Elektrische Antriebsmaschine

Die Erfindung betrifft eine dreiphasige elektrische Antriebsmaschine umfassend ein statisches Primärteil mit einer Folge von Statornuten, in denen Statorwicklungen der drei Phasen angeordnet sind, so daß ein Stromfluß durch die Statorwicklungen Primärteil-Magnetpole erzeugt, und ein Sekundärteil, das auf einem vorgegebenen Bewe- gungsweg relativ zu dem Primärteil beweglich ist und auf dem Permanentmagnete so angeordnet sind, daß jeweils einer von deren Pole dem Primärteil zugewandt ist, und sich in Bewegungsrichtung eine Folge von Sekundärteil- Magnetpolen ergibt, wobei durch Wechselwirkung der aus dem Stromfluß resultierenden Primärteil-Magnetpole mit den Sekundärteil-Magnetpolen eine Bewegung des Sekundärteils auf dem Bewegungsweg bewirkt wird.

Derartige Antriebsmaschinen sind seit geraumer Zeit bekannt. Rotations-Antriebsmaschinen mit diesen Merkmalen sind insbesondere Drehfeldmotoren mit Dauermagnetisierung. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Antriebe für Aufzüge sowie andere Anwendungen, bei denen gleichartige Anforderungen wie bei Aufzügen bestehen. Bei derartigen Antrieben sind Rüttelkräfte und Lastpulsa- tionsmomente seit langem ein Problem. Diese führen zu

Leistungsverlusten, und störender Geräuschentwicklung. Bekannte Geräuschquellen in diesem Sinne sind insbesondere stromunabhängige Effekte und Rastmomente sowie stromabhängige Phänomene, die zu ungleichen Radial- und Tangentialkräften in der Maschine führen.

Im Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um eine gleichförmigere Kraftentwicklung zu erreichen und die Geräuschentwicklung zu minimieren. Beispielsweise können die Statorwicklungen überlappend in mehr als zwei Statornuten als sogenannte verteilte Wicklungen angeordnet werden. Um Statorzähne zwischen den einzelnen Statornuten sind dabei Windungen von verschiedenen Statorwicklungen gewickelt. Dies führt jedoch zu einem höheren elektrischen Gesamtwiderstand und damit zu einem reduzierten Wirkungsgrad der Antriebsmaschine.

Um Rüttelkräfte und Lastpulsationsmomente zu minimieren, ist es ferner bekannt, als Permanentmagnete Formmagnete, beispielsweise schalen- oder trapezförmige Magnete, zu verwenden. Zudem wird bei Antriebsmaschinen nach dem Stand der Technik als Sekundärteil ein Rotor verwendet, bei dem die Permanentmagnete in Magnetreihen angeordnet sind, die nicht achsparallel verlaufen, sondern unter einem kleinen Winkel von wenigen Grad schräg zu der Axialrichtung des Rotors ausgerichtet sind.

Durch diese Maßnahmen läßt sich zwar eine Kompensation von Rüttelkräften und Lastpulsationsmomenten erreichen und die Geräuschentwicklung reduzieren, jedoch sind sie mit erheblichen Leistungsverlusten und insbesondere bei Verwendung von Formmagneten wesentlich erhöhten Herstellungskosten verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen besseren Weg aufzuzeigen, wie bei einer elektrischen Antriebsmaschine der eingangs genannten Art mit geringeren Leistungs- verlusten Rüttelkräfte, Lastpulsationsmomente und damit verbundene Geräuschquellen minimiert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verhältnis der Anzahl der dem Primärteil zugewandten Sekundärteil-Magnetpole zu der Anzahl der ihnen in einer gegebenen Position des Sekundärteils gegenüberliegenden Primärteil -Magnetpole 19:12 beträgt.

Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß dieses Verhältnis optimal ist hinsichtlich Leistung und Kompen- sation von Geräuschquellen, insbesondere Rüttelkräften und Lastpulsationsmomenten. Bei einer erfindungsgemäßen Antriebsmaschine lassen sich Rüttelkräfte und Lastpulsationen weitgehend vermeiden, so daß auch ohne die Verwendung teuerer Formmagnete ein geräuscharmer Betrieb mög- lieh ist und die Vorteile geringer Herstellungskosten und geringer Leistungsverluste genutzt werden können. Dies ist umso überraschender als in der Literatur bisher davon ausgegangen wurde, daß es günstig ist, die Anzahl der Sekundärteil-Magnetpole und die Anzahl der Primärteil- Magnetpole so zu wählen, daß sich diese nur wenig, insbesondere nur um eins oder zwei, unterscheiden.

Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß das angegebene Verhältnis nicht nur für Antriebsmaschinen optimal ist, bei denen das Sekundärteil ein Rotor ist, sondern auch bei Linearantrieben zu verbesserten Ergebnissen führt. Bei einem Linearantrieb ist selbstverständlich die Anzahl der Wicklungen des statischen Primärteils und folglich die Anzahl der Primärteil-Magnetpole prinzipiell

nicht beschränkt und im wesentlichen nur durch den maximalen Verschiebeweg des beweglichen Sekundärteils bestimmt. In einer gegebenen Position des Sekundärteils liegt jedoch stets nur eine Teilmenge der insgesamt vor- handenen Primärteil-Magnetpole den Sekundärteil-Magnetpolen gegenüber. Das angegebene Verhältnis von 19:12 bezieht sich nur auf jene Primärteil -Magnetpole, die in einer gegebenen Position des Sekundärteils diesem gegenüberliegen und deshalb für die Kraftentwicklung der elek- trischen Maschine wirksam sind.

Eine geräuscharme Antriebsmaschine mit geringen Leistungsverlusten der eingangs genannten Art läßt sich insbesondere auch dadurch erreichen, daß mindestens zwei Statorwicklungen mindestens einer Phase einen entgegengesetzten Wicklungssinn haben. Eine derartige Maschine stellt einen weiteren Aspekt der Erfindung dar, der bei beliebiger Anzahl der Primärteil- und Sekundärteil- Magnetpole eine eigenständige Bedeutung hat.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Die darin dargestellten Besonderheiten können einzeln oder in Kombina- tion verwendet werden, um bevorzugte Ausgestaltungen zu schaffen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Antriebsmaschine im Querschnitt (ohne Stator- Wicklungen) ;

Fig. 2 die Verschaltung der Statorwicklungen des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiels.

Fig. 3 einen Statorzahn des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels .

Figur 1 zeigt als Ausführungsbeispiel einer elektrischen Antriebsmaschine 1 eine Synchronmaschine, die zur Vereinfachung ohne Statorwicklungen dargestellt ist. Die Sta- torwicklungen 4 und ihre Verschaltung sind in Figur 2 dargestellt. Die Antriebsmaschine 1 umfaßt ein statisches Primärteil 2 mit einer Folge von 48 Statornuten 3. Wie Figur 2 zeigt, sind in den Statornuten 3 Statorwicklungen 4 der drei Phasen U, V, W als konzentrierte Wicklungen angeordnet. Dies bedeutet, daß im wesentlichen sämtliche Windungen einer Wicklung 4 um einen einzigen Statorzahn 8 gewickelt sind und benachbarte Wicklungen 4 nicht überlappen. Bevorzugt sind alle Windungen einer gegebenen Wicklung 4 um einen einzigen Statorzahn 8 gewickelt. Hin- sichtlich der erzeugten Magnetfelder ergeben sich jedoch praktisch keine Unterschiede, wenn einige wenige Windungen einer Statorwicklung 4, beispielsweise drei von hundert, um einen zweiten Statorzahn 8 gewickelt sind, der eine benachbarte Wicklung 4 trägt, so daß auch derartige Fälle als konzentrierte Wicklungen angesehen werden können.

Die einzelnen Wicklungen 4 der Phase U sind jeweils in Reihe geschaltet und bilden einen Wicklungsstrang. In entsprechender Weise sind auch die Wicklungen 4 der Phasen V, W jeweils in Reihe geschaltet. Die Leitungen der Phasen U, V, W sind auf Kreisen um das Primärteil 2 herum gezeichnet. Zur Verdeutlichung ist in Figur 2 die Zugehörigkeit der einzelnen Wicklungen 4 zu den Phasen U, V, W zusätzlich durch die entsprechenden Buchstaben gekennzeichnet. Auf dem äußersten Kreis sind Leitungen der Phase U gestrichelt dargestellt. Auf einem mittleren Kreis sind Leitungen der Phase V mit durchgezogenen Linien und auf dem innersten Kreis Leitungen der Phase W gestrichelt dargestellt. Möglich ist es aber auch, einige

oder alle Wicklungen 4 einer Phase U, V, W parallel zu schalten.

Die dargestellte Antriebsmaschine ist eine Innenläufer- Maschine. Das Primärteil 2 umgibt ein als Rotor ausgebildetes Sekundärteil 5, das auf einem vorgegebenen Bewegungsweg, nämlich rotierend um die gemeinsame Achse der Teile 2,5, relativ zu dem Primärteil 2 beweglich ist. Auf dem Sekundärteil 5 sind quaderförmige Permanentmagnete 6 so angeordnet, daß jeweils ein Pol der Permanentmagnete 6 dem Primärteil 2 zugewandt ist. Die Permanentmagnete 6 sind also radial, bezogen auf die Rotationsachse, magne- tisiert. In Bewegungsrichtung ergibt sich auf diese Weise eine alternierende Folge von Sekundärteil-Magnetpolen. Durch Wechselwirkung der aus einem Stromfluß durch die Statorwicklungen 4 resultierenden Primärteil-Magnetpole mit den Sekundärteil -Magnetpolen wird eine Bewegung des Sekundärteils 5, nämlich eine Rotation, auf dem Bewegungsweg bewirkt. Auf diese Weise wird ein Drehmoment erzeugt, das von dem Sekundärteil 5 auf eine Welle übertragen wird, die mit einer Feder in eine Nut 7 des Sekundärteils 5 eingreift.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Perma- nentmagnete 6 auf dem Sekundärteil 5 in Magnetreihen fluchtend angeordnet, die in dessen Axialrichtung verlaufen. Das Verhältnis der Anzahl der dem Primärteil 2 zugewandten Sekundärteil -Magnetpole zu der Anzahl der ihnen gegenüberliegenden Primärteil-Magnetpole beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 19:12. Besonders leistungsstark und geräuscharm sind Innenläufer- Synchronmaschinen, bei denen jeweils achtunddreißig dem Primärteil 2 zugewandten Sekundärteil -Magnetpolen vierundzwanzig Primärteil-Magnetpole gegenüber liegen. Bei der in Figur 2 dargestellten Synchronmaschine 1 liegen

insgesamt vierundzwanzig Statorwicklungen 4, also vierundzwanzig Primärteil-Magnetpolen, insgesamt achtunddreißig Sekundärteil -Magnetpole gegenüber.

Wichtig in diesem Zusammenhang ist, daß die Anzahl der Primärteil -Magnetpole zwar im Regelfall mit der Anzahl der Magnetreihen (d.h. der Anzahl der in einer Querschnittsebene, wie in Figur 1 dargestellt, angeordnete Permanentmagnete 6) übereinstimmt, dies jedoch nicht unbedingt der Fall sein muß. Haben benachbarte Magnetreihen, wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, jeweils eine entgegengesetzte Magnetisierungsrichtung, so stimmt die Anzahl der Magnetpole mit der Anzahl der Magnetreihen überein. Hinsichtlich der Geometrie des erzeugten Magnetfeldes läßt sich jedoch dasselbe Ergebnis beispielsweise dadurch erreichen, daß doppelt so viele Magnetreihen verwendet werden, die jeweils nur halb so breit sind, wobei zwei benachbarte Magnetreihen jeweils einen Magnetpol bilden, d.h. jeweils beide mit ihrem Nordpol radial auswärts oder jeweils beide mit ihrem

Nordpol radial einwärts ausgerichtet sind. Deswegen ist die Wirkung nicht von der Anzahl der Magnete, sondern von der Anzahl der von diesen gebildeten dem jeweils anderen Teil zugewandten Magnetpole abhängig.

Zur Minimierung von Rüttelkräften und Lastpulsationsmo- menten ist es günstig, wenn mindestens zwei Statorwicklungen 4 mindestens einer Phase einen entgegengesetzten Wicklungssinn haben. In Figur 2 ist der Wicklungssinn der Statorwicklungen 4 jeweils durch die Buchstaben L bzw. R bezeichnet . Jeweils die Hälfte der Statorwicklungen 4 einer Phase haben einen ersten Wicklungssinn L und die andere Hälfte einen entgegengesetzten Wicklungssinn R. Dies bedeutet, daß jeweils eine Hälfte der Statorwicklun-

gen 4 im Uhrzeigersinn und die andere Hälfte entgegen dem Uhrzeigersinn gewickelt ist.

Figur 2 zeigt auch, daß in Umfangsrichtung zwischen zwei Statorwicklungen 4 einer gegebenen Phase, beispielsweise der Phase U, jeweils mindestens eine Statorwicklung 4 einer anderen Phase, beispielsweise der Phase V oder W angeordnet ist. Jeweils zwei Statorwicklungen 4 einer Phase bilden dabei ein Wicklungspaar, wobei die beiden Statorwicklungen 4 eines Wicklungspaares jeweils einen entgegengesetzten Wicklungssinn haben und zwischen ihnen genau eine Statorwicklung 4 einer anderen Phase angeordnet ist. Auf diese Weise können Leistungsverluste auf ein Minimum reduziert werden und zugleich Rüttelkräfte beson- ders gut minimiert werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel belegt eine Statorwicklung 4 jeweils zwei benachbarte Statornuten 3. Zwischen den einzelnen Statornuten 3 sind jeweils Stator- zahne 8 angeordnet. Dies bedeutet, daß um jeden zweiten Statorzahn 8 eine Statorwicklung 4 gewickelt ist. Diese Geometrie ist sowohl fertigungstechnisch als auch und hinsichtlich der magnetischen Flußführung vorteilhaft, jedoch ist es prinzipiell auch möglich, um jeden Stator- zahn 8 eine Statorwicklung 4 zu wickeln, so daß die Anzahl der Statornuten 3 mit der Anzahl der Statorwicklungen 4 übereinstimmt.

Für eine optimale magnetische Flußführung ist es ferner günstig, wenn die Statorzähne 8 an ihrem freien Ende einen Kopf 9 tragen, dessen Breite an seinem dem Sekundärteil 2 zugewandten Ende größer als an seinem dem Primärteil 5 zugewandten Ende ist. Ein Statorzahn 8 der in Figur 1 dargestellten Antriebsmaschine 1 ist in Figur 3 dargestellt. Der Kopf 9 sitzt auf einem sich zu seinem

freien Ende hin verjüngenden, im wesentlichen trapezförmigen Zahn 8. Der Kopf 9 selbst ist ebenfalls trapezförmig. Besonders günstig ist es, wenn die seitlichen Flächen des Kopfes 9 zu der nächstliegenden seitlichen Flä- che des Zahns 8 unter einem Winkel α von 20 bis 30°, bevorzugt 24 bis 26°, verlaufen.

Bei der beschriebenen Antriebsmaschine handelt es sich um eine Innenläufer-Synchronmaschine, die insbesondere für Aufzüge geeignet ist und die ein besonders wichtiger

Anwendungsfall der Erfindung ist. Wie bereits dargelegt, sind zahlreiche Varianten der erfindungsgemäßen Lehre möglich, wobei diese insbesondere auch bei Linearantrieben sowie bei Außenläufer-Rotationsmotoren eingesetzt werden kann.

Dabei kann die Gesamtzahl der in einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsmaschine verwendeten Permanentmagnete und elektrischen Wicklungen in großem Umfang variieren, beispielsweise weil mehrere benachbarte Permanentmagnete gemeinsam je einen dem Primärteil zugewandten Sekundärteil-Magnetpol und/oder mehrere Wicklungen gemeinsam einen dem Sekundärteil zugewandten Primärteil -Magnetpol bilden, - im Falle einer Rotationsmaschine (Elektromotor) das Primärteil (Stator) und das Sekundärteil (Rotor) auf ihrem Umfang ganzzahlige Vielfache von 24 bzw. 38 dem jeweils anderen Teil zugewandte (wirksame) Magnetpole aufweisen, - eine Mehrzahl von jeweils dem anderen Teil zugewandten Magnetpolen reihenförmig in Richtung quer zu dem vorgegebenen Bewegungsweg des Sekundärteils angeordnet sind.

Jedenfalls ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis der einander zugewandten Magnetpole der beiden Teile, deren Wechselwirkung den Antrieb bewirkt, in dem angegebenen Verhältnis steht . Ihr Abstand in der Bewegungsrichtung steht dann im umgekehrten Verhältnis.