DE10064377A1 - Brushless electrical machine - Google Patents

Brushless electrical machine

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DE10064377A1 DE2000164377 DE10064377A DE10064377A1 DE 10064377 A1 DE10064377 A1 DE 10064377A1 DE 2000164377 DE2000164377 DE 2000164377 DE 10064377 A DE10064377 A DE 10064377A DE 10064377 A1 DE10064377 A1 DE 10064377A1
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • HELECTRICITY
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    • H02K21/22Synchronous 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

Abstract

Bei genuteten Ankern (Ständerblechpaket), bei denen die Ständerzähnezahl Z ein Vielfaches der Phasenanzahl m ist, treten bei bürstenlosen elektrischen Maschinen im stromlosen Zustand Rastmomente auf, die eine Folge der magnetischen Vorzugsrichtung der ferromagnetischen Zähne sind. DOLLAR A Die Rastmomente können minimiert werden, indem die Ständerzähnezahl Z mit DOLLAR A Z = m È (P/2 +- C) DOLLAR A gewählt ist, wobei P/2 nicht durch m teilbar sein soll und C eine Konstante ist, die, sofern die Polpaarzahl P geradzahlig ist, folgenden Bedingungen genügt DOLLAR A 0 < C < P/2 mit DOLLAR A C = (2 È n - 1), wenn P/2 eine gerade Zahl ist und DOLLAR A C = 2 È n, wenn P/2 eine ungerade Zahl ist mit n = 1, 2, 3, ..., DOLLAR A bei C > 1 ist P/2 nicht durch C teilbar DOLLAR A und, sofern P ungeradzahlig ist, DOLLAR A auch der Ausdruck (P/2 +- C) ungeradzahlig ist und C der Bedingungen genügt: DOLLAR A C = 1/2 È (2n - 1) mit n = 1, 2, 3, ...,.With grooved anchors (stator core), in which the number of stator teeth Z is a multiple of the number of phases m, detent moments occur in brushless electrical machines in the de-energized state, which are a consequence of the magnetic preferred direction of the ferromagnetic teeth. DOLLAR A The cogging torques can be minimized by selecting the number of stator teeth Z with DOLLAR AZ = m È (P / 2 + - C) DOLLAR A, whereby P / 2 should not be divisible by m and C is a constant that, if the number of pole pairs P is even, the following conditions satisfy DOLLAR A 0 <C <P / 2 with DOLLAR AC = (2 È n - 1) if P / 2 is an even number and DOLLAR AC = 2 È n if P / 2 an odd number with n = 1, 2, 3, ..., DOLLAR A with C> 1, P / 2 is not divisible by C DOLLAR A and, if P is odd, DOLLAR A is also the expression (P / 2 + - C) is odd and C satisfies the conditions: DOLLAR AC = 1/2 È (2n - 1) with n = 1, 2, 3, ...,.

Description

Die Erfindung betrifft eine bürstenlose elektrische Maschine mit einem Permanentmagnetläufer mit P Polpaaren, einem genu­ teten Ständer mit Z Ständerzähnen und einer m-phasigen Stän­ derwicklung, wobei die Ständerzähnezahl Z ein Vielfaches der Phasenanzahl m ist.The invention relates to a brushless electrical machine with a permanent magnet rotor with P pole pairs, one genu t stand with Z stand teeth and an m-phase stand derwicklungs, the number of stator teeth Z a multiple of Number of phases is m.

Derartige Maschinen werden als hochpolige Variante insbeson­ dere als Direktantriebe ohne Untersetzungsgetriebe einge­ setzt.Such machines are in particular a multi-pole variant others as direct drives without a reduction gear puts.

Ein direkter Antrieb ohne Untersetzungsgetriebe bietet meh­ rere Vorteile sowohl im stationären Betrieb als auch bei dy­ namischen Vorgängen gegenüber einem Antrieb mit Unterset­ zungsgetriebe. Ein direkter Antrieb setzt das Vorhandensein einer langsam laufenden elektrischen Maschine voraus. Je niedriger die Leerlauf-Nenndrehzahl der elektrischen Maschi­ ne ist, um so größer wird deren Magnetläuferpolzahl, wenn ein hoher Wirkungsgrad, ein hohes Leistungs-Gewichts- Verhältnis und niedrige Herstellungskosten zu erzielen sind. Kennzeichnend für einen Direktantrieb ist dann ein geräusch­ armes Verhalten im gesamten Betriebsbereich und ein hervor­ ragend regelbares Verhalten.A direct drive without a reduction gear offers meh more advantages both in stationary operation and at dy Namely processes compared to a drive with subset reduction gear. A direct drive presupposes the presence ahead of a slow running electrical machine. ever lower the nominal idling speed of the electric machine ne, the larger the number of magnetic rotor poles, if high efficiency, high power-weight ratio Ratio and low manufacturing costs can be achieved. A noise is then characteristic of a direct drive poor behavior in the entire operating area and a excellent controllable behavior.

Bei genuteten Ankern (Ständerblechpaket) treten bei bürsten­ losen elektrischen Maschinen im stromlosen Zustand Rastmo­ mente auf, die eine Folge der magnetischen Vorzugsrichtung der ferromagnetischen Zähne sind. If the anchors are grooved (stator core), brush them loose electrical machines in the de-energized state Rastmo elements that are a consequence of the magnetic preferred direction of the ferromagnetic teeth are.  

Insbesondere bei hochpoligen Magnetläufern einer elektri­ schen Maschine, deren Magnete aus Neodym-Eisen-Bor- Magnetmaterial (Nd-Fe-B) bestehen, treten starke Rastmo­ mente auf, da diese vom quadratischen Wert der Remanenzin­ duktion des verwendeten Magnetmaterials abhängig sind.Especially with multi-pole magnetic rotors an electri machine whose magnets are made of neodymium-iron-boron Magnetic material (Nd-Fe-B) exist, strong Rastmo occur ment due to the quadratic value of the remanent production of the magnetic material used.

Die Minimierung der Rastmomente erweist sich als schwierig.The minimization of the cogging torque proves to be difficult.

Es sind verschiedenen Maßnahmen zur Verminderung der Rastmo­ mente bekannt. Alle diese Maßnahmen verursachen jedoch ent­ weder die Erhöhung der Herstellungskosten oder die Reduzie­ rung der Maschinenausnutzung oder sie sind aus technischer und wirtschaftlicher Hinsicht nicht geeignet für hochpolige Maschinen.There are various measures to reduce the Rastmo ment known. However, all of these measures ent neither the increase in manufacturing costs nor the reduction machine utilization or they are technical and economically not suitable for multi-pole Machinery.

Beispiele für bekannte Maßnahmen zur Verminderung der Rast­ momente sind die folgenden:
Examples of known measures for reducing the cogging torque are the following:

  • - Verwendung von geeigneten Magnetpolflächen und/oder dazu angepaßten Formen der Ständerzähne, so daß der Abstand zwi­ schen den beiden gegenüberstehenden Flächen (Pol- und Zahn­ fläche) in der Mitte am kleinsten und nach außen hin größer wird.- Use of suitable magnetic pole surfaces and / or for this adapted shapes of the stator teeth, so that the distance between between the two opposing surfaces (pole and tooth area) is smallest in the middle and larger on the outside becomes.

Die besondere Form der Ständerzähne und der Magnete sind bei gesinterten Magnetmaterial wie Neodym-Eisen-Bor Magneten al­ lerdings sehr kostspielig in der Herstellung.The special shape of the stand teeth and the magnets are included sintered magnet material such as neodymium-iron-boron magnets al but very expensive to manufacture.

Permanentmagnet-Hersteller bieten aus wirtschaftlichen Grün­ den Hochenergie-Permanentmagnete, wie z. B. Neodym-Eisen-Bor Permanentmagnete, in vorgefertigter Form, z. B. Quader bzw. Streifen, an. Die Herstellung von Magnetläufern einer hoch­ poligen elektrischen Maschine mit quader- oder streifenför­ migen Magneten ist die preisgünstigere Lösung, wenn ein ho­ hes Leistungsgewicht und eine kompakte Bauweise der Maschine zu erzielen sind. Permanent magnet manufacturers offer for economical green the high-energy permanent magnets, such as. B. Neodymium Iron Boron Permanent magnets, in prefabricated form, e.g. B. cuboid or Strips, on. The manufacture of magnetic rotors a high pole electrical machine with cuboid or stripe magnets is the cheaper solution if a ho hes power to weight ratio and a compact design of the machine can be achieved.  

  • - Anwendung von magnetischen Nutkeilen.- Use of magnetic slot wedges.
  • - Vergrößerung des Luftspaltes der elektrischen Maschine.- enlargement of the air gap of the electrical machine.
  • - Schrägung der Nuten des Ständerblechpaketes und/oder Schrägung (Versetzung) der Permanentmagneten.- Slant of the grooves of the stator core and / or Oblique (displacement) of the permanent magnets.
  • - Vergrößerung der Nutschlitzwinkel.- Enlargement of the slot slot angle.

Die letztgenannten Maßnahmen vermindern jedoch alle die Ma­ schinenausnutzung.However, the latter measures all reduce the Ma schin utilization.

Alle diese Maßnahmen führen zu einer drastischen Verminde­ rung der Augenblickswerte der Normalkomponente der Flußdich­ te (Induktion) im Luftspalt der elektrischen Maschine. Die Folge ist ein reduzierter Induktionsmittelwert im Luftspalt. Das führt zu einem geringeren Drehmoment bzw. zu einer ge­ ringeren Leistungsabgabe der Maschine.All of these measures lead to a drastic diminution the instantaneous values of the normal component of the river te (induction) in the air gap of the electrical machine. The The result is a reduced mean induction value in the air gap. This leads to a lower torque or ge lower power output of the machine.

Will man trotzdem solche Maßnahmen bei hochpoligen elektri­ schen Maschinen anwenden, so muß man damit rechnen, daß der Strombelag der Maschine erhöht werden muß, um das ausgelegte Drehmoment bzw. die elektrische Leistung zu erreichen. Das führt zur drastischen Erwärmung und zu einer kurzen Lebens­ dauer der Maschine.Do you still want such measures in multi-pole electrical use machines, one must expect that the Electricity load of the machine must be increased to the design To achieve torque or electrical power. The leads to drastic warming and a short life duration of the machine.

Abhilfe bringt dann nur die Vergrößerung der Maschine. Das führt bekanntlich wieder zu höheren Herstellungskosten und kleinerem Leistungs-Gewichts-Verhältnis der Maschine.The only remedy is to enlarge the machine. The is known to lead to higher manufacturing costs and lower power-to-weight ratio of the machine.

Üblicherweise ergibt sich die Ständerzähnezahl Z, bezogen auf die Polpaarzahl 2P des Permanentmagnetläufers und die Phasenzahl m der Maschine durch die folgenden Gleichungen:
The number of stator teeth Z, based on the number of pole pairs 2P of the permanent magnet rotor and the number of phases m of the machine, usually results from the following equations:

Z = m.[2P] (1)
Z = m. [2P] (1)

bei Maschinen mit einer Lochzahl = 1
und
for machines with a number of holes = 1
and

Z = m.[P] (2)
Z = m. [P] (2)

bei Maschinen mit einer Lochzahl = 1/2for machines with a number of holes = 1/2

Es ist auch bekannt, daß die Anzahl der Verzahnungen bei je­ der Umdrehung der Läufer-Magnetpole gleich dem kleinsten ge­ meinsamen Vielfachen k von Z und 2P und die Anzahl gleich­ zeitiger Verzahnungen gleich dem größten gemeinsamen Teiler g von Z und 2P ist.It is also known that the number of teeth at each the rotation of the rotor magnetic poles is equal to the smallest ge common multiples k of Z and 2P and the number equal gears equal to the largest common divisor g of Z and 2P.

Beispielsweise treten bei einer dreiphasigen Maschine mit 2P = 96 Magnetpole und Z = 288 Ständerzähnen nach Gleichung (1) 288 Verzahnungen und 96 mal gleichzeitige Verzahnungen bei jeder Umdrehung auf. Die Spitzenwerte von 96 einzelnen Magneten addieren sich hierbei.For example, join a three-phase machine 2P = 96 magnetic poles and Z = 288 stator teeth according to the equation (1) 288 gears and 96 simultaneous gears with every revolution. The peak values of 96 individual Magnets add up here.

Aus der DE-T 38 87 011 ist bereits eine bürstenlose elektri­ sche Maschine bekannt, deren Rastmomente durch eine Zuord­ nung der Ständerzähnezahl zur Anzahl der Magnetpole mini­ miert werden sollen. Die Zähnezahl Z soll der Gleichung
From DE-T 38 87 011 a brushless electrical machine is already known, the cogging torques are to be minimized by assigning the number of stator teeth to the number of magnetic poles. The number of teeth Z is the equation

Z = (P ± N).m genügen, wobei
Z = (P ± N) .m are sufficient, where

P die Polpaarzahl
N eine natürliche Zahl und
M die Phasenzahl
ist. Dabei soll die Bedingung gelten, daß
P the number of pole pairs
N is a natural number and
M the phase number
is. The condition should apply that

0 < N < P - 2P/m ist, so daß Z < 2P wird.0 <N <P - 2P / m, so that Z <2P.

Auch bei dieser Ausführung addieren sich jedoch bei bestimm­ ten Rotorwinkeln die Verzahnungen je nach der Wahl der Zahl N, so daß Restmomente verbleiben.Even with this version, however, add up at certain the rotor angles depending on the choice of the number N, so that residual moments remain.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Auftreten von Rastmomenten zu vermindern, auch bei Verwendung von hochwertigen Permanentmagneten, z. B. aus Neodym-Eisen-Bor- Magnetmaterialien, die auch in Form von Quadern oder Strei­ fen vorliegen können.The invention has for its object the occurrence of Reduce cogging torque, even when using high quality  Permanent magnets, e.g. B. from neodymium-iron-boron Magnetic materials, also in the form of cuboids or stripes fen can exist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.According to the invention, the object is achieved by the features of claim 1.

Ausgehend von den Gleichungen (1) und (2) kann man all­ gemein schreiben:
Starting from equations (1) and (2), one can generally write:

Z = m.2P.q (3)
Z = m.2P.q (3)

mit q als Lochzahlwith q as the number of holes

Mit Gleichung (3) gilt für q = 1:
With equation (3) the following applies for q = 1:

Z = m.2P.[2P/2P] (4)Z = m.2P. [2P / 2P] (4)

Und für q = 1/2 geht Gleichung (3) über in
And for q = 1/2, equation (3) turns into

Z = m.2P.[P/2P] (5)Z = m.2P. [P / 2P] (5)

Der Ausdruck in der rechteckigen Klammer gibt die Lochzahl der Maschine an. Der Zähler oder sogar der Nenner stellt ge­ rade bei Standard-Ausführungen den größten gemeinsamen Tei­ ler von Z und 2P dar. Wie hier in den Gleichungen (4) und (5) ist der Zähler gleich der Polzahl bzw. der Polpaarzahl der Maschine und spiegelt den größten gemeinsamen Teiler (g) wieder. Er ist auch der größte gemeinsame Teiler von 2P und dem Betrag [Z - 2P]. Der Nenner gibt die Polzahl der Ma­ schine an.The expression in the square brackets indicates the number of holes the machine. The numerator or even the denominator is ge the largest common part in standard versions of Z and 2P. As here in equations (4) and (5) the counter is equal to the number of poles or the number of poles of the machine and reflects the largest common divisor (g) again. It is also the largest common divisor of 2P and the amount [Z - 2P]. The denominator gives the number of poles of the Ma seem.

Wenn aber der Zähler in den rechteckigen Klammer eine unge­ rade Zahl ist, so ist auch kein gleichzeitiges Auftreten der Spitzenwerte der einzelnen Magneten möglich und somit nur ein geringes Rastmoment gegeben. If, however, the counter in the square brackets is an uneven one is an even number, there is no simultaneous occurrence of the Peak values of the individual magnets are possible and therefore only given a low cogging torque.  

Die elektrische Maschine wird deshalb erfindungsgemäß mit der folgenden Ständerzähnezahl Z ausgeführt:
According to the invention, the electrical machine is therefore designed with the following number of stator teeth Z:

Lochzahl q = [Passende ungerade Zahl/2P]
Number of holes q = [Matching odd number / 2P]

q = [P/2 ± C]/2P (6)
q = [P / 2 ± C] / 2P (6)

Z = m.2P.[P/2 ± C]/2P
Z = m.2P. [P / 2 ± C] / 2P

bzw.
respectively.

Z = m.(P/2 ± C) (7)
Z = m. (P / 2 ± C) (7)

mit
Z = Ständerzähnezahl
m = Phasenzahl
P = Magnetläuferpolpaarzahl
P/2 wird als nicht durch m teilbar gewählt.
With
Z = number of stator teeth
m = number of phases
P = number of magnetic rotor poles
P / 2 is chosen as not divisible by m.

C ist eine Konstante, die folgenden Bedingungen erfüllen muß:
C is a constant that must meet the following conditions:

  • 1. P ist geradzahlig
    0 < C < P/2 (8)
    mit
    C = (2.n - 1) (9)
    wenn P/2 eine gerade Zahl ist
    und
    C = 2.n (10)
    wenn P/2 eine ungerade Zahl ist
    mit n = 1, 2, 3, . . .
    sowie
    bei C < 1
    ist [P/2 + C] nicht durch [C] (11)
    teilbar.
    1. P is an even number
    0 <C <P / 2 (8)
    With
    C = (2.n - 1) (9)
    if P / 2 is an even number
    and
    C = 2.n (10)
    if P / 2 is an odd number
    with n = 1, 2, 3,. , ,
    such as
    at C <1
    is [P / 2 + C] not by [C] (11)
    divisible.
  • 2. P ist ungeradzahlig
    C = 1/2.(2n - 1) mit n = 1, 2, 3, . . ., wobei
    auch der Ausdruck (P/2 ± C) als ungeradzahlig gewählt wird.
    2. P is odd
    C = 1/2. ( 2 n - 1 ) with n = 1, 2, 3,. , ., in which
    the expression (P / 2 ± C) is also chosen to be odd.

Bei der Einhaltung eines bestimmten Mindestabstandes zwi­ schen den einzelnen Magnetpolen und der Erfüllung der Glei­ chung (7) unter den Bedingungen (8 bis 11) wird das Rastmoment verschwindend klein, auch bei Verwendung von Mag­ netpolen aus Magnetmaterial mit sehr hoher Remanenzindukti­ on.If a certain minimum distance between two between the individual magnetic poles and the fulfillment of the glide chung (7) under conditions (8 to 11) Cogging torque vanishingly small, even when using mag netpolen made of magnetic material with very high remanent inductance on.

Es ergibt sich vorteilhaft eine Lochzahl kleiner als 0,5. Damit wird auch die Spulenzahl der Ständerwicklung im gesam­ ten Zahlenbereich kleiner und es ist ein technologisch ein­ faches Wickeln der Spulen um die Ständerzähne der Maschine möglich.A hole number of less than 0.5 advantageously results. This also increases the number of coils in the stator winding number range is smaller and it is a technologically one multiple winding of the coils around the stator teeth of the machine possible.

Auch die Zahnbreiten können mit der Erfindung in einem tech­ nisch vorteilhaften Bereich ausgeführt werden. Dazu finden Maschinen mit sinusförmig induzierten Spannungen (Synchron­ maschinen) oder mit rechteckig bzw. trapezförmig induzierten Spannungen (bürstenlose Gleichstrommaschinen) Anwendung.The tooth widths can be with the invention in a tech nisch advantageous area to be run. Find it Machines with sinusoidally induced voltages (synchron machines) or with rectangular or trapezoidal induced Voltages (brushless DC machines) application.

Für die Ständerzähnezahl des jeweiligen Ständers werden für Maschinen mit rechteckig bzw. trapezförmig induzierten Span­ nungen vorzugsweise niedrige Werte und für Maschinen mit sinusförmig induzierten Spannungen vorzugsweise höhere Werte gewählt.For the number of stator teeth of the respective stand, for Machines with rectangular or trapezoidal induced chip preferably low values and for machines with a sinusoidal shape  induced voltages preferably higher values selected.

Bei einer dreiphasigen Ausführung der Maschine ergibt sich beispielsweise eine Anzahl von 2P Polen, die ≧ 16 sowie durch 4, aber nicht durch 3 teilbar sind.This results in a three-phase version of the machine for example a number of 2P poles, the ≧ 16 as well are divisible by 4 but not by 3.

Zweckmäßig wird die Anzahl der Zähne größer gehalten als die Anzahl der Polpaare.The number of teeth is expediently kept larger than that Number of pole pairs.

Die Erfindung ist sowohl für Außenläufer- als auch für In­ nenläufermaschinen anwendbar.The invention is for both outrunner and for In internal rotor machines applicable.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnun­ gen zeigenThe invention is intended below with reference to exemplary embodiments play will be explained in more detail. In the associated drawings gen show

Fig. 1 eine Teilansicht einer als Außenläufermotor ausge­ bildeten erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, Fig. 1 is a partial view of an extended as an external rotor motor electric machine formed according to the invention,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößerter Darstellung, Fig. 2 shows a detail from Fig. 1 in an enlarged scale;

Fig. 3 eine Teilansicht einer zweiten Variante der elekt­ rischen Maschine, Fig. 3 is a partial view of a second variant of the machine elekt step,

Fig. 4 einen Ausschnitt aus Fig. 3 in vergrößerter Darstellung, Fig. 4 shows a detail from Fig. 3 in an enlarged scale;

Fig. 5 den diskreten Verlauf des Rastmomentes der Maschi­ ne nach der ersten Variante in Abhängigkeit von der Läuferposition, Fig. 5 shows the discrete curve of the detent torque of the Maschi ne according to the first variant, depending on the rotor position,

Fig. 6 den diskreten Verlauf des Rastmomentes einer e­ lektrischen Maschine nach dem Stand der Technik mit gleicher Ständerzähnezahl in Abhängigkeit der Läuferposition, Fig. 6 shows the discrete curve of the detent torque of an e lektrischen machine according to the prior art with the same number of stator teeth in dependence on the rotor position,

Fig. 7 den diskreten Verlauf des Rastmomentes einer er­ findungsgemäßen Maschine nach der zweiten Variante in Abhängigkeit von der Läuferposition und Fig. 7 shows the discrete course of the cogging torque of an inventive machine according to the second variant depending on the rotor position and

Fig. 8 den diskreten Verlauf des Rastmomentes einer Ma­ schine nach einer dritten Variante. Fig. 8 shows the discrete course of the cogging torque of a machine according to a third variant.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung der erfindungs­ gemäßen Maschine. Fig. 2 gibt einen Hinweis auf den notwen­ digen Abstand zwischen den einzelnen Magnetpolen (Pollücke). Alle Magnetpole haben gleiche Abmessungen. Auch die Pollü­ cken zwischen der einzelnen Magneten haben gleiche Abmessun­ gen. Fig. 1 shows a first embodiment of the machine according to the Invention. Fig. 2 gives an indication of the necessary distance between the individual magnetic poles (pole gap). All magnetic poles have the same dimensions. The gaps between the individual magnets also have the same dimensions.

Die dargestellte Maschine hat einen als Permanentmagnetläu­ fer ausgebildeten Maschinenteil, hier als Läufer 111 be­ zeichnet, und einen als Ständer 222 ausgebildeten zweiten Maschinenteil.The machine shown has a machine part designed as a permanent magnet rotor, here designated as a rotor 111 , and a second machine part designed as a stand 222 .

Der Läufer 111 besteht im wesentlichen aus einem Läuferjoch 11, der aus massivem weichmagnetischem Material hergestellt ist und den permanentmagnetischen Feldmagneten 11 bis 140, die in Form von Streifen aus Neodym-Eisen-Bor-Magnetmaterial bestehen und auf der Innenwandung des Läuferjoches 11 ange­ ordnet sind.The rotor 111 consists essentially of a rotor yoke 11 , which is made of solid soft magnetic material and the permanent magnetic field magnets 11 to 140 , which are in the form of strips of neodymium-iron-boron magnetic material and are arranged on the inner wall of the rotor yoke 11 ,

Die Anordnung der Feldmagnete 11 bis 140 mit wechselnder Mag­ netisierung sind in der Zeichnung durch die Buchstaben N (Nordpol) und S (Südpol) angegeben.The arrangement of the field magnets 11 to 140 with alternating magnetization are indicated in the drawing by the letters N (north pole) and S (south pole).

Der Ständer 222, der mit einem Ständerkern 22 mit 33 Stän­ derzähnen 2 1 bis 2 33 und 33 Nuten 4 1 bis 4 33 versehen ist, ist aus einem geblechtem weichmagnetischem Material (Blechpaket) gebildet.The stand 222 , which is provided with a stator core 22 with 33 stander teeth 2 1 to 2 33 and 33 grooves 4 1 to 4 33 , is formed from a laminated soft magnetic material (laminated core).

Die Ständerzahnflächen 21 1 bis 21 33 und die Feldmagnete 1 1 bis 1 40 des Läufers 111 liegen durch einen Luftspalt 5 getrennt. Um die Ständerzähne 2 1 bis 2 33 herum sind 33 Spulen 3 1 bis 3 33 gewickelt.The stator tooth surfaces 21 1 to 21 33 and the field magnets 1 1 to 1 40 of the rotor 111 are separated by an air gap 5 . Around the stator teeth 2 1 to 2 33 , 33 coils 3 1 to 3 33 are wound.

Es wurde die Läuferpolzahl 2P = 40 für den Ständer 222 ge­ wählt. Damit ergibt sich nach Gleichung (6) die Zähnezahl Z = 33. Es liegt also eine Lochzahl von q = 11/40 zugrunde. Eine versuchsweise so gebaute Maschine mit einem Läufer 111 aus Neodym-Eisen-Bor-Magnetmaterial in Form von Streifen mit einer Remanenzinduktion von 1,23 Tesla weist ein Still­ standsmoment pro Axiallänge von 1520 Nm/m auf.The number of rotor poles 2 P = 40 for the stator 222 was selected. The equation (6) results in the number of teeth Z = 33. The number of holes is therefore q = 11/40. An experimentally constructed machine with a rotor 111 made of neodymium-iron-boron magnetic material in the form of strips with a remanent induction of 1.23 Tesla has a standstill torque per axial length of 1520 Nm / m.

Fig. 5 zeigt den diskreten Verlauf des Rastmomentes der Ma­ schine. Der Spitzenwert des Rastmomentes pro Axiallänge be­ trägt 0,62 Nm/m. Das entspricht 0,04% des Stillstandsmo­ mentes der Maschine. Fig. 5 shows the discrete course of the cogging torque of the machine. The peak value of the cogging torque per axial length is 0.62 Nm / m. This corresponds to 0.04% of the machine's standstill torque.

Um die Höhe der Spitzenwerte des Rastmomentes vergleichen zu können, wurde die Maschine mit einer herkömmlichen Maschine mit einer Ständerzähnezahl Z = 33 und mit einer Magnetpol­ zahl 2P = 44 verglichen. Die Feldmagnete bestanden ebenfalls aus Neodym-Eisen-Bor-Magnetmaterial mit einer Remanenzinduk­ tion von 1,23 Tesla in Form von Streifen. Das Stillstandsmo­ ment pro Axiallänge beträgt 1600 Nm/m. Den diskreten Ver­ lauf des Rastmomentes in Abhängigkeit der Läuferposition zeigt Fig. 6. Mit dieser Maschinenausführung beträgt der Spitzenwert des Rastmomentes pro Axiallänge 100 Nm/m. Das entspricht 6,25% des Stillstandsmomentes. Dieser hohe Spitzenwert des Rastmomentes ist typisch bei elektrischen Maschinen, deren Magnetpole aus Neodym-Eisen-Bor-Magneten mit einem Ständerzähnezahl-Läuferpolzahl-Verhältnis Z/2P = 3/4 bzw. 3/2 sind.In order to be able to compare the height of the peak values of the cogging torque, the machine was compared with a conventional machine with a number of stator teeth Z = 33 and with a magnetic pole number 2P = 44. The field magnets were also made of neodymium-iron-boron magnetic material with a remanent induction of 1.23 Tesla in the form of strips. The standstill torque per axial length is 1600 Nm / m. Fig. 6 shows the discrete course of the cogging torque as a function of the rotor position . With this machine version, the peak value of the cogging torque per axial length is 100 Nm / m. This corresponds to 6.25% of the standstill torque. This high peak value of the cogging torque is typical of electrical machines whose magnetic poles made of neodymium-iron-boron magnets with a ratio of stator teeth to rotor poles ratio Z / 2P = 3/4 or 3/2.

Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine hat eine Läuferpolzahl 2P = 64 und wurde nach Gleichung (7) mit einem Ständer mit einer Zähnezahl Z = 51 ausgeführt. Die Lochzahl betragt q = 17/64. Die Maschine hat ein Still­ standsmoment pro Axiallänge von 1750 Nm/m. Den diskreten Verlauf des Rastmomentes pro Axiallänge in Abhängigkeit von der Läuferposition zeigt Fig. 7. Der maximale Wert des Rast­ momentes pro Axiallänge beträgt 1,16 Nm/m. Dieser maximale Wert ist jedoch sehr klein und entspricht 0,066% des Stillstandsmomentes der Maschine. Die in Fig. 3 dargestellte Maschine entspricht baumäßig der ersten Ausführungsform. Die Anzahl der Feldmagnete 1 1 bis 164 betragt 2P = 64, die der Ständerzähne 1 1 bis 1 51 betragt Z = 51. Die Feldmagnete 1 1 bis 1 64 sind aus Neodym-Eisen-Bor-Magnetmaterial und haben die Form von Streifen.The second embodiment of the machine according to the invention has a rotor pole number 2P = 64 and was carried out according to equation (7) with a stator with a number of teeth Z = 51. The number of holes is q = 17/64. The machine has a standstill torque per axial length of 1750 Nm / m. Fig. 7 shows the discrete course of the cogging torque per axial length as a function of the rotor position . The maximum value of the cogging torque per axial length is 1.16 Nm / m. However, this maximum value is very small and corresponds to 0.066% of the machine's standstill torque. The machine shown in Fig. 3 corresponds in construction to the first embodiment. The number of field magnets 1 1 to 164 is 2P = 64, that of the stator teeth 1 1 to 1 51 is Z = 51. The field magnets 1 1 to 1 64 are made of neodymium-iron-boron magnetic material and have the form of strips.

Fig. 4 gibt einen Hinweis auf den notwendigen Abstand zwi­ schen den einzelnen Magnetpolen (Pollücke). Fig. 4 gives an indication of the necessary distance between the individual magnetic poles (pole gap).

Mit dem gleichen Läufer, das heißt der Magnetpolzahl 2P = 64 wurde eine Maschine mit einem Ständer ausgeführt, dessen Zähnezahl nach Gleichung (7) Z = 57 beträgt.With the same rotor, i.e. the number of magnetic poles 2P = 64 a machine was carried out with a stand whose Number of teeth according to equation (7) Z = 57.

Fig. 8 zeigt den Verlauf des Rastmomentes pro Axiallänge dieser Maschine in Abhängigkeit von der Läuferposition. Aus der Zeichnung geht hervor, daß der maximale Wert des Rastmo­ mentes pro Axiallänge 1,7 Nm/m beträgt. Er liegt damit höher als bei der Maschine nach der zweiten Variante mit ei­ nem Ständer, deren Zähnezahl 51 ist. Mit diesem Wert hat die Maschine jedoch immer noch einen gleichförmigen Lauf bei sehr kleinen Drehzahlen. Fig. 8 shows the course of the detent torque per axial length of the machine in dependence on the rotor position. From the drawing it can be seen that the maximum value of the locking torque per axial length is 1.7 Nm / m. It is therefore higher than in the machine according to the second variant with a stand, the number of teeth of which is 51 . With this value, however, the machine still runs smoothly at very low speeds.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

111111

Läufer
runner

222222

Ständer
stand

1111

Läuferjoch
rotor yoke

11 11

--

11 nn

Feldmagnete
field magnets

2222

Ständerkern
stator core

22 11

--

22 nn

Ständerzähne
stator teeth

44 11

--

44 nn

Nuten
groove

2121 11

--

2121 nn

Ständerzahnflächen
Stator tooth surfaces

55

Luftspalt
air gap

33 11

--

33 nn

Spulen
N Nordpol
S Südpol
Do the washing up
N north pole
S South Pole

Claims (2)

1. Bürstenlose elektrische Maschine mit einem Permanentmag­ netläufer mit P Polpaaren, einem genuteten Ständer mit Z Ständerzähnen und einer m-phasigen Ständerwicklung, wo­ bei die Ständerzähnezahl Z ein Vielfaches der Phasenan­ zahl m ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ständerzähnezahl Z mit
Z = m.(P/2 ± C)
gewählt ist, wobei P/2 nicht durch m teilbar sein soll und C eine Konstante ist, die, sofern P geradzahlig ist, folgenden Bedingungen genügt:
0 < C < P/2 mit
C = (2.n - 1), wenn P/2 eine gerade Zahl ist und
C = 2.n, wenn P/2 eine ungerade Zahl ist mit n = 1, 2, 3, . . .,
bei C < 1 ist P/2 nicht durch C teilbar
und, sofern P ungeradzahlig ist,
auch der Ausdruck (P/2 ± C) ungeradzahlig ist und C der Bedingungen genügt:
C = 1/2.(2n - 1) mit n = 1, 2, 3, . . .,.
1. Brushless electrical machine with a permanent magnet rotor with P pole pairs, a grooved stator with Z stator teeth and an m-phase stator winding, where the number of stator teeth Z is a multiple of the number of phases m
characterized in that
the number of stator teeth Z with
Z = m. (P / 2 ± C)
is selected, where P / 2 should not be divisible by m and C is a constant which, provided P is an even number, satisfies the following conditions:
0 <C <P / 2 with
C = (2.n - 1) if P / 2 is an even number and
C = 2.n if P / 2 is an odd number with n = 1, 2, 3,. , .,
if C <1, P / 2 is not divisible by C.
and, if P is odd,
the expression (P / 2 ± C) is odd and C satisfies the conditions:
C = 1/2. (2n - 1) with n = 1, 2, 3,. , .,.
2. Bürstenlose elektrische Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Phasenzahl zu m = 3 gewählt ist.2. Brushless electrical machine according to claim 1, characterized in that the number of phases is chosen to be m = 3.
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