DE102006003598A1 - Permanent excited synchronous motor has stator, axially running slots and number given in advance to these slots is provided with electrical conductors of coil system, in order to produce magnetic flow - Google Patents

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Abstract

The motor has a stator (1) and axially running slots (2,3) pointing in the bundle of laminations of the stator to the air gap of the motor. A number given in advance of these slots is provided with electrical conductors of a coil system, in order to produce a magnetic flow. The slots have different radial depths. The coil system has tooth coils (10,11) of different tooth coil width and number of conductors.

Description

Die Erfindung betrifft eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem verteilten Wicklungssystem.The The invention relates to a permanent magnet synchronous machine with a distributed winding system.

Um mit permanenterregten Synchronmaschinen höhere Drehzahlbereiche zu erreichen, sind kleinere Polzahlen notwendig, wobei sich aber im Hinblick auf Zahnspulenwicklungen mit der Lochzahl q = 1/2 prinzipielle Anordnungen mit vergleichsweise geringen Polzahlen ergeben.Around to achieve higher speed ranges with permanent-magnet synchronous machines smaller numbers of poles are necessary, but with regard to Tooth coil windings with the number of holes q = 1/2 basic arrangements result with comparatively small numbers of poles.

Die technischen Anforderungen an geringe Rastmomente bei stark ausgenutzten Magnetkreisen in permanenterregten Synchronmaschinen können bei Verwendung von ungeschrägter Polspultechnik mit einer relativ geringen Nutenanzahl des Stators im Zusammenhang mit wiederum ungeschrägten Permanentmagnetläufern oft nicht erfüllt werden.The technical requirements for low cogging torque in heavily used Magnetic circuits in permanent magnet synchronous machines can at Use of unswept Polspultechnik with a relatively small number of slots of the stator in connection with turn unswept permanent magnet rotors often not fulfilled become.

So werden die Statoren mit einem dreisträngig verteilten Wicklungssystem ausgeführt, dabei werden als typische Polzahlen 2p = 4, 6 oder 8 realisiert. Von der Wicklungssystematik handelt es sich dabei grundsätzlich um Bruchlochwicklungen, die als Zweischichtwicklungen oder Einschichtwicklung ausgeführt sind. Dabei ergeben sich Wicklungssysteme mit der Lochzahl q = 1,5.So become the stators with a three-strand distributed winding system executed 2p = 4, 6 or 8 are realized as typical pole numbers. The winding system is fundamentally about Fractured hole windings, which are called two-layer windings or single-layer winding accomplished are. This results in winding systems with the number of holes q = 1.5.

Verteile Wicklungssysteme haben die prinzipbedingten Nachteile, dass sie einerseits vergleichsweise große Wickelköpfe aufweisen, die einen entsprechenden Platzbedarf an den Stirnseiten der Statoren benötigen, einen hohen Anteil an den Strom und Wärmeverlusten verursachen und andererseits nur mit einer vergleichsweisen aufwändigen Wickel- und Isoliertechnik realisierbar sind.Spread Winding systems have the inherent disadvantages that they on the one hand, comparatively large winding heads have a corresponding space requirement at the end faces of the Need stators cause a high proportion of the electricity and heat losses and on the other hand only with a comparatively complicated winding and insulation technology are feasible.

Es ist daher nahe liegend, Ausführungen von Statoren zu suchen, die die beschriebenen Nachteile der eindeutig zu Lasten von Aktivteilausnutzungen und Kostenpositionen gehen weniger stark ausgeprägt aufweisen und trotzdem die Einhaltung der Entwicklungsrandbedingungen ermöglicht. Dabei geht es unter anderem um kleine Drehmomentwelligkeiten.It is therefore obvious, embodiments to look for stators that clearly outlined the disadvantages described at the expense of asset utilization and cost items go down less strong and still meet the development constraints allows. Among other things, it is about small torque ripples.

Ein Lösungsansatz war hierbei die Nutzung von Zahnspulenwicklungen. Zahnspulenwicklungen bestehen aus Einzelspulen, deren jeweilige Spulenweite genau einer Nutteilung entspricht. Eine Zahnspule umfasst damit genau einen mechanischen Zahn.One approach here was the use of tooth coil windings. Tooth coil windings exist from individual coils whose respective coil width exactly one slot pitch equivalent. A tooth coil thus comprises exactly one mechanical tooth.

Zahnspulenwicklungen weisen einen besonders kleinen Wickelkopf auf, können kompakt und mit hohem Nutfüllfaktor gewickelt werden und benötigen, zumindest im Wickelkopfbereich keine verstärkte Isolierung zur Phasentrennung.Tooth coil windings have a particularly small winding head, can be compact and with high slot fill be wrapped and need, at least in the winding head area no reinforced Isolation for phase separation.

Diese deutlichen Vorteile führen zu einer höheren Aktivteilausnutzung sowie zu einer Senkung der Herstellkosten einer elektrischen Maschine. Aufgrund der einfachen Wickeltechnik sind keine komplexe Wickelautomaten notwendig.These lead to significant benefits to a higher one Use of active parts as well as a reduction in the production costs of a electric machine. Due to the simple winding technique are no complex winding machines necessary.

Allerdings besitzen Zahnspulenwicklungen nicht nur Vorteile, sie führen z.B. auf ein breites Luftspaltfeldspektrum, das außer dem Nutzdrehfeld vergleichsweise höhere Anteile an parasitären Drehfeldern aufweist.Indeed tooth coil windings not only have advantages, they lead e.g. to a broad air gap field spectrum, which comparatively except the Nutzdrehfeld higher Proportions of parasitic Has rotating fields.

So ist aus der DE 101 24 415 A1 eine elektrische Maschine bekannt, die, um eine hohe Maschinenausnutzung bei annähernd sinusförmigen Verlauf der Magnetfelder zu erreichen folgende Merkmale aufweist. Einen Stator und einen Rotor, wobei der Stator eine dreiphasige Wicklung aufweist und der Rotor mit Permanentmagneten bestückt ist, die dreiphasige Wicklung ist in Nuten des Stators angeordnet, die Nuten des Stators werden durch im wesentlich axial verlaufende Zähne gebildet, die wenigstens zwei unterschiedliche Zahnteilungsbreiten τzp aufweisen, die in Umfangsrichtung des Stators abwechselnd angeordnet sind, wobei deren Anzahl jeweils identisch ist und wobei die Zähne mit gegenüber anderen Zähnen großer Zahntei lungsbreite von einer Wicklung zumindest teilweise umgeben sind.So is out of the DE 101 24 415 A1 an electrical machine is known, which, in order to achieve high machine utilization with approximately sinusoidal course of the magnetic fields having the following features. A stator and a rotor, wherein the stator has a three-phase winding and the rotor is equipped with permanent magnets, the three-phase winding is disposed in grooves of the stator, the grooves of the stator are formed by substantially axially extending teeth, the at least two different tooth pitch τ Have zp , which are arranged alternately in the circumferential direction of the stator, wherein the number of which is identical in each case and wherein the teeth with respect to other teeth large Zahntei development width of a winding are at least partially surrounded.

Nachteilig dabei ist u.a., dass Rastmomente dieser permanenterregten Synchronmaschine vorhanden sind.adversely it is among other things that the cogging moments of this permanent magnet synchronous machine available.

Ausgangspunkt dieser Betrachtung bildet eine m = 3 dreisträngige und 2p = 4 polige einschichtige Drehstromwicklung. Mit der Lochzahl q = 3 findet man mit N = 2·p·q·mdie Nutenzahl des Stators von N = 36. Dabei ergeben sich in ungeschrägter Ausführung des Stators und des Permanentmagnetrotors auch bei extrem hoher magnetischer Ausnutzung nur unwesentliche Rastmomente. Der zum Einsatz kommende Blechschnitt ist in 1 prinzipiell dargestellt.Starting point of this consideration is a m = 3 three-stranded and 2p = 4-pole single-layer three-phase winding. With the number of holes q = 3 can be found with N = 2 · p · q · m the number of slots of the stator of N = 36. This results in unsculled design of the stator and the permanent magnet rotor, even at extremely high magnetic utilization only marginal cogging torques. The sheet metal cut used is in 1 shown in principle.

Mit der beispielsweisen Windungszahl von w = 540 eines Wicklungsstranges wird die gesamte Leiterzahl der Einschichtwicklung aus Z = 2·w·mzu Z = 3240 berechnet. Die Leiterzahl pro Nut

Figure 00030001
ist dabei zN = 90. Um die hier gezeigte Nutfläche gut auszufüllen, kann der zugehörige Drahtquerschnitt mit d = 0,5 mm festgelegt werden. Die Darstellung des zugehörigen Wickelschemas über die vier Pole gestaltet sich somit gemäß 2 folgendermaßen.With the exemplary number of turns of w = 540 of a winding strand, the total number of conductors of the single-layer winding becomes less Z = 2 · w · m calculated to Z = 3240. The number of conductors per slot
Figure 00030001
z is N = 90. In order to fill in the groove surface shown here well, the corresponding wire cross section can be defined with d = 0.5 mm. The representation the associated winding scheme on the four poles thus designed according to 2 follows.

Für eine klassische m = 3 dreisträngige und zudem 2p = 4 polige Zahnspulenwicklung mit der Lochzahl q* = ½ findet man für die Anzahl der Nuten aus N* = 2p·q*·mdirekt den Wert N* = 6. Bei dieser Variante der Bruchlochwicklungen kann die Polzahl klein gehalten werden, wodurch der hohe Drehzahlbereich für vorgegebene Anwendungen leicht abgedeckt werden kann. Bei ungeschrägter Ausführung des Stators und des mit Permanentmagneten versehenen Rotors ergeben sich bei vergleichsweise guter magnetischer Ausnutzung jedoch äußerst hohe Rastmomente.For a classical m = 3 three-stranded and also 2p = 4-pole tooth coil winding with the number of holes q * = ½, one finds out for the number of slots N * = 2p * q * * m directly the value N * = 6. In this variant of the Bruchlochwicklungen the number of poles can be kept small, so that the high speed range can easily be covered for given applications. However, with an unswept design of the stator and the rotor provided with permanent magnets, extremely high cogging torques result with comparatively good magnetic utilization.

Demnach liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine permanenterregte Synchronmaschine zu schaffen, die einfach herzustellen ist und dennoch geringe Rastmomente bei vergleichsweise stark ausgenutzten Magnetkreisen aufweist.Therefore The invention is based on the object, a permanent-magnet Synchronous machine to create, which is easy to produce and still low Cogging moments in relatively heavily used magnetic circuits having.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem Stator mit zum Luftspalt der permanenterregten Synchronmaschine weisenden Vertiefungen, wobei eine vorgebbare Anzahl dieser Vertiefungen mit elektrischen Leitern eines Wicklungssystems versehen sind, um einen magnetischen Fluss zu erzeugen.The solution The task is achieved by a permanent magnet synchronous machine with a stator to the air gap of the permanent magnet synchronous machine pointing recesses, with a predetermined number of these wells are provided with electrical conductors of a winding system to to generate a magnetic flux.

Das bisher bekannte Wicklungssystem als herkömmliche Polspulenwicklung oder Zahnspulenwicklungssystem bekannt, wird erfindungsgemäß aufgeteilt und mit einer unterschiedlichen Anzahl von Leitern pro Vertiefung bzw. Nut ausgeführt. Für diese Wicklung sind Vertiefungen unterschiedlicher Tiefe vorgesehen. Wobei als Tiefe die radiale Ausdehnung der Vertiefung betrachtet wird. Zusätzlich werden in dem erfindungsgemäßen Blechschnitt nicht bewickelte Vertiefungen mit einer vorgebbaren Höhe, die vorteilhafterweise im Bereich eines Nutschlitzes liegt und u.a. dem Zweck dienen, die unerwünschten Nutrastmomente bezüglich spezieller Rotorstellung zu minimieren.The previously known winding system as conventional Polspulenwicklung or Tooth coil winding system is known, is divided according to the invention and with a different number of conductors per well or groove executed. For this winding Wells of different depths are provided. Where as Depth is considered the radial extent of the depression. In addition will be in the sheet metal section according to the invention not wound recesses with a predetermined height, which advantageously lies in the region of a slot slot and u.a. serve the purpose that undesirable Nutrastmomente re minimize special rotor position.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin zeigen:The Invention and further advantageous embodiments of the invention are explained in more detail in the schematically illustrated embodiments. In this demonstrate:

3, 4 Blechschnitt eines erfindungsgemäßen Stators 3 . 4 Sheet metal section of a stator according to the invention

5 Wicklungsschema eines derartigen Stators. 5 Winding diagram of such a stator.

3 zeigt in einem Querschnitt den prinzipiellen Aufbau eines Stators 1 einer nicht näher dargestellten elektrischen Maschine, insbesondere eines permanenterregten Synchronmotors. Das Blech 12 dieses Stators 1 weist in Umfangsrichtung sechsunddreißig Nuten auf. Dabei unterteilen sich die Nuten bzw. Vertiefungen in diesem Ausführungsbeispiel in drei verschiedene Nutvarianten. Zum einen die Nuteinbuchtungen 2, Nuten 3, die sich mit ihrem Nutgrund 4 auf einem Kreis mit Radius R1 befinden und Langnuten 5, die sich mit ihrem Nutgrund 4 auf einem Kreis mit Radius R2 befinden. 3 shows in a cross section the basic structure of a stator 1 a non-illustrated electrical machine, in particular a permanent-magnet synchronous motor. The sheet 12 this stator 1 has thirty-six grooves in the circumferential direction. In this case, the grooves or depressions are divided into three different Nutvarianten in this embodiment. On the one hand the groove indentations 2 , Grooves 3 who are with their groove bottom 4 located on a circle with radius R1 and long grooves 5 who are with their groove bottom 4 located on a circle with radius R2.

Dieses Ausführungsbeispiel zeigt zwei unterschiedliche Zahnspulen 10, 11 gemäß 4, die in die jeweiligen Nuten 3, 5 eingesetzt werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass unterschiedlich große Nutflächen in dem erfindungsgemäßen Blechschnitt zur Verfügung stehen.This embodiment shows two different tooth coils 10 . 11 according to 4 in the respective grooves 3 . 5 be used. However, it should be noted that differently sized groove surfaces are available in the sheet metal section according to the invention.

Um den unerwünschten Nutrasteffekten im erfindungsgemäßen Blechschnitt entgegenwirken zu können, werden zusätzlich im Bereich τ ~Z der Zähne des Blechs 12 t = 2 Nuteinbuchtungen 2 mit der vergleichsweise geringen Höhe eines Nutschlitzes vorgesehen. Dadurch nimmt der Stator 1 bezüglich des Luftspaltbereiches im Wesentlichen eine durch die Nutteilung τ ~N bestimmte Struktur an, welche die positiven Effekte der N = 36 Zähne 12 des herkömmlichen Stators nachbildet. Dadurch werden hohe Rastmomente durch exzentrische Rotorpositionen vermieden, wodurch Stator 1 und Rotor vorteilhaft nicht geschrägt ausgeführt werden müssen.In order to counteract the undesirable Nutrasteffekten in the sheet metal section according to the invention, are additionally in the range τ ~ Z of the teeth of the sheet 12 t = 2 groove indentations 2 provided with the comparatively small height of a slot slot. This will take the stator 1 with respect to the air gap area, a substantially determined by the slot pitch τ ~ N structure on which the positive effects of N = 36 teeth 12 simulates the conventional stator. As a result, high cogging torques are avoided by eccentric rotor positions, causing stator 1 and rotor advantageously not be performed skewed.

Aus dem gültigen Zusammenhang N ~ = 2p·q ~·mkann der 2p = 4 poligen Drehstromwicklung m = 3 für die Nutenzahl N ~ = 24 eine fiktive Lochzahl

Figure 00060001
von q ~ = 2 zugeordnet werden. Dabei besteht zu der Lochzahl der klassischen Zahnspulenwicklung mit q* = ½ offensichtlich der direkte Zusammenhang q ~ = 2·q*·t From the valid context N ~ = 2p · q · · m 2p = 4-pole three-phase winding m = 3 for the groove number N ~ = 24 a fictitious number of holes
Figure 00060001
be assigned by q ~ = 2. In this case, the number of holes of the classical tooth coil winding with q * = ½ obviously has the direct relation q ~ = 2 · q * · t

Die resultierende Nutzahl kann demnach zufolge des Teilungsfaktors t auch als N ~ = 2p·m·tgeschrieben werden. Der Blechschnitt des erfindungsgemäßen Stators 1 ist dabei nunmehr gemäß 3 aufgebaut.According to the division factor t, the resulting number of slots can also be called N ~ = 2p · m · t to be written. The sheet metal section of the stator according to the invention 1 is now according to 3 built up.

Die Nutteilung der geteilten Zahnstruktur findet man direkt aus dem Zusammenhang

Figure 00060002
mit D als Bohrungsdurchmesser gemäß 3 und 4, wobei für den von der geteilten Zahnspulenwicklung gemeinsam umfassten Zahn je nach Wahl des Teilungsfaktors t stets τ ~Z = t·τ ~N gelten muss.The slot pitch of the divided tooth structure can be found directly from the context
Figure 00060002
with D as the bore diameter according to 3 and 4 , Wherein, for the shared by the divided tooth coil winding together tooth depending on the choice of the division factor t always τ ~ Z = t · τ ~ N must apply.

Die mit m = 3 dreisträngige und zudem 2p = 4 polige, geteilte Zahnspulenwicklung mit ungleicher Leiterzahl pro Nut wird in den N ~ = 24 nutigen Stator 1 so eingelegt, dass die zusammengesetzte Zahnspule stets in etwa den räumlichen Bereich (τ ~Z + t·τ ~N), ganz umschließt.The with m = 3 three-stranded and also 2p = 4-pole, split tooth coil winding with unequal number of conductors per groove is in the N ~ = 24 groove stator 1 inserted so that the composite tooth coil always approximately in the spatial area (τ ~ Z + t · τ ~ N ), completely encloses.

D.h. in dem Ausführungsbeispiel nach 4 ergibt sich τ ~N1 = τ ~Z + 1·τ ~N und τ ~N2 = τ ~Z + 2·τ ~N dementsprechend.That is, in the embodiment according to 4 surrendered τ ~ N1 = τ ~ Z + 1 · τ ~ N and τ ~ N2 = τ ~ Z + 2 · τ ~ N accordingly.

Claims (4)

Permanenterregte Synchronmaschine mit einem Stator (1) mit zum Luftspalt der permanenterregten Synchronmaschine weisenden im Blechpaket des Stators (1) axial verlaufenden Vertiefungen (2, 3, 5), wobei lediglich eine vorgebbare Anzahl dieser Vertiefungen (3, 5) mit elektrischen Leitern eines Wicklungssystems versehen ist, um einen magnetischen Fluss zu erzeugen.Permanent magnet synchronous machine with a stator ( 1 ) pointing to the air gap of the permanent-magnet synchronous machine in the laminated core of the stator ( 1 ) axially extending depressions ( 2 . 3 . 5 ), whereby only a definable number of these depressions ( 3 . 5 ) is provided with electrical conductors of a winding system to produce a magnetic flux. Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (2, 3, 5) unterschiedlich radiale Tiefen aufweisen.Permanent magnet synchronous machine according to claim 1, characterized in that the depressions ( 2 . 3 . 5 ) have different radial depths. Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wicklungssystem Zahnspulen (10, 11) unterschiedlicher Zahnspulenweite (τ ~N1, τ ~N2) und/oder Leiteranzahl aufweist.Permanent magnet synchronous machine according to claim 1 or 2, characterized in that the winding system tooth coils ( 10 . 11 ) has different tooth coil width (τ ~ N1 , τ ~ N2 ) and / or conductor number. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Pol des Stators (1) eine geteilte Zahnspulenwicklung unterschiedlicher Leiterzahl pro Vertiefung vorhanden ist.Permanent magnet synchronous machine according to one of the preceding claims, characterized in that per pole of the stator ( 1 ) a divided tooth coil winding of different number of conductors per well is present.
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