Beschreibung

Elektrische Antriebsmaschine

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsmaschine aus einem Stator und einem Laufer, die ein Antriebssystem bilden, dem ein Energieubertragungssystem zur elektrischen Energieversorgung einer Last auf dem bewegten Teil zugeordnet ist, wobei die Antriebsfunktion und die Energieubertragungsfunkti- on weitgehend voneinander unabhängig sind.

Eine solche Antriebsmaschine ist beispielsweise nach dem Prinzip einer Synchronmaschine oder einer Asynchronmaschine aufgebaut und kann als Linear- bzw. Drehantrieb dienen. Elektrische Antriebsmaschinen bestehen aus einem Stator und einem bewegten Laufer. Bei manchen Anwendungen, wie zum Beispiel bei Werkzeug- und Produktionsmaschinen, ist es notig, elektrische Energie auf den Laufer, zum Beispiel in Form einer Welle oder einer Spindel, zu übertragen. Die elektπ- sehe Energie kann unter anderem der Versorgung von Sicherheitseinrichtungen, Sensoren, Datenubertragungssystemen oder Aktuatoren (z.B. zum Spannen von Werkzeugen) dienen.

Zur Energieübertragung bei Antriebsmaschinen ist ein geeigne- tes Energieubertragungssystem erforderlich. Em derartiges

Energieubertragungssystem muss in die Antriebsmaschine integriert oder separat eingebaut werden.

Eine übertragung elektrischer Energie auf den Laufer ist zum Beispiel mit galvanischer Kopplung möglich. Hierbei können beispielsweise Schleifringe verwendet werden, die einfach und zuverlässig sind, jedoch einen erheblichen Wartungsaufwand erfordern. Darüber hinaus wird Bauraum für den Schleifπngap- parat benotigt. Eine alternative Möglichkeit der galvanischen Kopplung ist die Verwendung von Schleppkabeln. Dabei ist das Problem ein begrenzter möglicher Verdrehwinkel und die Gefahr eines Kabelbruchs durch eine standige Biegebelastung des Kabels .

Alternativ ist die übertragung elektrischer Energie auf den Laufer durch induktive Kopplung möglich. Die geschilderten Probleme der galvanischen Kopplung können mit der induktiven Kopplung umgangen werden. Dabei befindet sich eine primäre Drehstromwicklung (Primärwicklung) auf dem Stator der An ^¬ triebsmaschine und eine zweite Wicklung (Sekundärwicklung) auf dem Laufer der Antriebsmaschine. In die Primärwicklung speist eine Speiseeinrichtung, z.B. ein Frequenzumrichter, ein dreiphasiges Spannungssystem ein. Um den Wirkungsgrad zu erhohen, werden die Wicklungen in ein ferromagnetisches Aktivteil eingelegt oder um einen Ferritkern gewickelt.

Wird neben der übertragung elektrischer Energie auf den Lau- fer ein Antrieb benotigt, wird der oben beschriebene induktive übertrager z.B. an einen Elektromotor angeflanscht. Hierdurch wird zusätzlicher Bauraum verbraucht. Darüber hinaus verursachen die zwei Aktivteile für den Elektromotor und den übertrager unerwünscht hohe Kosten.

Um dies zu vermeiden, ist aus der DE 10 2005 024 203 Al eine gattungsgemaße elektrische Antriebsmaschine bekannt, bei der die elektrischen Wicklungen des Antriebssystems und des Ener- gieubertragungssystems in einem gemeinsamen Aktivteil einge- bracht sind, wobei jedoch die Antriebsfunktion und die Ener- gieubertragungsfunktion voneinander unabhängig sind. Die Energieübertragung auf den Laufer erfolgt hierbei induktiv, wodurch ein entkoppelter Betrieb der Energieübertragung und des Motorbetriebs möglich ist. Es sind zwei Wechselrichter vorgesehen, die je nach Bedarf aus einem gemeinsamen Span- nungszwischenkreis oder aus getrennten Spannungszwischenkrei ^¬ sen gespeist werden. Einer der Wechselrichter ist für den Motor zustandig und der andere der Wechselrichter für die Energieübertragung.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Antriebsmaschine anzugeben, welche die aus dem Stand der Technik bekannte Antriebsmaschine vorteilhaft weiterbildet und

auf konstruktiv einfachere Art und Weise die induktive Ener ^¬ gieübertragung auf einen Laufer ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Antriebsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhangigen Patentansprü ^¬ chen .

Die Erfindung schafft eine elektrische Antriebsmaschine aus einem Stator und einem Laufer, die ein Antriebssystem bilden, bei dem ein Energieubertragungssystem zur elektrischen Energieversorgung einer Last auf dem Laufer zugeordnet ist, wobei die Antriebsfunktion und die Energieubertragungsfunktion weitgehend voneinander unabhängig sind. Dabei werden subhar- monische Luftspaltfeldanteile (sog. Subharmonische) im Luftspaltfeld zur übertragung elektrischer Energie auf eine Lauferwicklung genutzt.

Die Erfindung erlaubt es, die Energieübertragung in das Ak- tivteil eines Motors zu integrieren, wodurch dieser auf konstruktiv einfachere Weise gefertigt werden kann. Somit wird kein zusätzlicher Bauraum für den übertrager der elektrischen Energie auf den Laufer notwendig. Es ist ferner sicherge ^¬ stellt, dass eine weitestgehende Entkopplung der Antπebs- und der Energieubertragungsfunktion voneinander gegeben ist. Die induktive Energieübertragung stellt einen geringen Kosten- und Wartungsaufwand sicher, im Vergleich zu einer Lo ^¬ sung, welche auf Schleifringe setzt. Darüber hinaus entsteht durch die induktive Energieübertragung kein Burstenabπeb, wodurch ebenfalls der Wartungsaufwand verringert und ein hoher Hygienestandard sichergestellt ist. Es entfallen Still ^¬ standskosten aufgrund von Burstenwechsel oder dem Tausch von Schleppkabeln. Der Nachteil des begrenzten Verdrehwinkels bei der Verwendung von Schleppkabeln ist ebenso eliminiert. Die erfmdungsgemaße elektrische Antriebsmaschine ermöglicht be ^¬ liebige Verdrehwinkel. Die induktive Energieübertragung ermöglicht ferner den Einsatz in explosionsgefahrdeten Bereichen .

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist der Stator ein ge ^¬ meinsames Aktivteil auf, welches eine (gemeinsame) Standerwicklung für die Antriebs- und die Energieubertragungsfunkti- on umfasst, m welcher ein Motorstromsystem und ein dem Motorstromsystem überlagertes und von diesem verschiedenes Energiestromsystem einspeisbar sind bzw. eingespeist werden. Gegenüber der in der DE 10 2005 024 203 Al beschriebenen elektrischen Antriebsmaschine braucht auf dem Stator ledig- lieh eine einzige Wicklung vorgesehen werden, welche sowohl für die Antriebs- und die Energieubertragungsfunktion verwendet wird. Hierdurch kann die erfmdungsgemaße elektrische Antriebsmaschine gegenüber dem Stand der Technik kompakter und konstruktiv einfacher gebaut werden.

Die Standerwicklung ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung eine Zahnspulenwicklung. Bei Zahnspulenwicklungen handelt es sich immer um eine Bruchlochwicklung. Daher ist die Lochzahl der Statorwicklung durch eine gebrochene Zahl gebildet. Bruchlochwicklungen weisen die Eigenheit auf, auch Subharmonische im Luftspaltfeld zu erzeugen. Em solcher subharmonischer Luftspaltfeldanteil wird zur übertragung der elektrischen Energie auf die Lauferwicklung genutzt.

Insbesondere umfasst der Rotor für die Antriebsfunktion Permanentmagnete und für die Energieubertragungsfunktion die Lauferwicklung. Gemäß dieser Ausgestaltung kann das elektri ^¬ sche Antriebssystem auf einer permanent erregten Synchronmaschine basieren, bei der, wie erläutert, lediglich ein einzi- ges Aktivteil, z.B. Blechpaket, für die Statorwicklung benotigt wird, um sowohl die Antriebs- als auch die Energieuber ^¬ tragungsfunktion bereitzustellen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung entspricht die Polpaarzahl der Lauferwicklung einer Polpaarzahl einer Subharmonischen des Luftspaltfelds. Die Polpaarzahl der Permanentmagnete wird dagegen derart gewählt, dass diese einer von der Standerwicklung entwickelten Polpaarzahl, idealerweise bei großtmogli-

ehern Wicklungsfaktor, entspricht. Hierdurch kann ein effizienter Antrieb bereitgestellt werden.

Die Permanentmagnete können wahlweise im Luftspalt der An- triebsmaschine angeordnet sein oder in dem Laufer vergraben sein.

Zur Erzeugung des Motorstromsystem^ und des Energiestromsys- tems ist ein Umrichter, z.B. ein Frequenzumrichter, mit der Standerwicklung gekoppelt. Im Gegensatz zu elektrischen Antriebsmaschinen aus dem Stand der Technik ist hierbei ein einziger Umrichter für die Bereitstellung des Motorstromsystems und des Energiestromsystems ausreichend, wodurch die er- fmdungsgemaße elektrische Antriebsmaschine kostengünstiger bereitstellbar ist. Zweckmaßigerweise weist das Energiestromsystem im Vergleich zu dem Motorstromsystem eine höhere Frequenz auf. Zwar verursacht das hoherfrequente Energiestromsystem Pendelmomente. Diese werden jedoch von der Trägheit des Motors bedampft. Dabei ist das bevorzugt niederfrequente Motorstromsystem in seiner Frequenz derart ausgewählt, dass in der lauferseitigen „Energiewicklung" (Lauferwicklung) keine unerwünschte Wirkung durch den Motorstrom zu erwarten ist. Dies ist dann der Fall, wenn der Motorstrom keine Leistung übertragt und der Energiestrom kein Moment erzeugt.

Die Erfindung wird nachfolgend naher anhand eines Ausfuh- rungsbeispiels in der Zeichnung erläutert.

Die einzige Figur zeigt eine schematische elektrische An- triebsmaschine, bei welcher erfindungsgemaß ein subharmonisches Luftspaltfeld zur übertragung elektrischer Energie auf einen Laufer der Antriebsmaschine genutzt wird.

Die Antriebsmaschine 1 umfasst einen Stator 2 sowie einen Ro- tor 3. Sie kann als Linear- oder als Drehantrieb dienen. Das Energieubertragungssystem ist durch eine Standerwicklung 4 in dem Stator 2 sowie eine Lauferwicklung 5 in dem Laufer 3 ausgebildet. Das Antriebssystem ist durch die Standerwicklung 4

und Permanentmagnete 6 in bzw. an dem Laufer 3 ausgebildet. Der Stator 2 und der Laufer 3 sind in bekannter Weise durch einen Luftspalt 9 voneinander getrennt. Die Standerwicklung ist über einen in der Figur nicht dargestellten Umrichter an ein einphasiges oder dreiphasiges Stromnetz angeschlossen.

Mit der Lauferwicklung 5 ist eine ebenfalls nicht dargestell ^¬ te elektrische Last (Verbraucher) verbunden. Bei der Last kann es sich beispielsweise um eine Sicherheitseinrichtung, eine Sensorik oder eine Aktuatorik handelt. Optional kann zwischen der Lauferwicklung 5 und der elektrischen Last ein

Spannungszwischenkreis vorgesehen sein, der von einem Gleichrichter gespeist wird. Nachgelagert kann ein Hochsetzsteller, ein Tiefsetzsteiler oder ein Wechselrichter angeschlossen werden. Der Spannungszwischenkreis seinerseits wird mit der übertragenen Leistung an den Klemmen der Lauferwicklung 5 versorgt .

Wie ohne Weiteres ersichtlich ist, basiert die elektrische Antriebsmaschine auf dem Prinzip der permanent erregten Syn- chronmaschme, bei der eine übertragung elektrischer Energie induktiv in den Laufer 3 stattfindet. Kennzeichnend für die Antriebsmaschine 1 ist dabei, dass lediglich ein einziges Ak ^¬ tivteil für die Standerwicklung 4 benotigt wird. Das Aktiv- teil kann beispielsweise durch ein Blechpaket ausgebildet sein. Dieses tragt die im Ausfuhrungsbeispiel dreistrangige Statorwicklung 4, welche in Zahnspulentechnik ausgebildet ist. Die Lochzahl q der standerseitigen Drehfeldwicklung be ^¬ rechnet sich wie folgt:

q= ——— = - (1) .

2 -m ^■ p n

Darin stellt N die Anzahl der Standernuten, m die Strangzahl und p die Polpaarzahl dar. z ist der Zahler der Lochzahl, n ist der Nenner der Lochzahl, m betragt üblicherweise 3. Da es sich bei Zahnspulenwicklungen immer um Bruchlochwicklungen handelt, stellt die Lochzahl q eine gebrochene Zahl dar. Die für Bruchlochwicklungen typische Eigenschaft, auch subharmo-

nische Anteile im Luftspaltfeld erzeugen zu können, macht sich die Erfindung zunutze, da ein subharmonischer Luftspalt- feldanteil, auch Subharmonische genannt, zur übertragung elektrischer Energie in das Laufersystem genutzt wird.

Zur Realisierung des Antriebs der elektrischen Antriebsma ^¬ schine 1 tragt der Laufer 3 die Permanentmagnete 6 mit der Polpaarzahl p _M , welche der bzw. einer entwickelten Polpaarzahl p _M der Statorwicklung 4 entspricht. Hierbei ist es smn- voll, diejenige Polpaarzahl p _M zu verwenden, deren Wicklungs ^¬ faktor möglichst groß ist, um einen effizienten Antrieb zu erreichen. Die Polpaarzahl p _E der Lauferwicklung 5 entspricht der Polpaarzahl p _E der gewählten Subharmonischen. Die Indizes „M" und „E" bezeichnen die Motorfunktion bzw. Energiefunktion der elektrischen Antriebsmaschine 1.

Allgemein berechnen sich die von einer Drehstrom- Bruchlochwicklung produzierten Polpaarzahlen v wie folgt:

v = p + 2-m~£g, g = 0,±l,±2,±3, .. (2), n

worin v auftretende harmonische Polpaarzahlen, p Polpaarzahl, m Strangzahl, n Nenner der Lochzahl q aus Gleichung (1), g Laufparameter für Harmonische.

Die von der Standerwicklung 4 entwickelte Polpaarzahl p _M wird als Grundfeldpolpaarzahl definiert (vgl. auch Bezugszeichen 7) . Diese sollte, wie erläutert, für den effizienten Antrieb einen möglichst großen Wicklungsfaktor aufweisen. Die Magnete 6, die vergraben oder m dem Luftspalt 9 der Antriebsmaschine 1 angeordnet sein können, werden entsprechend dieser Polpaar- zahl p _M ausgelegt. Die Lauferwicklung 5 muss mit einer Subharmonischen der Standerwicklung 4 koppeln. Entsprechend wird die Polpaarzahl der p _E Lauferwicklung 5 gewählt. Gespeist

wird die Standerwicklung mit einem Motorstromsystem durch den eingangs erwähnten Umrichter. Zusätzlich wird durch diesen Umrichter ein hoherfrequentes Energiestromsystem eingespeist, welches dem Motorstromsystem überlagert ist. Das von dem ho- herfrequenten Energiestromsystem verursachte Pendelmoment wird von der Trägheit des Laufers des Elektromotors bedampft.

Eine beispielhafte Antriebsmaschine konnte folgendermaßen ausgelegt sein:

Standernutzahl: N = 24,

Polpaarzahl der Motorfunktion: p _M = 10, Strangzahl: m = 3

Die Lochzahl der Standerwicklung gemäß Gleichung (1) ergibt sich zu:

^{N 24 2} (3) .

' 2-m-p 2-3 10 5

Gemäß Gleichung (2) können folgende Polpaarzahlen auftreten:

v = p + 2-m —g = 10 + g (4) . n 5

Hieraus ergibt sich für die auftretenden Polpaarzahlen v = 10 + 12g = , -14, -2, 10, 22, (für g = 0, ±1, ±2, ) .

Der Wicklungsfaktor für die Polpaarzahl 10 (g = 0, d.h. es liegt eine Grundwelle vor, die direkt in die Permanentmagnete 6 der Antriebsmaschine einkoppelt) ergibt sich zu 0,933. Für die Polpaarzahl 2 ergibt sich der Wicklungsfaktor zu 0,067. Wird diese Subharmonische genutzt, so ist die Lauferwicklung 5 vierpolig, d.h. p _E = 2, auszulegen. Wird für die Lauferwicklung 5 hingegen eine Ganzlochwicklung gewählt, so folgt für die Laufernutzahl :

N ₂ = 2 • m p _E ^■ q ₂ = 2 3 • 2 q ₂ = 12 • q ₂ q ₂ =1,2,3, ( 5 ) .

Die erfindungsgemaße elektrische Antriebsmaschine weist den Vorteil auf, dass die Energieübertragung in das Aktivteil eines Motors integriert werden kann und damit kein Bauraum für den übertrager der Energie auf den Laufer benotigt wird. Dabei kann eine weitestgehende Entkopplung von Motor- und Energieubertragungsfunktion voneinander erfolgen. Die Relativbewegung zwischen dem Laufer und dem Stander ist vorzugsweise rotatorisch. Die Relativbewegung kann jedoch auch line- ar sein. Die Permanentmagnete können am Luftspalt oder ver ^¬ graben in dem Laufer verbaut werden. Luftspaltmagnete können hierbei mit einer Bandage gesichert werden. Es besteht die Möglichkeit, die Antriebsmaschine als Innen- oder Außenläufer zu gestalten.

Die Standerwicklung ist vorzugsweise als Zahnspulenwicklung ausgebildet, wodurch eine einfache Fertigung der Antriebsmaschine möglich ist. Neben einer einzigen Standerwicklung wird ebenfalls lediglich ein einziger Umrichter benotigt. Die Lau- ferwicklung kann einen Verbraucher direkt oder mittels einer zwischengeschalteten Leistungselektronik speisen.