ausgebildet. über die beiden inneren Polplatten 27, 28 wird am mittleren Klauenpol 33 ein Südpol S ausgebildet. Außerdem wird ein Teil des Magnetflusses der rechten Ringspule 30 durch die linke Ringspule 29 hindurch zur linken Polplatte 25 gelenkt

und bildet dort am Klauenpol 31 einen schwächeren Südpol (S). Dadurch wird der Läufer 20 aus der Position gemäß Figur 7b heraus in Richtung des Pfeiles 35 weitergedreht, bis er zum Zeitpunkt c (gemäß Figur 6) die in Figur 7c dargestellte Position erreicht. Nunmehr steht dem permanentmagnetischen Südpol des Läufers 20 der Nordpol N des Klauenpols 32 an der rechten Polplatte 26 gegenüber und der benachbarte Nordpol N des Läufers 22 steht jeweils zur Hälfte dem Südpol S des mittleren Klauenpols 33 sowie dem schwächeren Südpol (S) des Klauenpol 31 an der linken Polplatte 25 gegenüber.

Bei der weiteren zyklischen Fortschaltung der Spannungsimpulse Ul bis U3 gemäß Figur 6 wird nunmehr der Läufer 20 in Richtung des Pfeiles 35 schrittweise weitergedreht.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel eines EC- Synchronmotors 15 mit achtpoligem Außenläufer beschränkt. Die Anzahl der Polpaare im Klauenpolsystem kann, wie allgemein bei Klauenpolanordnungen, ohne Mehraufwand weitgehend frei gewählt werden. Die Einzelteile lassen sich dabei relativ leicht durch axiales Fügen zu einem kompakten Stator zusammenbauen, wobei für das Klauenpolsystem nur zwei verschiedene Blechschnitte erforderlich sind, indem die beiden äußeren Polplatten mit langen Klauenpolen und die beiden inneren Polplatten mit kurzen Klauen versehen sind, die paarweise jeweils einen mittleren Klauenpol bilden. Ebenso lässt sich diese Klauenpolausführung auch an einem Innenläufermotor realisieren. Dabei wird der Arbeitsluftspalt am Innenumfang der beiden Ringspulen angeordnet, so dass die Klauenpole dort entlang des Arbeitsluftspaltes über die beiden Ringspulen hinwegragen. Der magnetische Kreis wird dabei durch einen am Außenumfang der Ringspulen anzubringenden Rückschlussring aus weichmagnetischem Material geschlossen, der die Polplatten am Außenumfang miteinander verbindet. Aufgrund der Phasenverschiebung der benachbarten Klauenpole um jeweils 120° elektrisch kann der

Synchronmotor mit üblichen dreiphasigen Spannungen angesteuert werden. Hierbei ist es prinzipiell unerheblich, ob eine Blockkommutierung, eine Sinussteuerung oder ein anderes dreiphasiges Bestromungsverfahren eingesetzt wird. Bis auf die ohmschen Widerstände bildet der erfindungsgemäße Synchronmotor im Hinblick auf den vorgeschalteten Umrichter eine symmetrische dreiphasige Maschine. Dabei ergeben sich drei gleiche induzierte Spannungen zwischen den Umrichterbrücken, die zueinander um 120° elektrisch phasenverschoben sind. Ebenso sind die Induktivitäten zwischen den Umrichterbrücken identisch. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass der Magnetkreis nicht signifikant gesättigt wird. Sollten sich jedoch aufgrund der resistiven Asymmetrie bei der Ansteuerung des Synchronmotors Ungleichmäßigkeiten ergeben, können diese gegebenenfalls durch geeignete Ansteuerungen der Halbleiterschalter beseitigt werden. So können zum Beispiel bei einer Blockkommutierung Zündwinkel und Blocklänge asymmetrisch gestaltet werden. Als Halbleiterschalter können

Grundsätzlich ist der erfindungsgemäße Synchronmotor mit elektronischer Kommutierung für alle möglichen Antriebe einsetzbar. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ergibt sich jedoch bei kleineren Stellmotoren, insbesondere in Kraftfahrzeugen mit einem Gleichstrom- Versorgungsnetz. Für Antriebe mit größerer Leistung können Klauenpolsysteme mit mehrlagigen Elektroblechen verwendet werden. Damit lassen sich die aktive Oberfläche der Klauenpole im Arbeitsluftspalt sowie die Klauenpoldicke den magnetischen Notwendigkeiten anpassen. Bei allen Varianten ist jedoch gleichermaßen erfindungswesentlich, dass der elektronisch kommutierte Synchronmotor nur noch mit einer zweisträngigen Statorwicklung ausgerüstet ist, die mit einem gemeinsamen Klauenpolsystem zusammen wirkt und die wie beim dreisträngigen Synchronmotor arbeitet.