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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor oder
Stator und Magneten, wobei der Rotor oder Stator mehrere Nuten aufweist,
zwischen denen in Umfangsrichtung betrachtet jeweils ein Pol ausgebildet
ist, der mindestens eine Kerbe aufweist.
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Stand der Technik
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Eine
elektrische Maschine der eingangs genannten Art ist zum Beispiel
als Gleichstrommotor bekannt. Der Rotor dieses Gleichstrommotors
weist einen Anker mit mehreren Nuten auf. Zwischen jeweils zwei
Nuten ist ein Pol beziehungsweise Zahn ausgebildet, wobei mindestens
einer der Pole an seinem Polkopf (Zahnkopf) eine Kerbe aufweist.
Diese Kerbe am Zahnkopf dient zur Positionierung des Stators bei
seiner Bewicklung und ist zum Beispiel als Mittelkerbe ausgebildet.
Durch die umfänglich
angeordneten Nuten des Ankers werden bei elektrischen Maschinen
wie zum Beispiel Gleichstrommotoren Rastmomente erzeugt. Diese verursachen
im Betrieb Geräusche.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei
der erfindungsgemäß ausgestalteten
elektrischen Maschine ist vorgesehen, dass die Kerben bezogen auf
eine Rastphase, die sich aus den Nutpositionen und der Anzahl der
Magnete ergibt, zur Rastmomentreduzierung außerphasig angeordnet sind.
Weist die elektrischen Maschine die Nuten und die Pole (Zähne) am
Rotor auf, so handelt es sich um Außenpole (Außenzähne), die am Außenumfang
des Rotors in einem Polkopf (Zahnkopf) enden. Handelt es sich um
eine elektrische Maschine, deren Stator die Nuten und Pole aufweist,
so sind die Pole (Zähne)
als Innenpole (Innenzähne)
ausgebildet, die am Innenumfang des Stators in Polköpfen (Zahnköpfen) enden.
Durch die Nutung des Rotors oder Stators der elektrischen Maschine
werden Rastmomente erzeugt. Diese Rastmomente verursachen im Betrieb
Geräusche,
deren Rastmomentamplituden durch die zusätzliche Kerben am Innenumfang
des Stators beziehungsweise dem Außenumfang des Rotors beeinflusst
werden können.
Je nach Position und Breite dieser Kerben an den Polköpfen (Zahnköpfen) wird
die Rastmomentamplitude mindestens einer Rastmomentordnung vermindert
oder vergrößert. Durch
Kerben an definierten Positionen der Pole können gezielt einzelne Rastmomentordnungen
reduziert werden. Dazu werden eine oder bevorzugt mehrere Kerben
pro Pol (Zahn) so angeordnet, dass sie eine außerphasige Lage zu den Nuten
beziehungsweise deren Nutöffnungen
am Umfang des Rotors oder Stators haben. Die entsprechende Rastphase
ergibt sich aus den Nutpositionen der Nuten und der Anzahl und Anordnung
der Magnete. Für
die Rastphase R gilt mit der Rastmomentordnung O, der Anzahl M der
Magnete und der Anzahl N der Nuten:
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Die
Rastmomentordnung Null entspricht dabei einer Rastmomentgrundordnung
mit O = 0. Für
die erste (höhere)
Rastmomentordnung gilt O = 1, für
die zweite (höhere)
Rastmomentordnung gilt O = 2. Eine mitphasige Anordnung der Kerben
in Phase mit den Nutöffnungen
ist eine Anordnung, bei der die Kerben einen umfänglichen Abstand zu den Nutöffnungen
entsprechend einer Rastphase oder einem vielfachen der Rastphase
haben. Eine außerphasige
Anordnung ist eine Anordnung, die – bezogen auf die Rastmomentordnung – nicht
in Rastphase ist. Durch eine außerphasige
Anordnung der Kerben werden die Rastmomentordnungen über einen
größeren Frequenzbereich „ausgeschmiert", sodass die Amplituden
der Geräusche
bei den Frequenzen, die sich aus Rastmomentordnung und Drehzahl
ergeben, selbst erniedrigt werden. Dadurch kann die Geräuschentwicklung
der elektrischen Maschine derart beeinflusst werden, dass das resultierende
Geräusch
zum Beispiel als angenehm empfunden wird.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass die Kerben gegenphasig zu den Positionen der
Nuten angeordnet sind. Weist der Rotor oder Stator zum Beispiel
zehn Nuten (N = 10) und die elektrische Maschine sechs mit dem Rotor
oder Stator wechselwirkende Magnete (M = 6) aus, so ist die Rastmomentgrundordnung
die dreißigste Ordnung. Über diese
Rastmomentgrundordnung und die Drehzahl der elektrischen Maschine
ergibt sich eine Grundfrequenz des Geräuschs durch die Rastmomente.
Zusätzlich
zu dieser Grundfrequenz ergeben sich charakteristische Oberwellen
höherer
Rastmomentordnung. Ist die Rastmomentgrundordnung zum Beispiel die
dreißigste
Ordnung, so sind die höheren
Ordnungen die sechzigste Ordnung, die neunzigste Ordnung, usw..
Dabei sind die Positionen benachbarter Nuten beziehungsweise deren
Nutöffnungen
bei zehn Nuten um 36° umfänglich gegeneinander
verschoben. Hat eine der Nuten die Position bei 0°, so sind
die mitphasigen Positionen der Grundordnung bei zehn Nuten und sechs
Magneten bei 0°,
12°, 24° und 36°. Für die mitphasigen
Positionen der ersten höheren
Ordnung halbiert sich der Phasenabstand, für die Phasen der zweiten höheren Ordnung
ist der Phasenabstand ein Drittel des Phasenabstands der Grundordnung.
Die gegenphasigen Positionen für
jede der Rastmomentordnungen liegen auf halbem Weg zwischen den
mitphasigen Positionen der entsprechenden Rastmomentordnung.
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Mit
Vorteil ist vorgesehen, dass die gegenphasige Anordnung der Kerben
auf die Rastmomentgrundordnung bezogen ist. Die Rastmomentgrundordnung
besitzt die größte Rastmomentamplitude,
sodass die gegenphasige Anordnung der Kerben (in Gegenphase zur
Rastmomentgrundordnung) eine Reduzierung des resultierenden Geräuschs der
Grundfrequenz durch destruktive Interferenz verursacht.
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Mit
Vorteil ist vorgesehen, dass die gegenphasige Anordnung der Kerben
auf eine höhere
Rastmomentordnung bezogen ist. Stört insbesondere eine der Oberwellen
des Geräuschs,
so kann die entsprechende höhere
Rastmomentordnung durch die gegenphasige Anordnung der Kerben bezogen
auf diese höhere
Rastmomentanordnung gezielt verändert
werden. Bei einer elektrischen Maschine mit zehn Nuten (N = 10)
und sechs Magneten (M = 6) ist die Rastmomentgrundordnung („Nullte” Rastmomentordnung)
die dreißigste
Ordnung. Die erste (höhere)
Rastmomentordnung ist die sechzigste Ordnung. Die mitphasigen Positionen
in Rastphase dieser ersten höheren
Ordnung sind dann bei 0°,
360°/60,
2 × 360°/60..., 36°. Die gegenphasigen
Positionen (auf halber Höhe
zwischen den mitphasigen Positionen der ersten höheren Ordnung (sechzigste Ordnung)
sind bei 0,5 × 360°/60, 1,5 × 360°/60, 2,5 × 360°/60, ...,
39°.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass die Kerben – in Umfangsrichtung betrachtet – eine Kerbenbreite
aufweisen und die Summe der Quadrate der Kerbenbreiten eines Pols
in etwa dem halben Quadrat einer Nutöffnungsbreite einer Nut entspricht.
Zur Reduzierung des Rastmoments reicht eine Kerbenbreite aus, die
deutlich kleiner gewählt
ist, als die Nutöffnungsbreite
der Nutöffnungen.
Mit zunehmender Anzahl der Kerben pro Pol (Zahn) kann die Kerbenbreite
noch weiter reduziert werden.
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Mit
Vorteil ist vorgesehen, dass jeder Pol zwei Kerben aufweist. Ein
Pol mit zwei Kerben ergibt eine besonders einfach realisierbare
Anordnung zur Rastmomentreduzierung.
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Alternativ
ist vorgesehen, dass jeder Pol vier Kerben aufweist. Bei vier Kerben
pro Pol können
die Kerbenbreiten schmal gewählt
werden.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass die Anzahl der Nuten zehn (N = 10) und die
Anzahl der Magnete sechs ist (M = 6). Eine elektrische Maschine
mit sechs Magneten und einem Rotor oder einem Stator mit zehn Polen ist
eine gängige
elektrische Maschine. Diese kann zum Beispiel als Gleichstrommotor
ausgebildet sein, dessen Rotor zehn Pole aufweist.
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Schließlich ist
vorgesehen, dass die elektrische Maschine ein Elektromotor, insbesondere
ein Gleichstrommotor ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
nicht erfindungsgemäßen Rotor
eines Gleichstrommotors mit zehn Nuten und zehn Polen ohne Kerben,
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2 einen
Ausschnitt eines Stators mit jeweils einer als Mittelkerbe ausgebildeten
Kerbe pro Pol,
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3 einen
Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors
nach einem ersten Ausführungsbeispiel
und
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4 einen
Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors
nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die 1 zeigt
einen Anker 1 eines Rotor 2 einer als Gleichstrommotor
ausgebildeten elektrischen Maschine 3. Der Anker 1 ist
als vorwiegend zylinderförmiges
Blechpaket ausgebildet, das in seinem Außenumfang 5 zehn Nuten 6 (N
= 10) aufweist, zwischen denen – in
Umfangsrichtung betrachtet – jeweils
ein Pol 7 ausgebildet ist. Diese Pole 7 werden
auch als Zähne
bezeichnet. Jeder der Pole 7 weist am Außenumfang 5 des
Ankers 1 beziehungsweise des Stators 2 einen verbreiterten
Polkopf 8 auf, der eine Durchmesserkontur aufweist. Die
verbreiterten Polköpfe 8 bilden
verengte Nutöffnungen 9 der
Nuten 6. Die Nutöffnungen
befinden sich – in
Umfangsrichtung gesehen – auf
den Positionen 0°,
36°, 72°, ..., 324°. Die Pole 7 (Zähne) finden
sich auf Positionen bei 18°,
54°, 90°, ..., 342°. Weist die
elektrische Maschine 3 sechs nicht dargestellte Magnete auf
(M = 6), so ergibt sich als Rastmomentgrundordnung die dreißigste Ordnung,
als erste höhere
Rastmomentordnung die sechzigste Ordnung, als zweite höhere Ordnung
die neunzigste Ordnung, usw.. Die mitphasige Positionen für die Rastmomentgrundordnung
sind dann bei 0° (360/30)°, (2 × 360/30)°, ..., 36°, usw.. Die Positionen
der gegenphasigen Anordnung für
die Rastmomentgrundordnung liegen bei (0,5 × 360/30)°, (1,5 × 360/30)°, (2,5 × 360/30)° ..., 42°. Der Anker der 1 weist
an entsprechenden gegenphasigen Positionen jedoch keine Kerben 11 auf.
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Die 2 zeigt
einen Ausschnitt eines Ankers 1 eines Rotors 2,
der im Wesentlichen dem Rotor 2 der 1 entspricht,
sodass hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Die
Polköpfe 8 der
Pole 7 des Ankers 1 der 2 weisen
jeweils eine als Mittelkerbe 10 ausgebildete Kerbe 11 in
der Mitte jedes der Polköpfe 8 auf.
Diese Mittelkerben 10 dienen zur Positionierung des Blechpakets 4 bei
dessen Bewicklung mit nicht dargestelltem Wicklungsdraht.
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Die 3 zeigt
einen Ausschnitt eines Ankers 1 eines Rotors 2,
der im Wesentlichen dem Rotor der 1 entspricht,
sodass hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Der
Rotor 2 ist Teil einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 3,
deren nicht dargestellter Stator sechs Magnete aufweist. Jede der Pole 7 weist
an seinem Polkopf 8 vier Kerben 11 auf. Die Kerben 11 sind
Kerben 12, 13 zur Rastmomentreduzierung, die gegenphasig
zur ersten höheren
Rastmomentordnung der elektrischen Maschine mit sechs Magneten (M
= 6) und zehn Polen (N = 10) angeordnet sind. Die gegenphasigen
Positionen der ersten höheren Rastmomentordnung
für diese
elektrische Maschine 3 liegen bei (0,5 × 360/60)°, (1,5 × 360/60)°, 2,5 × 360/60°, ..., 39°. Die mitphasigen Positionen
für die
erste höhere
Rastmomentordnung liegen bei 0°,
(360/60)°, (2 × 360/60)°, ..., 36°. Die Nutöffnung 9 weist
eine Nutöffnungsbreite
N und die Kerben 12, 13 zur Rastmomentreduzierung
Kerbenbreiten K1, K2 auf. Dabei entspricht die Summe der Quadrate
der Kerbenbreiten K1, K2 eines Pols 7 ungefähr dem halben
Quadrat der Nutöffnungsbreite
N. Durch die Position und Breite der Kerben 12, 13 zur
Rastmomentreduzierung wird die Rastmomentamplitude der ersten höheren Rastmomentordnung reduziert.
Im Beispiel der 3 und der 4 ist
dies die sechzigste Ordnung.
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Die 4 zeigt
einen Ausschnitt eines Ankers 1 eines Rotors 2 in
einem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Der Anker 1 entspricht im Wesentlichen dem Anker
der elektrischen Maschine 3 der 3, sodass
hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Ebenso wie
der Rotor 2 der 3 weist der Rotor 2 der 4 Kerben 12 zur
Rastmomentreduzierung der ersten höheren Rastmomentordnung einer
elektrischen Maschine 3 mit sechs Magneten (M = 6) und
zehn Polen (N = 10) auf. Die Position der Kerben 12 zur Rastmomentreduzierung
der 4 entspricht der Position der Kerben 12 zur
Rastmomentreduzierung der 3. Lediglich
die Kerbenbreite K1 der Kerben 12 sind im Ausführungsbeispiel
der 4 gegenüber
dem Ausführungsbeispiel
der 3 erhöht,
sodass die Summe der Quadrate der Kerbenbreiten K1 eines Pols 7 in etwa
dem halben Quadrat einer Nutöffnungsbreite
N einer Nut 7 entspricht. Im Ausführungsbeispiel der 4 ist
nicht an jeder gegenpgasigen Position eine Kerbe 11 angeordnet.
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Die
elektrische Maschine 3 kann alternativ auch einen Stator
mit Polen aufweisen, die an ihren Polköpfen 8 Kerben 12, 13 zur
Rastmomentreduzierung aufweisen. Die Polköpfe 8 des Stators
sind dabei am Innenumfang des Stators angebracht. Die Berechnung
der Rastmomentgrundordnung und der höheren Rastmomentordnungen ergibt
sich analog aus der Anzahl der Nuten 6 beziehungsweise
Pole 7 und der Anzahl der Magnete.