DE102006020435A1 - Electrical machine e.g. synchronous electrical machine, for converting electrical energy into mechanical energy, has coil forming coil end, and end of stator or rotor formed differently with respect to center of stator or rotor - Google Patents

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Abstract

The machine has a coil forming a coil end in an axial direction at an end of a stator or rotor, where the end of the stator or the rotor is formed differently with respect to the center of the stator or the rotor. The end of the stator or rotor has a laminated core, and the center of the stator or the rotor has another laminated core, where the laminated cores are guided differently. The end of the stator or the rotor is designed such that the electrical resistance in a circumferential direction at the end of the stator or the rotor is larger than that in the centre of the stator or the rotor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine, insbesondere rotierende, elektrische Maschine, die mit Hilfe eines magnetischen Feldes entweder nach dem Motorprinzip elektrische Energie in mechanische Energie oder nach dem Generatorprinzip mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln kann.The The present invention relates to a, in particular rotating, electrical Machine, with the help of a magnetic field, either after the motor principle electrical energy into mechanical energy or according to the generator principle mechanical energy into electrical energy can convert.

Derartige elektrische Maschinen, die beispielsweise als Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen ausgebildet sein können, verfügen, wie in der DE 199 53 291 A1 offenbart, über einen feststehenden Teil, der Stator oder Ständer genannt wird, und über einen umlaufenden Teil, der Rotor oder Läufer genannt wird. Je nach Ausgestaltungsart der elektrischen Maschine bestehen der Stator und der Rotor in der Regel aus einem Blechpaket, das aus einem Joch und einer Anzahl von Wickelzähnen gebildet ist. In den Nuten zwischen diesen Wickelzähnen wird eine elektrische Wicklung (Spule) angeordnet. Wenn diese Wicklungen von einem Strom durchflossen werden, wird dadurch das magnetische Feld der elektrischen Maschine erzeugt.Such electrical machines, which may be formed for example as synchronous machines or asynchronous machines, have, as in the DE 199 53 291 A1 discloses about a fixed part, which is called stator or stator, and about a rotating part, which is called rotor or rotor. Depending on the type of design of the electrical machine, the stator and the rotor usually consist of a laminated core, which is formed from a yoke and a number of winding teeth. In the grooves between these winding teeth, an electrical winding (coil) is arranged. When current flows through these windings, this generates the magnetic field of the electrical machine.

Üblicherweise ist der Stator mit einer Wicklung versehen, welche bei geeigneter Ansteuerung ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Der Rotor trägt in der Regel einen Erregerkreis. Dieser kann entweder ebenfalls als bestromte Wicklung, permanenterregt, als Induktionsläufer, als Reluktanzläufer oder in bestimmten Kombinationen dieser Prinzipien aufgebaut sein. Die Wicklungen der elektrischen Maschine werden in verschiedenen Ausführungen eingebaut: gewickelt, als Formstäbe, gegossen oder als Spulenkörper. Dabei ist der in einer Nut geführte Wicklungsteil an der elektromagnetischen Energiewandlung direkt beteiligt. Der im Wickelkopf befindliche Wicklungsteil erzeugt dagegen elektromagnetische Feldanteile, die nicht zur Erzeugung einer Kraftwirkung beitragen – diese Feldanteile bewirken die so genannte Wickelkopfstreuung.Usually the stator is provided with a winding, which at suitable Control generates an electromagnetic field. The rotor carries in the Usually an exciter circuit. This can either also be energized Winding, permanently excited, as an induction rotor, as a reluctance rotor or be built in certain combinations of these principles. The Windings of the electric machine are available in different designs built-in: wrapped, as shaped bars, cast or as bobbin. In this case, the guided in a groove winding part directly involved in the electromagnetic energy conversion. Of the in the winding head winding part generated, however, electromagnetic Field shares that do not contribute to the generation of a force - this Field shares cause the so-called winding head scattering.

Für die Ausgestaltung des Stators und des Rotors haben sich heute geblechte Anordnungen durchgesetzt, durch welche der wirksame elektrische Widerstand in axialer Richtung erhöht ist und Wirbelstromverluste auf diese Weise vermindert werden. Für die Bleche werden unterschiedliche Qualitäten eingesetzt, welche sich in den Eigenschaften bzgl. der Hystereseschleife und des elektrischen Widerstandes un terscheiden. Ebenfalls bekannt sind Motoren mit gesintertem Elektroeisen, welche eine grobkörnige Struktur aufweisen und dadurch nochmals bessere Eigenschaften bzgl. des Wirkungsgrades aufweisen.For the design of the stator and the rotor have prevailed today lathed orders, through which the effective electrical resistance in the axial direction elevated and eddy current losses are reduced in this way. For the sheets different qualities are used, which in the properties with respect to the hysteresis loop and of the electrical resistance differ. Also known Sintered electric iron motors, which have a coarse-grained structure have and thereby have even better properties with respect to the efficiency.

Bei wirkungsgradoptimierten Maschinen, wie zum Beispiel Kraftwerksgeneratoren, wird der Wickelkopf derart ausgeführt (siehe 1a), dass die Wickelkopfstreuung äußerst gering ist und durch die verbleibenden Streufelder keine unerwünschten Wirkungen in den angrenzenden Teilen der elektrischen Maschine, wie zum Beispiel dem Statorblechpaket oder dem Rotor, erzeugt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Wicklung aus der Nut über das Blechpaket hinaus geführt wird und die Wickelkopfform derart ausgeprägt ist, dass sich alle Feldanteile, die in ihrer Ausbreitungsrichtung von der für die Krafterzeugung gewünschten Ausbreitungsrichtung abweichen bereits außerhalb des Ständerblechpaketes zu einem vernachlässigbaren Wert abbauen. Bei dieser Bauart ist der hohe Volumenbedarf für den Wickelkopf nachteilig.In efficiency-optimized machines, such as power plant generators, the winding head is carried out in this way (see 1a ), that the winding head scattering is extremely low and the remaining stray fields cause no undesired effects in the adjacent parts of the electrical machine, such as the laminated stator core or the rotor. This is achieved in that the winding is guided out of the groove beyond the laminated core and the winding head shape is so pronounced that all field components which deviate in their propagation direction from the direction of propagation desired for the force generation already degrade outside the stator core to a negligible value , In this design, the high volume requirement for the winding head is disadvantageous.

Die vorliegende Erfindung basiert nun auch auf folgenden Gedanken und Erkenntnissen: Bei leistungsdichteoptimierten Maschinen wird auf die vorteilhafte Ausführung der Wicklung, wie sie bei Kraftwerksgeneratoren verbreitet ist, insbesondere aus Platzgründen, verzichtet. Der Wickelkopf liegt dann direkt am Blechpaket eines Stators oder Rotors, insbesondere eines Wickelzahnes, an (siehe 1b), und kann eng von weiteren Bauteilen begrenzt sein, die den magnetischen Fluss leiten können. Daher erzeugt der Wickelkopf im Stirnbereich (Endbereich) des Blechpaketes eines Stators oder Rotors, insbesondere eines Wickelzahnes, zum Feld der Nutwicklung zusätzliche Feldanteile. Dadurch wird das Blechpaket eines Wickelzahnes im Stirnbereich stärker gesättigt als in den übrigen Bereichen, beispielsweise im mittleren Bereich, weshalb bei hoch ausgenutzten elektrischen Maschinen die mit dem Wickelkopf verbundenen Magnetisierungsverluste überproportional zunehmen.The present invention is now also based on the following thoughts and findings: In machines optimized for power density, the advantageous embodiment of the winding, as is widespread in power station generators, in particular for reasons of space, is dispensed with. The winding head is then directly on the laminated core of a stator or rotor, in particular a winding tooth on (see 1b ), and may be closely limited by other components that can conduct the magnetic flux. Therefore, the winding head generates additional field portions in the end region (end region) of the laminated core of a stator or rotor, in particular a winding tooth, to the field of the slot winding. As a result, the laminated core of a winding tooth is more saturated in the forehead area than in the other areas, for example in the central area, which is why the magnetization losses associated with the winding head increase disproportionately in highly utilized electrical machines.

Durch die inhomogene Sättigung des "Eisenkreises", also des Stators und/oder Rotors, ist deshalb die elektrische Maschine in ihrem maximalen Moment vorzeitig limi tiert. Darüber hinaus ist nachteilig, dass der Vektor des vom Wickelkopf verursachten elektrischen Feldes nicht wie im übrigen Teil des Blechpaketes mit der Flächennormalen der Elektrobleche zusammenfällt (also in axialer Richtung wirkt), sondern sich senkrecht zur Flächennormalen ausbildet (also in Umfangsrichtung wirkt). Da die übliche Blechung des Eisenkreises keinen Einfluss auf den elektrischen Widerstand des Blechpaketes in Umfangsrichtung besitzt, werden bei diesen Maschinen Wirbelströme im Stirnbereich des Blechpaketes und damit wiederum zusätzliche Verluste erzeugt. In der Folge mindert sich das nutzbare Moment bzw. die nutzbare Einschaltdauer der Maschine bei hoher Belastung.By the inhomogeneous saturation of the "iron circle", that is the stator and / or rotor, therefore, the electric machine is in its maximum moment limi- ted early. About that addition, it is disadvantageous that the vector of the caused by the winding head electrical Field not like the rest Part of the laminated core with the surface normal the electrical panels coincide (ie acts in the axial direction), but perpendicular to the surface normal forms (thus acts in the circumferential direction). Because the usual sheet metal of the iron circle does not affect the electrical resistance has the laminated core in the circumferential direction, are eddy currents in the forehead area in these machines the laminated core and thus in turn generates additional losses. In As a result, the usable torque or the usable duty cycle decreases the machine at high load.

Bei bekannten elektrischen Maschinen werden über die gesamte Statorlänge und/oder Rotorlänge gleich bleibende Blechqualitäten verwendet (siehe beispielsweise DE 199 53 291 A1 ). Die Bleche werden wegen des Wicklungsaufbaus jedoch über die Länge ungleichmäßig magnetisch ausgenutzt. Das wickelkopfseitige Ende oder die wickelkopfseitigen Enden des Stators oder Rotors werden magnetisch stärker ausgenutzt, beansprucht oder gesättigt als der – in axialer Richtung – mittlere Teil – des Stators oder Rotors.In known electrical machines consistent sheet metal qualities are used over the entire stator length and / or rotor length (see for example DE 199 53 291 A1 ). However, the sheets are due to the winding structure over the length is unevenly magnetically exploited. The winding-side end or the winding-side ends of the stator or rotor are magnetically more utilized, stressed or saturated than the - in the axial direction - middle part - of the stator or rotor.

Die am Beispiel des Statorkreises aufgezeigten Nachteile des Standes der Technik gelten für den Rotorkreis sinngemäß, wobei sich diese Effekte vor allem beim Kurzschlussläufer der Asynchronmaschine negativ auf das Betriebsverhalten der Maschine auswirken. Da die magnetische Energie des Rotors wie auch die in Verluste umgesetzte Energie aus dem Stator über den Luftspalt übertragen werden, verursachen vorzeitige Sättigung von Bereichen des Rotors als auch Wirbelstromverluste des Rotorbleches eine direkte Verminderung der elektromechanischen Energiewandlung und damit der Leistungsfähigkeit der Maschine.The on the example of the stator circuit indicated disadvantages of the state the technique applies to the rotor circuit mutatis mutandis, wherein These effects are mainly due to the squirrel cage rotor of the asynchronous machine negatively affect the performance of the machine. Because the magnetic energy of the rotor as well as those converted into losses Energy from the stator over transmit the air gap be cause premature saturation of areas of the rotor as well as eddy current losses of the rotor plate a direct reduction of electromechanical energy conversion and thus the efficiency of the Machine.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine elektrische Maschine anzugeben, die einen hohen Wirkungsgrad hat und wirtschaftlich hergestellt werden kann.Of the Invention is the object of an electric machine which has a high efficiency and are produced economically can.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.These The object is solved by the features of the independent claims. advantageous Further developments of the invention are the dependent claims remove.

Gemäß der Erfindung wird zumindest ein, insbesondere in axialer Richtung wickelkopfnahes, Ende oder Endbereich eines Stators bzw. Rotors einer elektrischen Maschine anders ausgeführt als die Mitte oder der mittlere Bereich des Stators bzw. Rotors. Vorzugsweise werden mehrere, insbesondere alle, in axialer Richtung wickelkopfnahen Enden eines Stators und/oder Rotors anders ausgeführt als die Mitte oder der mittlere Bereich des Stators und/oder Rotors. Insbesondere wird zumindest ein Blechpaket am Ende eines Stators bzw. Rotors einer elektrischen Maschine anders ausgeführt als zumindest ein Blechpaket in der Mitte des Stators bzw. Rotors. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen können selbstverständlich am Stator und/oder Rotor an einem oder an mehreren Enden umgesetzt werden.According to the invention becomes at least one, in particular in the axial direction winding near the end or end portion of a stator or rotor of an electric machine executed differently as the center or middle region of the stator or rotor. Preferably, several, in particular all, in the axial direction Winding close ends of a stator and / or rotor designed differently than the Center or middle region of the stator and / or rotor. Especially is at least one laminated core at the end of a stator or rotor an electric machine designed differently than at least one laminated core in the middle of the stator or rotor. The measures according to the invention Of course you can Stator and / or rotor implemented at one or more ends become.

Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, die durch den Wickelkopf im Rotor oder Stator verursachten Verluste (beispielsweise Magnetisierungsverluste oder Wirbelstromverluste) zu reduzieren. Da Maßnahmen zur Verhinderung der genannten Verluste in der Regel mit Aufwand verbunden sind, ist es wirtschaftlich, diese Maßnahmen nicht bezogen auf den gesamten Stator oder Rotor durchzuführen. Weil am Ende eines Stators bzw. Rotors die durch den Wickelkopf im Rotor oder Stator verursachten Verluste effektiver verhindert werden können als in der Mitte des Stators bzw. Rotors, wird zumindest ein Ende oder der Endbereich eines Stators bzw. Rotors einer elektrischen Maschine anders ausgeführt als die Mitte oder der mittlere Bereich des Stators bzw. Rotors.The Invention is based on the idea of the winding head in the Rotor or stator caused losses (for example magnetization losses or eddy current losses). Because measures to prevent the mentioned losses are usually associated with effort It's economical, these measures not related to the entire stator or rotor perform. Because on End of a stator or rotor through the winding head in the rotor or stator caused losses can be more effectively prevented than in the middle of the stator or rotor, at least one end or the end region of a stator or rotor of an electrical machine executed differently as the center or middle region of the stator or rotor.

Vorzugsweise werden die Mitte (oder der mittlere Bereich) eines erfindungsgemäßen Stators bzw. Rotors und ein Ende (oder ein Endbereich) eines erfindungsgemäßen Stators bzw. Rotors derart verschieden ausgeführt, dass die durch den Wickelkopf am Ende eines erfindungsgemäßen Stators bzw. Rotors verursachten Verluste reduziert sind gegenüber den Verlusten, die ein Wickelkopf am Ende eines Stators bzw. Rotors verursachen würde, wenn das Ende des Stators bzw. Rotors gemäß der Mitte eines erfindungsgemäßen Stators bzw. Rotors ausgeführt wäre.Preferably be the center (or the central region) of a stator according to the invention or Rotor and one end (or an end portion) of a stator according to the invention or rotor designed so different that the through the winding head at the end of a stator according to the invention or Rotors caused losses are reduced compared to the Losses, the winding head at the end of a stator or rotor would cause when the end of the stator or rotor according to the center of a stator according to the invention or rotor executed would.

Insbesondere sind das Ende und die Mitte des Stators oder Rotors derart verschieden zueinander ausgeführt, dass die durch einen vorgegebenen Strom in Umfangsrichtung in vorgegebener Entfernung verursachten Verluste am Ende eines Stators oder Rotors geringer sind, als sie in der Mitte des Stators oder Rotors bei gleichem Strom in Umfangsrichtung in gleicher Entfernung wären.Especially For example, the end and center of the stator or rotor are so different executed to each other, that by a given current in the circumferential direction in predetermined Distance caused losses at the end of a stator or rotor lower than they are in the middle of the stator or rotor at same current in the circumferential direction at the same distance would be.

Alternativ oder zusätzlich wird zumindest ein Endbereich eines Stators bzw. Rotors hinsichtlich Kosten oder Herstellungsaufwand aufwändiger ausgeführt als der mittlere Bereich.alternative or additionally is at least an end portion of a stator or rotor in terms of cost or production costs more complex accomplished as the middle area.

Das Ende oder der Endbereich eines Stators oder Rotors erstreckt sich dabei vorzugsweise über mindestens 1%, 2%, 3% 4%, 5%, 7% oder 9% und/oder über höchstens 4%, 5%, 6%, 7%, 9%, 10%, 12%, 15%, 20%, 25%, 30% oder 40% der Gesamtlänge des Stators oder Rotors in axialer Richtung.The End or end portion of a stator or rotor extends preferably at least over 1%, 2%, 3% 4%, 5%, 7% or 9% and / or more than 4%, 5%, 6%, 7%, 9%, 10%, 12%, 15%, 20%, 25%, 30% or 40% of the total length of the Stators or rotors in the axial direction.

Die Mitte oder der mittlere Bereich eines Stators oder Rotors erstreckt sich dabei vorzugsweise über mindestens 1%, 2%, 3% oder 5% und/oder über höchstens 3%, 5%, 6%, 7%, 9%, 10%, 12%, 15%, 20%, 25%, 30% oder 40% der Gesamtlänge des Stators oder Rotors in axialer Richtung.The Center or the central region of a stator or rotor extends is preferably about at least 1%, 2%, 3% or 5% and / or more than 3%, 5%, 6%, 7%, 9%, 10%, 12%, 15%, 20%, 25%, 30% or 40% of the total length of the Stators or rotors in the axial direction.

Besonders bevorzugt wird ein Stator oder Rotor im Rahmen der Erfindung so verstanden, dass er eine Wicklung trägt, aber nicht umfasst. Dabei wird die Wicklung mittelbar oder unmittelbar vorzugsweise derart durch den Stator oder Rotor getragen, dass ein Teil der Wicklung als Wickelkopf in axialer Richtung über den Rotor oder Stator hinausragt. Der Wickelkopf kann auch als Kurzschlussring ausgeführt sein.Especially a stator or rotor is preferably used in the context of the invention understood that he wears a winding but does not include it. there the winding is directly or indirectly preferably so worn by the stator or rotor that part of the winding protrudes as a winding over the rotor or stator in the axial direction. The winding head can also be designed as a short-circuit ring.

Beispielsweise teilt die Mitte des Stators oder Rotors den Stator oder Rotor in axialer Richtung im Wesentlichen in der Mitte. Der mittlere Bereich des Stators oder Rotors umfasst vorzugsweise die Mitte des Stators oder Rotors.For example divides the center of the stator or rotor into the stator or rotor axial direction substantially in the middle. The middle area of the stator or rotor preferably comprises the center of the stator or rotor.

Vorteilhafterweise umfasst der Stator bzw. Rotor zumindest ein erstes und ein zweites Blechpaket, die zueinander verschieden ausgeführt sind, wobei zumindest ein Ende des Stators bzw. Rotors ein erstes Blechpaket umfasst (oder dadurch gebildet ist), und die Mitte des Stators oder Rotors ein zweites Blechpaket umfasst (oder dadurch gebildet ist). Dabei sind das erste und das zweite Blechpaket derart zueinander verschieden ausgeführt, dass die durch den Wickelkopf am Ende eines Sta tors bzw. Rotors, das ein erstes Blechpaket umfasst, verursachten Verluste kleiner sind als die Verluste die durch den Wickelkopf am Ende des Stators bzw. Rotors verursacht werden würden, wenn das Ende des Stators bzw. Rotors ein zweites Blechpaket umfassen würde. Das erste und das zweite Blechpaket können zusammen oder mit weiteren Blechen das Blechpaket des Stators bzw. Rotors bilden.advantageously, the stator or rotor comprises at least a first and a second Laminated core, which are designed to be different from each other, wherein at least one End of the stator or rotor comprises a first laminated core (or formed thereby), and the center of the stator or rotor second laminated core comprises (or is formed by). There are the first and the second laminated core so different from each other executed that through the end winding at the end of a Sta gate or rotor, the includes a first laminated core, losses are smaller as the losses caused by the winding at the end of the stator or Rotor would be caused when the end of the stator or rotor comprise a second laminated core would. The first and the second laminated core can together or with other Trays form the laminated core of the stator or rotor.

Vorzugsweise wird zumindest ein Endbereich eines Stators bzw. Rotors derart ausgeführt, dass der elektrische Widerstand in Umfangsrichtung größer ist als im mittleren Bereich des Stators bzw. Rotors. Insbesondere wird der Endbereich eines Stators bzw. Rotors derart ausgeführt, dass der elektrische Widerstand in den Wickelzähnen in Umfangsrichtung größer ist als in den Wickelzähnen im mittleren Bereich des Stators bzw. Rotors.Preferably At least one end region of a stator or rotor is designed in such a way that the electrical resistance in the circumferential direction is greater than in the central region of the stator or rotor. In particular, the end region of a Stators or rotors designed such that the electrical resistance in the winding teeth is larger in the circumferential direction as in the winding teeth in the central region of the stator or rotor.

Dadurch wird erreicht, dass die durch den Wickelkopf in einem Ende eines Stators oder Rotors, insbesondere in den Wickelzähnen, induzierten Wirbelströme reduziert werden, und somit der Wirkungsgrad der Maschine erhöht wird.Thereby is achieved by the winding through the head in one end of a Stators or rotor, especially in the winding teeth, induced eddy currents reduced be, and thus the efficiency of the machine is increased.

Besonders bevorzugt ist der Querschnitt in radialer Richtung, insbesondere der Querschnittsumriss, zumindest eines Endes des Stators oder Rotors, insbesondere eines Wickelzahnes, verschieden zu dem Querschnitt, insbesondere dem Querschnittsumriss, in der Mitte des Stators oder Rotors, insbesondere eines Wickelzahnes, gebildet.Especially preferred is the cross section in the radial direction, in particular the cross-sectional contour, at least one end of the stator or rotor, in particular a winding tooth, different from the cross section, in particular the cross-sectional outline, in the middle of the stator or rotor, in particular a winding tooth, formed.

Um den elektrischen Widerstand in Umfangsrichtung zu erhöhen, weist der Stator oder Rotor an zumindest einem Ende Schlitze, Ausstanzungen oder Segmentstöße in radialer Richtung auf, die er in der Mitte nicht aufweist.Around to increase the electrical resistance in the circumferential direction has the stator or rotor slots at at least one end, punched out or segmental impacts in radial Direction he does not have in the middle.

Diese Schlitze oder Ausstanzungen werden nicht durch die Nut gebildet, sondern liegen beispielsweise in den Wickelzähnen oder in Nutlängsrichtung im Innenumfang oder Außenumfang im Joch des Stators oder Rotors. Die Breite eines Schlitzes, einer Ausstanzung oder eines Segmentstoßes in Umfangsrichtung ist vorzugsweise kleiner als 20%, 10%, 5% oder 2% der Breite einer Nut in Umfangsrichtung.These Slits or punches are not formed by the groove, but lie for example in the winding teeth or in the groove longitudinal direction in Inner circumference or outer circumference in the yoke of the stator or rotor. The width of a slot, a punching or a segment kick in the circumferential direction is preferably less than 20%, 10%, 5% or 2% of the width of a groove in the circumferential direction.

Dadurch wird der wirksame elektrische Widerstand auch in Umfangsrichtung erhöht und somit die durch den Wickelkopf bzw. Kurzschlußring hervorgerufenen Wirbelstromverluste vermindert.Thereby is the effective electrical resistance in the circumferential direction elevated and thus caused by the winding head or short-circuit ring Eddy current losses reduced.

Beispielsweise werden in Umfangsrichtung segmentierte Bleche eingesetzt, wobei die Stöße zwischen den Blechen durch ihre oxidierte oder beschichtete Oberfläche einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen. Durch die Schlitze oder Ausstanzungen bzw. Einstanzungen, werden Verengungen des Strompfades realisiert. Vorzugsweise befinden sich die Segmentstöße bzw. Ausstanzungen an Orten, welche die Ausbildung des magnetischen Flusses nicht behindern. Es ist jedoch auch möglich, diese Segmentstöße gezielt für die Erhöhung des magnetischen Widerstandes im Wickelkopfbereich einzusetzen; durch diesen zusätzlich wirksamen Luftspalt kann die Magnetisierungskennlinie im Endbereich weiter geschert und an das Magnetisierungsverhalten des Mittelteiles angepasst werden.For example are used in the circumferential direction segmented sheets, wherein the bumps between the sheets by their oxidized or coated surface one have high electrical resistance. Through the slots or Punching or punching, are narrowing of the current path realized. Preferably, the segment shocks or Punching in places, which the formation of the magnetic flux do not hinder. However, it is also possible to target these segment impacts for the increase to use the magnetic resistance in the winding head area; through this addition effective air gap can the magnetization curve in the end further sheared and the magnetization behavior of the middle part be adjusted.

Alternativ dazu kann die Scherung der Magnetisierungskennlinie im Endbereich durch einen in diesem Abschnitt vergrößerten Luftspalt zwischen Stator und Rotor erreicht werden, indem beispielsweise im Endbereich die Statorbleche einen größeren Innendurchmesser und/oder die Rotorbleche einen geringeren Außendurchmesser aufweisen als im Mittelbereich. Als besonderer Vorteil einer derartigen Ausführung zur abschnittsweisen Scherung der Magnetisierungskennlinie ist dabei zu nennen, daß die Variation der Durchmesser der Stator- bzw. Rotorbleche auch nach der Montage des jeweiligen Blechpaketes bzw. nach Fertigstellen des Rotors bzw. Stators einfach ausgeführt (bspw. durch Schleifen, Drehen etc.) werden kann und für die Erzielung der abschnittsweisen Scherung deshalb keine Sonderteile notwendig sind. Dabei kann die Variation abschnittsweise stufenförmig bzw. mit kontinuierlichem Verlauf ausgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist dabei ein Verlauf der über eine der genannten Maßnahmen erzielten effektiven Luftspaltdicke, welcher eine konstante magnetische Flußdichte bezogen auf die axiale Dimension des Blechpaketes zur Folge hat. Dieser Verlauf läßt sich leicht unter Zuhilfenahme der bekannten Zusammenhänge für die Eindringtiefe der elektromagnetischen Welle in das Blechpaket sowie für den magnetischen Widerstand berechnen.alternative In addition, the shear of the magnetization characteristic in the end region can through an enlarged air gap between the stator in this section and rotor can be achieved by, for example, in the end of the Stator sheets a larger inner diameter and / or the rotor laminations have a smaller outer diameter than in the middle area. As a particular advantage of such a design for Sectional shear of the magnetization characteristic is included to call that the variation the diameter of the stator or rotor laminations even after installation of the respective laminated core or after completion of the rotor or Stators simply executed (for example, by grinding, turning, etc.) can be and for the achievement the sectional shearing therefore no special parts necessary are. In this case, the variation can be stepped in stages or be carried out with a continuous course. Especially advantageous is a course of over achieved one of the above measures effective air gap thickness, which is a constant magnetic flux density relative to the axial dimension of the laminated core has the consequence. This course can be easily with the help of the known connections for the penetration depth the electromagnetic wave in the laminated core as well as for the magnetic Calculate resistance.

Bei einer bevorzugten elektrischen Maschine ist das Material zumindest eines Endes des Stators bzw. Rotors verschieden zu dem Material der Mitte des Stators bzw. Rotors gebildet. Insbesondere weist das Material zumindest eines Endes des Stators bzw. Rotors eine höhere Sättigungsinduktion auf als das Material der Mitte des Stators bzw. Rotors. Beispielsweise werden in einem Endbereich Bleche höherer Sättigungsinduktionen verwendet, die beispielsweise zumindest einen Anteil von Kobalt enthalten.at a preferred electric machine, the material is at least one end of the stator or rotor different from the material the center of the stator or rotor formed. In particular, this indicates Material of at least one end of the stator or rotor, a higher saturation induction as the material of the center of the stator or rotor. For example if sheets of higher saturation inductions are used in one end region, which contain, for example, at least a portion of cobalt.

Dadurch wirkt sich eine über die Nutlänge ungleichmäßig starke Magnetisierung nicht mehr im gleichen Maße verlusterhöhend aus und die mit der höheren Blechqualität verbundenen zusätzlichen Kosten sind begrenzt.This affects one over the groove length Uneven magnetization no longer increases losses to the same extent and the additional costs associated with higher sheet metal quality are limited.

Ein Ende des Stators oder Rotors enthält vorzugsweise granulierte und/oder gesintertes Material (beispielsweise Elektroeisen), insbesondere in Kugelform, die der Stator oder Rotor in der Mitte nicht aufweist. Aufgrund der Struktur besitzt dieses Material einen richtungsunabhängigen hohen elektrischen Widerstand. Die Ausbildung von Wirbelströmen in den Endbereichen (Stirnseiten) des Blechpaketes wird dadurch unterdrückt. Die Kombination mit einem Standardaufbau (herkömmliche Ausführung) in der Mitte des Blechpaketes ermöglicht geringe Fertigungskosten.One End of the stator or rotor preferably contains granulated and / or sintered material (eg, electric iron), in particular in spherical form, which does not have the stator or rotor in the middle. Due to the structure of this material has a direction independent high electrical resistance. The formation of eddy currents in the End regions (end faces) of the laminated core is thereby suppressed. The Combination with a standard construction (conventional design) in the center of the laminated core allows low production costs.

Besonders vorteilhaft ist die beschriebene elektrische Maschine dann, wenn der Wickelkopf leistungsdichteoptimiert ausgeführt und/oder angelegt an das Rotorende oder Statorende ausgeführt ist. Dadurch wird zunächst erreicht, dass die elektrische Maschine mit geringem Bauraum realisiert werden kann. Allerdings sind bei leistungsdichteoptimierter und/oder an das Rotorende oder Statorende angelegter Ausführung des Wickelkopfes die durch den Wickelkopf am Rotorende oder Statorende verursachten Verluste besonders groß. Daher sind in diesem Fall die genannten verschiedenen Ausführungen von Statormitte bzw. Rotormitte und Statorende bzw. Rotorende besonders wirksam und vorteilhaft.Especially the electric machine described is advantageous if the winding head is designed to be power density optimized and / or applied to the Rotor end or stator end is executed. This will be first achieved that the electrical machine realized in a small space can be. However, in the case of power density optimized and / or at the rotor end or stator end applied design of the winding head the caused by the winding at the rotor end or stator end losses extraordinary big. Therefore, in this case, the mentioned different embodiments from stator center or rotor center and stator end or rotor end in particular effective and beneficial.

Es können also durch die erläuterten Ausführungen von elektrischen Maschinen der verfügbare Bauraum bzgl. Moment und Dauerleistung besser ausgenutzt werden als bei bekannten Anordnungen. Das maximal erreichbare Moment wird nicht mehr durch vorzeitige Sättigung einzelner Bereiche des Blechpaketes des Stators oder Rotors begrenzt, die Verluste im Bereich des Wickelkopfes werden vermindert. Durch die Anpassung der eingesetzten Materialqualität an die spezifische Belastung ergeben sich bei gleicher Leistungsfähigkeit der Maschine geringere Bauraumbedarfe sowie geringere Systemkosten.It can So by the explained versions of electrical machines the available space regarding. Moment and continuous performance are better utilized than in known arrangements. The maximum achievable moment is no longer due to premature saturation limited to individual areas of the laminated core of the stator or rotor, the losses in the area of the winding head are reduced. By the adaptation of the material quality used to the specific load result in the same performance of the machine lower Space requirements and lower system costs.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren näher erläutert:in the The invention will now be described by way of example with reference to FIG closer to the following figures explains:

1 zeigt zwei Schnittdarstellungen verschiedener Wickelköpfe; 1 shows two sectional views of different winding heads;

2 zeigt eine Schnittdarstellung einer elektrischen Maschine; 2 shows a sectional view of an electric machine;

3 zeigt drei Schnittdarstellungen eines Stators entsprechend Schnittlinie III-III aus 2; 3 shows three sectional views of a stator according to section line III-III 2 ;

4 zeigt den Ausschnitt einer Schnittdarstellung eines Rotors und eines Stators. 4 shows the section of a sectional view of a rotor and a stator.

Die in den Figuren gezeigten Elemente können sich – trotz uneinheitlicher Darstellung – auf die gleiche elektrische Maschine beziehen, können sich aber auch – trotz gleicher Bezugszeichen – auf verschiedene elektrische Maschinen beziehen.The elements shown in the figures can - despite inconsistent presentation - on the same can refer to electrical machine but also - despite the same reference numerals - on refer to various electrical machines.

1a zeigt eine Schnittdarstellung eines herkömmlichen wirkungsgradoptimierten Wickelkopfes WK, beispielsweise eines Kraftwerkes. Der Wickelkopf WK ragt in axialer Richtung ar über den Stator hinaus. Um in dem Ende des Stators S, der den Wickelkopf WK trägt, möglichst wenig Verluste zu induzieren, ist der Wickelkopf WK derart entfernt von dem Ende des Stators S ausgeführt, dass sich – bildhaft ausgedrückt – die von dem Wickelkopf WK erzeugten und im Innenraum IR des Wickelkopfes WK in radialer Richtung verlaufenden Magnetfeldlinien möglichst außerhalb des Stators schließen. 1a shows a sectional view of a conventional efficiency-optimized winding head WK, for example, a power plant. The winding overhang WK projects beyond the stator in the axial direction. In order to induce as few losses as possible in the end of the stator S which carries the winding head WK, the winding head WK is designed so far away from the end of the stator S that, pictorially expressed, those generated by the winding head WK and in the interior IR of the winding head WK in the radial direction extending magnetic field lines close as possible outside the stator.

1b zeigt eine Schnittdarstellung eines leistungsdichteoptimierten Wickelkopfes WK, der eng an dem Ende des Stators S anliegend ausgeführt ist. Dadurch ist zur Verwirklichung einer elektrischen Maschine relativ wenig Bauraum erforderlich. Die durch den Wickelkopf WK im Endbereich des Stators S verursachten Verluste sind aber relativ hoch. 1b shows a sectional view of a power density optimized winding head WK, which is designed to fit tightly against the end of the stator S. As a result, relatively little space is required for the realization of an electrical machine. However, the losses caused by the end winding WK in the end region of the stator S are relatively high.

2 zeigt eine Schnittdarstellung einer elektrischen Maschine EM, mit der die genannten Verluste reduziert werden können. 2 shows a sectional view of an electric machine EM, with which said losses can be reduced.

Die elektrische Maschine EM umfasst einen Stator S, über den an beiden Enden (in axialer Richtung ar) ein Wickelkopf hinaus ragt, und einen Rotor R, über den an beiden Enden (in axialer Richtung ar) ein Kurzschlussring KR hinaus ragt. Zwischen Rotor R und Stator S ist ein Luftspalt LS gebildet. Senkrecht zur axialen Richtung ar ist die radiale Richtung rr dargestellt.The Electric machine EM comprises a stator S, over which at both ends (in axial direction ar) protrudes beyond a winding head, and a rotor R, over the at both ends (in the axial direction ar) a short-circuit ring KR sticks out. Between rotor R and stator S is an air gap LS educated. Perpendicular to the axial direction ar is the radial direction rr shown.

Der Stator S und der Rotor R umfasst eine Vielzahl von Blechpaketen BP, deren Flächennormale der axialen Richtung ar entspricht, und die daher einen elektrischen Widerstand in axialer Richtung ar bewirken.Of the Stator S and the rotor R includes a plurality of laminated cores BP, whose surface normal the axial direction corresponds to ar, and therefore an electrical Resistance in the axial direction ar cause.

Die Endbereiche EB des Stators S und des Rotors R, beispielsweise das oder die Bleche oder Blechpakete in diesem Bereich EB, sind anders ausgeführt als der mittlere Bereich MB des Stators S und des Rotors R.The End regions EB of the stator S and the rotor R, for example the or the sheets or laminations in this area EB, are different accomplished as the middle area MB of the stator S and the rotor R.

3b und 3c zeigen eine Schnittdarstellung des Stators S entsprechend der Linie III aus 2 (Rotor R nicht dargestellt). 3b and 3c show a sectional view of the stator S according to the line III 2 (Rotor R not shown).

3a zeigt einen dazu parallelen Schnitt durch den Mittenbereich MB des Stators S aus 2 (Rotor R nicht dargestellt). Dieser Mittenbereich MB ist beispielsweise entsprechend dem Mittenbereich herkömmlicher Statoren oder Rotoren ausgeführt. Im Innenumfang sind Nuten N bzw. Wickelzähne WZ gebildet, in denen die Wicklung (nicht dargestellt) verläuft, bzw. durch welche die Wicklung getragen wird. 3a shows a parallel section through the center region MB of the stator S. 2 (Rotor R not shown). This center region MB is designed, for example, corresponding to the center region of conventional stators or rotors. In the inner circumference grooves N or winding teeth WZ are formed, in which the winding (not shown) extends, or through which the winding is supported.

3b zeigt den Endbereich EB eines Stators S. Die Wickelzähne weisen in radialer Richtung rr Schlitze SCH1 auf, um den elektrischen Widerstand in Umfangsrichtung ur zu erhöhen. Auch im Joch sind in radialer Richtung im Innenumfang in Verlängerung der Nuten und im Außenumfang Schlitze SCH2 gebildet, um den elektrischen Widerstand in Umfangsrichtung ur zu erhöhen.. 3b shows the end region EB of a stator S. The winding teeth have in the radial direction rr slots SCH1 in order to increase the electrical resistance in the circumferential direction ur. Also in the yoke slots SCH2 are formed in the radial direction in the inner circumference in extension of the grooves and in the outer periphery, in order to increase the electrical resistance in the circumferential direction ur ..

3c zeigt den Endbereich EB eines Stators S, der – anders als der Mittenbereich – aus granulierten gesinterten Eisenkugeln gebildet ist, die ebenfalls unter anderem den elektrischen Widerstand in Umfangsrichtung erhöhen. 3c shows the end region EB of a stator S, which - unlike the center region - is formed of granulated sintered iron balls, which also increase, inter alia, the electrical resistance in the circumferential direction.

4 zeigt den Ausschnitt eines Stators S und eines Rotors R, die durch einen Luftspalt LS voneinander getrennt sind. Dabei wird der Luftspalt L in axialer Richtung, insbesondere am wickelkopfseitigen Ende EB oder an den wickelkopfseitigen Enden des Stators S und/oder Rotors R, kontinuierlich und/oder in einer Stufe oder in mehreren diskreten Stufen, insbesondere monoton, breiter. 4 shows the section of a stator S and a rotor R, which are separated by an air gap LS. In this case, the air gap L in the axial direction, in particular at the winding end side end EB or at the winding end ends of the stator S and / or rotor R, continuously and / or in one stage or in a plurality of discrete stages, in particular monotonically wider.

Claims (11)

Elektrische Maschine (EM) – mit einem Stator (S) und einem Rotor (R), von denen zumindest einer zumindest eine Wicklung trägt, – wobei zumindest eine Wicklung in axialer Richtung an zumindest einem Ende des Stators (S) und/oder Rotors (R) einen Wickelkopf (WK) bildet, und – wobei in axialer Richtung zumindest ein Ende des Stators (S) und/oder Rotors (R) verschieden zu der Mitte des Stators (S) und/oder Rotors (R) gebildet ist.Electric machine (EM) - with a Stator (S) and a rotor (R), of which at least one at least wearing a winding, - in which at least one winding in the axial direction on at least one end the stator (S) and / or rotor (R) forms a winding overhang (WK), and - in which in the axial direction at least one end of the stator (S) and / or Rotor (R) different from the center of the stator (S) and / or rotor (R) is formed. Elektrische Maschine (EM) nach Anspruch 1, – bei der der Stator (S) oder Rotor (R) zumindest ein erstes und ein zweites Blechpaket (BP) umfasst, die zueinander verschieden aus geführt sind, – wobei ein Ende des Stators (S) oder Rotors (R) ein erstes Blechpaket (BP) umfasst und die Mitte des Stators (S) oder Rotors (R) ein zweites Blechpaket (BP) umfasst.Electric machine (EM) according to claim 1, - in the the stator (S) or rotor (R) at least a first and a second Laminated core (BP), which are performed different from each other, - in which one end of the stator (S) or rotor (R) a first laminated core (BP) and the center of the stator (S) or rotor (R) a second Laminated core (BP). Elektrische Maschine (EM) nach Anspruch 2, bei der das erste und das zweite Blechpaket (BP) derart zueinander verschieden ausgeführt sind, dass die durch den Wickelkopf (WK) am Ende eines Stators (S) oder Rotors (R), das ein erstes Blechpaket (BP) umfasst, verursachten Verluste kleiner sind als die durch den Wickelkopf am Ende eines Stators (S) oder Rotors (R) verursachten Verluste, wenn dieses Ende ein zweites Blechpaket umfassen würde.Electric machine (EM) according to claim 2, wherein the first and the second laminated core (BP) are different from one another in such a way accomplished are that through the winding head (WK) at the end of a stator (S) or rotor (R) comprising a first laminated core (BP) Losses are smaller than those due to the winding head at the end of a Stators (S) or Rotors (R) caused losses when this end would include a second laminated core. Elektrische Maschine (EM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest ein Ende des Stators (S) oder Rotors (R) derart ausgeführt ist, dass der elektrische Widerstand in Umfangsrichtung am Ende des Stators (S) oder Rotors (R) größer ist als in der Mitte des Stators (S) oder Rotors (R).Electric machine (EM) according to one of the preceding Claims, at least one end of the stator (S) or rotor (R) in such a way accomplished is that the electrical resistance in the circumferential direction at the end of the stator (S) or rotor (R) is greater than in the middle of Stators (S) or Rotors (R). Elektrische Maschine (EM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Querschnitt in radialer Richtung zumindest eines Endes des Stators (S) oder Rotors (R) verschieden zu dem Querschnitt in der Mitte des Stators (S) oder Rotors (R) gebildet ist.Electric machine (EM) according to one of the preceding Claims, wherein the cross-section in the radial direction of at least one end of the stator (S) or rotor (R) other than the cross section in FIG the center of the stator (S) or rotor (R) is formed. Elektrische Maschine (EM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Stator (S) oder Rotor (R) an zumindest einem Ende Schlitze (SCH1, SCH2), Ausstanzungen oder Segmentstöße in radialer Richtung aufweist, die der Stator (S) oder Rotor (R) in der Mitte nicht aufweist.Electric machine (EM) according to one of the preceding Claims, in which the stator (S) or rotor (R) has slots (SCH1, SCH1) at at least one end SCH2), punches or segment impacts in the radial direction, which does not have the stator (S) or rotor (R) in the middle. Elektrische Maschine (EM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Material zumindest eines Endes des Stators (S) oder Rotors (R) verschieden zu dem Material der Mitte des Stators (S) oder Rotors (R) gebildet ist.Electric machine (EM) according to one of the preceding Claims, wherein the material of at least one end of the stator (S) or Rotor (R) different from the material of the center of the stator (S) or rotor (R) is formed. Elektrische Maschine (EM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Material zumindest eines Endes des Stators (S) oder Rotors (R) eine höhere Sättigungsinduktion aufweist als das Material der Mitte des Stators (S) oder Rotors (R).Electric machine (EM) according to one of the preceding Claims, wherein the material of at least one end of the stator (S) or Rotor (R) a higher saturation induction has as the material of the center of the stator (S) or rotor (R). Elektrische Maschine (EM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest ein Ende des Stators (S) oder Rotors (R) granulierte und/oder gesintertes Material, insbesondere in Kugelform, enthält oder daraus besteht, das des Stator (S) oder Rotor (R) in der Mitte nicht aufweist..Electric machine (EM) according to one of the preceding Claims, at the at least one end of the stator (S) or rotor (R) granulated and / or sintered material, in particular in spherical form, containing or this is not the case of the stator (S) or rotor (R) in the middle having.. Elektrische Maschine (EM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wickelkopf (WK) leistungsdichteoptimiert ausgeführt und/oder angelegt an das Rotorende oder Statorende ausgeführt ist.Electric machine (EM) according to one of the preceding Claims, in which the winding head (WK) designed and / or created kraftdichteoptimiert is carried out at the rotor end or stator end. Elektrische Maschine (EM) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Luftspalt (LS) zwischen Stator (S) und Rotor (R) in axialer Richtung zumindest an einem Ende des Stators (S) und/oder Rotors (R) in Richtung Wickelkopf zunimmt.Electric machine (EM) according to one of the preceding Claims, in which the air gap (LS) between stator (S) and rotor (R) in axial direction at least at one end of the stator (S) and / or Rotor (R) increases toward the winding head.
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