DE102008051047A1

DE102008051047A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102008051047A1
Application number: DE102008051047A
Authority: DE
Inventors: Gurakuq Dajaku
Original assignee: FEAAM GmbH
Current assignee: FEAAM GmbH
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2008-10-09
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2028-10-10
Also published as: US20120001512A1; US8536754B2; WO2010040785A2; CN102177640A; CN102177640B; DE102008051047B4; WO2010040785A3

Abstract

Vorliegend ist eine elektrische Maschine, umfassend einen Stator (1) und einen relativ zum Stator beweglichen Rotor (2) angegeben. Der Stator (1) weist eine verdoppelte Anzahl von Nuten (3) bezüglich einer Polpaarzahl p des Rotors auf. Dies ist kombiniert mit einer unterschiedlichen Windungszahl (n1, n2) pro Phasenwicklung oder mit einer unterschiedlichen Zahnbreite (Z1, Z2) von zwischen benachbarten Nuten (3) gebildeten Zähnen (6, 7) des Stators.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine
Elektrische Maschinen umfassen üblicherweise einen gehäusefesten Stator sowie einen relativ dazu beweglichen Rotor. Der Rotor kann beispielsweise bezüglich des Stators drehbar gelagert oder linear dazu verschiebbar sein. Elektrische Maschinen werden den elektro-mechanischen Energiewandlern zugeordnet. Dabei können sie motorisch oder generatorisch arbeiten.
Beispielsweise können elektrische Maschinen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Hierbei ist es wünschenswert, bestimmte Eigenschaften des Betriebsverhaltens der elektrischen Maschine zu erzielen. Zu diesen Eigenschaften werden das Drehmoment, die akustischen Eigenschaften, die Verluste im Eisen, die Verluste in Permanentmagneten, falls diese eingesetzt werden, sowie die Verluste in Wicklungen gezählt.
Elektrische Maschinen mit konzentrierten Wicklungen zeichnen sich durch kompaktes Design gegenüber solchen mit verteilten Wicklungen aus. Wicklungstypen wie die Bruchlochwicklung, englisch: fractional slot winding, erlauben unterschiedliche Kombinationen der Polpaarzahl und der Anzahl der Nuten. Als Polpaarzahl wird dabei die Anzahl der Polpaare im Rotor verstanden, während die Nuten im Stator zur Aufnahme der Wicklungen dienen.
Bei elektrischen Maschinen in Fahrzeugantrieben sind unter den Mehrphasenmaschinen diejenigen mit drei elektrischen Pha sen am weitesten verbreitet. Eine Dreiphasenmaschine ist dabei ein an ein elektrisches Dreiphasensystem mit drei zueinander um jeweils 120° phasenverschobenen Phasen anschließbar.
Jedes magnetische Polpaar im Rotor umfasst zwei magnetische Pole, einen Nordpol und einen Südpol.
Die Anzahl der Nuten pro Pol und pro Phase ist definiert als q = QS/(2·p·m),wobei m die Anzahl der Phasen, Q_S die Anzahl der Nuten und p die Anzahl der Polpaare bezeichnet.
In dem Dokument US 2007/0194650 A1 ist eine elektrische Maschine mit zwölf Nuten und zehn Polen beschrieben. Bei einer derartigen Maschine ist die vom Stator im Betrieb hervorgerufene magnetomotorische Kraft MMK, englisch: magnetomotive force, MMF, nicht gemäß einer einfacher Sinuswelle verteilt. Vielmehr wird bei einer Analyse der magnetomotorischen Kraft und ihrer harmonischen Komponenten, beispielsweise mit einer Fourier-Zerlegung, deutlich, dass zahlreiche unerwünschte harmonische Komponenten auftreten. Dabei sind alle harmonischen Komponenten außer derjenigen, die als Arbeitswelle der elektrischen Maschine genutzt wird, unerwünscht, da diese zu Verlusten führen können und zudem unerwünschte akustische Beeinträchtigungen verursachen können.
Daher ist es wünschenswert, die unerwünschten harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft zu reduzieren oder zu eliminieren.
Die Arbeitswelle kann auch als synchronisierte Komponente bezeichnet werden. Das Drehmoment einer elektrischen Maschine kann aus der elektrischen Lastverteilung, oder der Verteilung der magnetomotorischen Kraft, und der Flussdichteverteilung berechnet werden. Drehmoment wird erzeugt, wenn die Ordnungszahl der Welle der magnetomotorischen Kraft und die Ordnungszahl einer Welle der Flussdichte zusammenfallen.
Um ein zeitunabhängiges Drehmoment zu erzeugen, muss die Anzahl der Polpaare des Rotors bei der betrachteten Minimalsymmetrie mit der Ordnungszahl der Hauptwelle der magnetomotorischen Kraft bezogen auf diese Symmetrie zusammenfallen. Die erforderliche Symmetrie kann beispielsweise auf dem Viertelumfang oder dem halben Umfang einer rotieren elektrischen Maschine gegeben sein.
Als Arbeitswelle muss dabei nicht notwendigerweise die Grundwelle, sondern kann auch eine harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft, die von höherer Ordnung ist, zur Anwendung kommen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Maschine anzugeben, bei der unerwünschte Komponenten der Fourier-Zerlegung der magnetomotorischen Kraft reduziert sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind jeweils in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
In einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine einen Stator und einen relativ zum Stator beweglichen Rotor, der eine Polpaarzahl aufweist. Der Stator umfasst zumindest eine erste und zumindest eine zweite elektrische Wicklung einer gemeinsamen elektrischen Phase. Der Stator weist eine verdoppelte Anzahl von Nuten bezüglich der bei gegebener Polpaarzahl des Rotors mindestens erforderlichen Anzahl von Nuten auf. In einer Nut des Stators ist die Anzahl von Windungen der ersten elektrischen Wicklung verschieden von einer Anzahl von Windungen der zweiten elektrischen Wicklung in dieser Nut.
Beispielsweise sind bei einer Maschine mit 10 Polen mindestens 12 Nuten erforderlich, so dass bei dieser gegebenen Polzahl eine Verdopplung der Anzahl der Nuten in einer Anzahl von 24 Nuten resultiert.
Bei einer Maschine mit 14 Polen sind ebenfalls mindestens 12 Nuten erforderlich, so dass eine Verdopplung der Anzahl von Nuten nach dem vorgeschlagenen Prinzip in diesem Beispiel zu einer elektrischen Maschine mit 14 Polen und ebenfalls 24 Nuten führt.
Bei der mindestens erforderlichen Anzahl von Nuten wird bevorzugt von einer konzentrierten Wicklung ausgegangen, die um je einen Zahn des Stators gewickelt ist. Dabei braucht nicht jeder Zahn eine Wicklung tragen.
Die vorgeschlagene Kombination der Verdopplung der Nutenzahl mit einer unterschiedlichen Windungszahl von Wicklungen in einer Nut ermöglicht es, insbesondere die Harmonischen mit niedriger Ordnungszahl praktisch auf null zu eliminieren.
Insbesondere die Harmonische der Ordnungszahl 1, die dann, wenn als Arbeitswelle eine höhere Harmonische verwendet wird, als Subharmonische auftritt, kann mit dem vorgeschlagenen Prinzip signifikant reduziert werden.
Die Anzahl von Windungen der ersten elektrischen Wicklung kann in einem Intervall zwischen einschließlich 0,5 und 1 multipliziert mit der Anzahl von Windungen der zweiten elektrischen Wicklung liegen.
Weiter bevorzugt ist in jeder Nut des Stators eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung angeordnet, wobei diese Wicklungen eine unterschiedliche Windungszahl aufweisen.
Die Verdopplung der Anzahl von Nuten im Stator ist bevorzugt auf die mindestens erforderliche Anzahl von Nuten bei einer Wicklungstopologie bezogen, welche eine Wicklung mit zwei Teilwicklungen umfasst, bei der die Teilwicklungen elektrisch miteinander verbunden und mechanisch zueinander verschoben sind. Im Übrigen weisen die beiden Teilwicklungen bevorzugt die gleiche Topologie auf. Jede der Teilwicklungen kann beispielsweise die gleiche Wicklungsverteilung haben, beispielsweise für zwölf Nuten und zehn Pole.
Die beiden Teilwicklungen können beispielsweise miteinander in Serie geschaltet sein.
Die erste und zweite Teilwicklung sind bevorzugt in unterschiedlichen Nuten des Stators angeordnet.
Die erste und die zweite Teilwicklung sind, jede für sich genommen, jeweils als konzentrierte Wicklung aufgebaut, wobei in jeder Teilwicklung bevorzugt je ein Zahn zwischen bewickelten Zähnen dieser Teilwicklung frei bleibt.
Dabei ergibt sich bevorzugt eine überlappende Wicklung dahingehend, dass jede Teilwicklung über je zwei Zähne des Stators gewickelt ist.
Beispielsweise resultiert eine Kombination von zwei Zwölf/Zehn-Teilwicklungen, also bezogen auf 12 Nuten und 10 Pole, in einer Topologie mit 24 Nuten im Stator und zehn Polen im Rotor. Folglich ist bezüglich der Topologie einer Teilwicklung die Nutenzahl bei gleich bleibender Polpaarzahl verdoppelt.
In einer Ausführungsform ist jede Wicklung um zumindest zwei benachbarte Zähne des Stators angeordnet, derart, dass jede Wicklung eine Nut zwischen diesen Zähnen freilässt. In diese freien Nuten der ersten Teilwicklung sind bevorzugt die Wicklungen der zweiten Teilwicklung gelegt, derart, dass periodisch entlang des Stators in den Nuten die Wicklungen der beiden Teilwicklungen sich abwechseln.
Der Stator weist bevorzugt eine Dreiphasenwicklung auf. Somit ist die derart ausgestaltete elektrische Maschine an ein elektrisches Dreiphasensystem anschließbar.
Der Rotor kann beispielsweise ein Käfigläufer, ein Mehrschichtrotor, ein Permanentmagnetrotor, ein Rotor mit vergrabenen Magneten oder eine Kombination dieser Rotortypen sein, soweit sich diese nicht technisch ausschließen.
Die vorgeschlagene elektrische Maschine kann als Maschine mit Innenläufer oder als Maschine mit Außenläufer aufgebaut sein.
Darüber hinaus kann die elektrische Maschine nicht nur als rotierende Maschine, sondern alternativ auch als Linearmotor bzw. Lineargenerator, Axialflussmotor oder anderer Typ aufgebaut sein. Die Maschine kann eine Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine sein.
Zwei benachbarte Nuten bilden zwischen diesen Nuten einen Zahn des Stators. Dieser Zahn weist eine Zahnbreite auf, die durch den Abstand der benachbarten Nuten definiert ist. Bevorzugt weisen zumindest zwei Zähne des Stators unterschiedliche Zahnbreite auf.
Weiter bevorzugt können sich Zähne mit einer ersten Zahnbreite und einer zweiten Zahnbreite, die jeweils ein Zahnpaar bilden, periodisch abwechseln entlang des Stators, d. h. bei Ausführung als rotierende Maschine entlang des Umfangs des Stators.
Alle Nuten des Stators weisen bevorzugt die gleiche Breite zwischen benachbarten Zähnen auf.
In einer anderen Ausführungsform umfasst eine elektrische Maschine einen Stator mit mehreren Nuten zur Aufnahme elektrischer Wicklungen sowie einen relativ zum Stator beweglichen Rotor. Der Stator weist eine verdoppelte Anzahl von Nuten bezüglich einer bei gegebener Polpaarzahl des Rotors mindestens erforderlichen Anzahl von Nuten auf. Durch den Abstand benachbarter Nuten ist eine Zahnbreite eines ersten Zahns des Stators definiert. Ebenso ist eine Zahnbreite eines zweiten Zahns des Stators analog definiert. Erste und zweite Zahnbreite sind dabei verschieden.
Hierdurch ist es möglich, höhere harmonische Komponenten der magnetomotorischen Kraft im Betrieb der Maschine auf null zu reduzieren, insbesondere solche, die nahe bei der Komponente der magnetomotorischen Kraft liegen, die als Arbeitswelle genutzt wird. Beispielsweise bei Nutzung der fünften Harmonischen als Arbeitswelle kann die siebte Harmonische auf null reduziert werden. Umgekehrt kann bei Nutzung der siebten Harmonischen als Arbeitswelle die fünfte Harmonische auf null reduziert werden.
Die Zahnbreite des ersten Zahns kann beispielsweise dem 0,5-Fachen oder einem Wert zwischen dem 0,5-Fachen und dem Einfachen der Zahnbreite des zweiten Zahns entsprechen.
Zähne unterschiedlicher Zahnbreite können beispielsweise periodisch abwechselnd entlang einer Arbeitsrichtung des Stators angeordnet sein. Unter einer Arbeitsrichtung ist dabei bei Ausführung der Maschine als Linearmotor eine Längsrichtung verstanden, entlang derer sich der Rotor relativ zum Stator bewegt. Bei Ausführung der Maschine als rotierende Maschine ist dies der Umfang des Rotors.
Die Verdopplung der Anzahl von Nuten im Stator ist bevorzugt auf die mindestens erforderliche Anzahl von Nuten bei einer Wicklungstopologie bezogen, welche eine Wicklung mit zwei Teilwicklungen umfasst, bei der die Teilwicklungen elektrisch miteinander verbunden und mechanisch zueinander verschoben sind. Im Übrigen weisen die beiden Teilwicklungen bevorzugt die gleiche Topologie auf. Jede der Teilwicklungen kann beispielsweise die gleiche Wicklungsverteilung haben, beispielsweise für zwölf Nuten und zehn Pole. Die Statorwicklung kann mehrlagig aufgebaut sein.
Die beiden Teilwicklungen sind bevorzugt miteinander elektrisch in Serie geschaltet.
Die erste und zweite Teilwicklung sind bevorzugt in unterschiedlichen Nuten des Stators angeordnet.
Beispielsweise resultiert eine Kombination von zwei Zwölf/Zehn-Teilwicklungen in einer Topologie mit 24 Nuten im Stator und zehn Polen im Rotor. Folglich ist bezüglich der Topologie einer Teilwicklung die Nutenzahl bei gleich bleibender Polpaarzahl verdoppelt.
In einer Ausführungsform ist jede Wicklung um zumindest zwei benachbarte Zähne des Stators angeordnet, derart, dass jede Wicklung eine Nut zwischen diesen Zähnen freilässt. In diese freien Nuten der ersten Teilwicklung sind bevorzugt die Wicklungen der zweiten Teilwicklung gelegt, derart, dass periodisch entlang des Stators bevorzugt in den Nuten die Wicklungen der beiden Teilwicklungen sich abwechseln.
Der Stator weist bevorzugt eine Dreiphasenwicklung auf. Somit ist die derart ausgestaltete elektrische Maschine an ein elektrisches Dreiphasensystem anschließbar.
Der Rotor kann beispielsweise ein Käfigläufer, ein Mehrschichtrotor, ein Permanentmagnetrotor, ein Rotor mit vergrabenen Magneten oder eine Kombination dieser Rotortypen sein, soweit sich diese nicht technisch ausschließen.
Die vorgeschlagene elektrische Maschine kann als Maschine mit Innenläufer oder als Maschine mit Außenläufer aufgebaut sein.
Darüber hinaus kann die elektrische Maschine nicht nur als rotierende Maschine, sondern alternativ auch als Linearmotor bzw. Lineargenerator, Axialflussmotor oder anderer Typ aufge baut sein. Die Maschine kann eine Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann die beschriebene elektrische Maschine mit derjenigen kombiniert werden, die in einer Nut des Stators Wicklungen mit unterschiedlicher Anzahl von Windungen aufweist, wie oben erläutert.
Hierdurch können die Vorteile der beiden beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden.
Insgesamt ermöglicht das vorgeschlagene Prinzip, alle relevanten unerwünschten Komponenten der Fourier-Zerlegung der magnetomotorischen Kraft einer elektrischen Maschine des beschriebenen Typs so weit zu reduzieren oder zu eliminieren, dass praktisch keine unerwünschten akustischen Beeinträchtigungen durch die Maschine im Betrieb auftreten und zudem die Verluste der Maschine deutlich reduziert sind.
Hierdurch eignet sich die vorgeschlagene elektrische Maschine bevorzugt zum Antrieb in elektrisch betriebenen Fahrzeugen, insbesondere in Hybridfahrzeugen, ist aber nicht auf diese Anwendung beschränkt.
Die beschriebenen Merkmale der beiden erläuterten Ausführungsformen können untereinander kombiniert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei sind gleiche oder gleich wirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1A eine elektrische Maschine im Querschnitt bei einer Wicklungstopologie mit 24 Nuten und zehn Polen,
1B ein zugehöriges, beispielhaftes Diagramm der magnetomotorischen Kraft über der Winkelposition,
1C ein zugehöriges, beispielhaftes Diagramm der magnetomotorischen Kraft über den Fourier-Komponenten,
2A ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Prinzips mit unterschiedlichen Windungszahlen pro Phasenwicklung in einem Ausschnitt sowie einer beispielhaften Darstellung der Wicklungsverteilung,
2B das zugehörige Diagramm der magnetomotorischen Kraft über der Winkelposition,
2C das zugehörige Diagramm der magnetomotorischen Kraft über den Fourier-Komponenten,
2D einen Vergleich von 2C mit 1C,
3A ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit unterschiedlicher Zahnbreite in einem Ausschnitt,
3B das zugehörige Diagramm der magnetomotorischen Kraft über der Winkelposition,
3C das zugehörige Diagramm der magnetomotorischen Kraft über den Fourier-Komponenten,
3D einen Vergleich der Diagramme von 3C und 1C,
4 einen Vergleich einer Ausführungsform bei Kombination der Merkmale von 2A und 3A mit dem Diagramm von 1C in einem Schaubild der magnetomotorischen Kraft über den Fourier-Komponenten derselben,
5A ein Ausführungsbeispiel mit einer weiteren Zerlegung der Wicklungen jeder Phase in zwei Unterwicklungen,
5B das zugehörige Diagramm der magnetomotorischen Kraft über der Winkelposition,
5C das zugehörige Diagramm der Fourier-Komponenten der magnetomotorischen Kraft,
5D einen Vergleich der Verteilung der magnetomotorischen Kraft einer Maschine gemäß 5A mit einer herkömmlichen Maschine,
6A ein Ausführungsbeispiel mit unterschiedlicher Windungszahl pro Phasenwicklung und unterschiedlicher Zahnbreite gemäß 2A und 3A, zusätzlich kombiniert mit der Aufteilung der Wicklungen in Unterwicklungen gemäß 5A,
6B ein zugehöriges Diagramm der magnetomotorischen Kraft über der Winkelposition,
6C ein zugehöriges Diagramm der magnetomotorischen Kraft anhand der Fourier-Zerlegung,
6D einen Vergleich des Diagramms von 6C mit einer herkömmlichen Maschine,
7A das Schaubild von 1A, jedoch in beispielhafter Ausführung zur Nutzung der siebten Harmonischen als Arbeitswelle,
7B das zugehörige Diagramm der magnetomotorischen Kraft über der Winkelposition,
7C das zugehörige Diagramm der Fourier-Komponentenzerlegung der magnetomotorischen Kraft,
8A eine Ausführungsform des vorgeschlagenen Prinzips, bei dem die siebte Harmonische als Arbeitswelle genutzt wird und unterschiedliche Windungszahl der Phasenwicklung vorgesehen ist,
8B und 8C die zugehörige magnetomotorische Kraft anhand von Schaubildern,
8D ein Schaubild der magnetomotorischen Kraft in ihrer Fourier-Komponentenzerlegung gegenüber der herkömmlichen Maschine,
9A ein Ausführungsbeispiel einer Wicklungstopologie mit 24 Nuten und 14 Polen mit unterschiedlicher Zahnbreite,
9B und 9C zugehörige Diagramme der magnetomotorischen Kraft,
9D einen Vergleich des Diagramms von 9C mit demjenigen von 7C,
10 einen weiteren beispielhaften Vergleich der Fourier-Zerlegung, bei dem unterschiedliche Zahnbreite und unterschiedliche Windungszahl kombiniert ist,
11A ein weiteres Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Prinzips mit Zerlegung der Wicklungen in je zwei Unterwicklungen,
11B und 11C zugehörige Diagramme der magnetomotorischen Kraft,
11D einen Vergleich des Diagramms von 11C mit dem herkömmlichen Prinzip,
12A ein weiteres Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Prinzips mit unterschiedlicher Windungszahl pro Phasenwicklung, unterschiedlicher Zahnbreite und aufbauend auf die Topologie der Wicklung gemäß 11A,
12B und 12C zugehörige Diagramme der magnetomotorischen Kraft,
12D einen Vergleich der 12C mit dem herkömmlichen Prinzip,
13A bis 13I unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Rotoren nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
14 ein Ausführungsbeispiel mit Außenläufer,
15 ein Ausführungsbeispiel mit Linearmotor,
16 ein Ausführungsbeispiel mit Axialflussmotor und Permanentmagneten sowie
17 ein Ausführungsbeispiel eines mehrschichtigen Axialfluss-Asynchronmotors nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
1A zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit Stator 1 und Rotor 2. Der Stator ist mit insgesamt 24 Nuten gleicher Geometrie ausgebildet, zwischen denen 24 Zähne vorgesehen sind. Der Rotor 2 weist eine Polpaarzahl von fünf und somit eine Polzahl von zehn auf, umfassend fünf Südpole S und fünf Nordpole N.
Die Wicklung im Stator umfasst eine zweilagige Dreiphasenwicklung, wobei die elektrischen Phasen mit Phase A, Phase B und Phase C bezeichnet sind. Der Wicklungssinn ist jeweils mit + bzw. – bezeichnet. Die Wicklung umfasst jeweils zwei Teilwicklungen, wobei die erste Teilwicklung jeweils mit 1 und die zweite Teilwicklung jeweils mit 2 bezeichnet ist. Die Symbole setzen sich dabei zusammen aus Wicklungssinn, Phase und Teilwicklung. Beispielsweise bezeichnet +C1 eine positive Wicklung der dritten Phase C der ersten Teilwicklung 1. In den Nuten wechseln sich entlang des Umfangs erste und zweite Teilwicklung jeweils ab. Die erste und die zweite Teilwicklung sind daher in unabhängigen Statornuten eingebracht. Die Teilwicklungen sind zueinander elektrisch in jeder Phase in Serie geschaltet. Außerdem sind die beiden Teilwicklungen zueinander um einen Drehwinkel α verschoben.
Gegenüber einer Einbringung beider Teilwicklungen in insgesamt nur zwölf Nuten hat das vorgeschlagene Prinzip den Vorteil, dass aufgrund der verdoppelten Nutenzahl eine feiner diskretisierte Verschiebung zwischen beiden Teilwicklungen möglich ist. Dadurch ist es möglich, beispielsweise gezielt bei Nutzung der fünften Harmonischen als Arbeitswelle die siebte Harmonische signifikant zu reduzieren. Die fünfte Harmonische bleibt dabei quasi unbeeinflusst. Der Verschiebungswinkel α_w beträgt dabei: αw = 2,5·ατ = 5·ατ',wobei α_τ = 2·α_τ', und wobei α_τ der Winkelabstand zweier benachbarter Nuten bei herkömmlichem Aufbau mit zwölf Nuten im Stator, und α_τ' der Winkelabstand zweier benachbarter Nuten bei der Ausführung mit 24 Nuten gemäß dem Beispiel von 1A ist.
In alternativen Ausführungsformen können die Teilwicklungen miteinander auch anders als in Serie verschaltet sein.
1B und 1C zeigen die magnetomotorische Kraft aufgetragen über der Winkelposition in Winkelgrad bzw. über den höheren harmonischen Komponenten der Fourier-Zerlegung. Dabei erkennt man anhand des Schaubilds von 1C, dass bei Normierung auf die fünfte Harmonische als Arbeitswelle die erste Subharmonische sowie die neunzehnte Harmonische noch sichtbar sind, die siebte Harmonische dagegen deutlich reduziert.
2A zeigt in der oberen Bildhälfte ein erstes Ausführungsbeispiel nach dem vorgeschlagenen Prinzip, bei dem zusätzlich zu dem Aufbau gemäß 1A, d. h. mit 24 Nuten im Stator und zehn Polen im Rotor mit zwei zueinander versetzten Teilwicklungen, unterschiedliche Windungszahlen der Wicklungen in jeder Nut vorgenommen sind. Die Symbole n1 und n2 bezeichnen dabei die Windungszahlen einer ersten elektrischen Wicklung bzw. einer zweiten elektrischen Wicklung der jeweiligen Teilwicklung. Zur Vereinfachung der Darstellung ist dabei anstelle der rotierenden elektrischen Maschine von 1A beispielhaft die Darstellung als Linearmotor gewählt.
In der unteren Bildhälfte des Ausführungsbeispiels von 2A ist die Wicklungsverteilung angegeben. Zum besseren Verständnis ist dabei von den drei Strängen A, B, C lediglich ein Strang A eingezeichnet. Man erkennt, dass jede Wicklung um je zwei Zähne gewickelt ist. Zudem sind die Wicklungen gleicher Windungszahl abwechselnd oben und unten in der jeweiligen Nut eingbracht.
Bemerkenswert ist, dass in dieser Ausführungsform Wicklungen gleicher Windungszahl in Richtung der Bewegungsrichtung des Rotors nicht immer abwechselnd vorkommen. Vielmehr sind die Wicklungen nach dem Muster n2 – n1 – n1 – n2 eingebracht.
Die in der ersten Nut von links in der oberen Lage eingebrachte Wicklung –A1 mit der 2. Windungszahl n2 tritt in der dritten Nut in unterer Lage wieder auf. Darüber ist eine Wicklung mit der 1. Windungszahl n1 eingebracht, die in der 5. Nut in der unteren Lage sichtbar ist. In der Nut daneben, nämlich der 6. Nut, ist nach diesem Prinzip ebenfalls eine Wicklung mit der 1. Windungszahl n1 eingebracht, jedoch in der oberen Lage. Diese Wicklung ist in der 8. Nut unten dar gestellt. Die darüber liegende Wicklung in dieser Nut ist wieder von der 2. Windungszahl n2 und tritt in der Nut ganz rechts in der unteren Lage auf.
Demnach sind nach diesem Prinzip Wicklungen gleicher Windungszahl eines Stranges in Bewegungsrichtung des Rotors jeweils durch zwei Wicklungen anderer Windungszahl desselben Stranges beabstandet.
Die übrigen Stränge B, C sind in analoger Weise zu Strang A gewickelt.
Ein Strang wird im Englischen auch als Phase bezeichnet.
Alternativ zu der gezeigten Wicklungstopologie n2 – n1 – n1 – n2 könnte auch abwechselnd mit unterschiedlicher Windungszahl bewickelt werden gemäß der Topologie n1 – n2 – n1 – n2.
Wie anhand der Diagramme der magnetomotorischen Kraft über der Winkelposition bzw. über den harmonischen Komponenten gemäß 2B bzw. 2C ersichtlich, ist es mit dieser Maßnahme möglich, zusätzlich zur signifikanten Reduzierung der siebten Harmonischen eine Kombination mit einer Reduzierung der ersten Subharmonischen zu erzielen. Dadurch können einerseits der Wirkungsgrad und andererseits die Geräuschentwicklung der elektrischen Maschine im relevanten Frequenzbereich deutlich verbessert werden.
Anschaulich zeigt 2D einen Vergleich der 1C und 2C miteinander bezüglich der Verteilung der magnetomotorischen Kraft.
3A zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel beruhend auf der Topologie von 1A, bei der eine elektrische Maschine mit 24 Nuten im Stator und zehn Polen im Rotor dahingehend weitergebildet ist, dass unterschiedliche Zahnbreiten benachbarter Zähne im Stator vorhanden sind. Die Nuten zur Aufnahme der Wicklungen haben dabei jeweils die gleiche Breite für alle Nuten über den Stator. Die zwischen benachbarten Nuten gebildeten Zähne im Stator haben dabei jeweils paarweise unterschiedliche Zahnbreiten, wobei sich diese Paare unterschiedlicher Zahnbreiten periodisch über den Stator wiederholen. Bei dieser Ausführung sind die Windungszahlen aller Wicklungen gleich.
Der vorteilhafte Effekt dieser Ausführung ist anhand der Diagramme der magnetomotorischen Kraft, die auch hier einmal über die Winkelposition in 3B und einmal über die Verteilung der Komponenten in 3C dargestellt sind, deutlich.
3D zeigt, dass mit dieser Maßnahme die siebte Harmonische praktisch auf null reduziert ist.
Kombiniert man nunmehr die unterschiedlichen Windungszahlen gemäß der Ausführung von 2A mit der unterschiedlichen Zahnbreite gemäß 3A, so ergibt sich der Erfolg, der in 4 anhand des Vergleichs mit der Ursprungstopologie gemäß 1A gezeigt ist. Hier ist bei weiterhin der Topologie mit 24 Nuten im Stator und zehn Polen im Rotor, unterschiedlicher Windungszahl der Wicklungen je Nut und Stator mit unterschiedlicher Zahnbreite der Erfolg sichtbar, dass die erste bis vierte Subharmonische praktisch verschwunden sind, die fünfte Harmonische, die als Arbeitswelle genutzt wird, auf eins normiert ist und die siebte höhere harmonische Komponente ebenfalls praktisch verschwunden ist.
Mit den vorgeschlagenen Maßnahmen ist daher eine noch weitergehende Verbesserung der Effizienz und der Akustik der elektrischen Maschine im Betrieb erzielt, die insbesondere den Einsatz in elektrischen Antrieben, wie er in Hybridfahrzeugen benötigt wird, mit zusätzlichem Vorteil ermöglicht.
5A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel nach dem vorgeschlagenen Prinzip ausgehend von der elektrischen Maschine gemäß 1A. Während bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1A bis 4 jeweils zwei Wicklungen übereinander in jeder Nut angeordnet sind, ist bei 5A vorgesehen, die Phasenwicklungen in zwei Unterwicklungen aufzuteilen und dadurch unter Beibehaltung von 24 Nuten jeweils pro Nut vier Wicklungen anzuordnen.
Die beiden zueinander mechanisch verschobenen Teilwicklungen, wie anhand von 1A erläutert, sind bei 5A ebenfalls in unterschiedlichen Nuten abwechselnd angeordnet und zusätzlich jeweils wiederum in zwei Unterwicklungen unterteilt. Sowohl die erste relativ zur zweiten Teilwicklung, als auch die Subwicklungen zueinander sind jeweils mechanisch zueinander verschoben. Dadurch ist es möglich, sowohl die erste als auch die siebte unerwünschte harmonische Komponente in der Zerlegung der magnetomotorischen Kraft zu reduzieren.
Dieser Vorteil wird anhand der Diagramme der 5B bis 5D deutlich.
6A zeigt eine Kombination der Wicklungstopologie und der Statortopologie von 5A mit der oben erläuterten Ausführung der Phasenwicklungen mit unterschiedlicher Windungszahl einerseits sowie zugleich mit unterschiedlicher Zahnbreite des Stators, wie ebenfalls oben beschrieben.
6B bis 6D zeigen die Auswirkungen dieses Aufbaus auf die Fourier-Zerlegung der magnetomotorischen Kraft, wobei 6C anschaulich darstellt, dass bis einschließlich zur sechzehnten Ordnung keine unerwünschten harmonischen Komponenten abgesehen von der erwünschten Arbeitswelle auftreten.
7A zeigt ein Beispiel einer alternativen Ausführungsform bezogen auf 1A. Gegenüber 1A ist bei 7A eine Polpaarzahl von 7 resultierend in 14 Polen im Rotor vorgesehen. Dementsprechend sind die erste und die zweite in Serie geschaltete Teilwicklung im Stator mechanisch anders als bei 1A zueinander verschoben, um an die andere Polpaarzahl angepasst zu sein. So sind die Teilwicklungen nicht wie bei 1A um fünf Nuten zueinander verschoben, sondern um sieben Nuten.
Die vorteilhaften Auswirkungen dieser Ausführung zeigen 7B und 7C anhand der Diagramme der magnetomotorischen Kraft, einerseits über die Winkelposition und andererseits bezüglich der Verteilung der harmonischen Fourier-Komponenten.
8A zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform gemäß 7A, bei der zusätzlich unterschiedliche Windungszahlen pro Phasenwicklung eingesetzt werden. Analog zu 2A sind bei 8A in jeder Nut Wicklungen unterschiedlicher Windungszahl eingebracht.
8B bis 8D machen die Wirkung dieser Vorgehensweise anschaulich. So ist in 8C die magnetomotorische Kraft über der Verteilung der höheren Harmonischen eingezeichnet, in der deutlich wird, dass die siebte Harmonische als Arbeitswelle auf eins normiert ist und auf diese Normierung bezogen die erste Subharmonische praktisch verschwindet.
9A zeigt eine andere Weiterbildung des Aufbaus von 7A, bei der die Windungszahlen jeweils gleich sind, jedoch statt dessen unterschiedliche Zahnbreiten analog zu 3A vorgesehen sind.
Wie anhand der Diagramme von 9B bis 9D deutlich wird, kann dadurch die unerwünschte fünfte Harmonische bezogen auf die normierte siebte Harmonische, die hier als Arbeitswelle dient, signifikant reduziert werden.
10 beschreibt eine Fourier-Zerlegung einer elektrischen Maschine, bei der ausgehend von dem Aufbau gemäß 7A einerseits unterschiedliche Windungszahlen pro Phasenwicklung, wie in 8A gezeigt, vorgenommen sind und zusätzlich die Zahnbreite, wie in 9A unterschiedlich ausgeführt, realisiert ist. Hierdurch ergibt sich, wie 10 anschaulich zeigt, eine Reduzierung der ersten und der fünften unerwünschten Harmonischen, sodass im Bereich der ersten bis zehnten Ordnung außer der Arbeitswelle praktisch keine unerwünschten harmonischen Komponenten auftreten.
Ausgehend von 7A zeigt 11A in Analogie zur bereits beschriebenen Maßnahme gemäß 5A oben eine weitere Zerlegung der Teilwicklungen in je zwei Unterwicklungen. Dadurch können sowohl die erste, als auch die fünfte uner wünschte Harmonische reduziert werden, wie anhand von 11B bis 11D gezeigt ist.
Eine Kombination des Prinzips von 11A mit unterschiedlicher Windungszahl pro Phasenwicklung einerseits und unterschiedlicher Zahnbreite andererseits ist in 12A beispielhaft angegeben. Dadurch werden, wie 12B bis 12D zeigen, die unerwünschten Komponenten erster und fünfter Ordnung auf null reduziert und damit vollständig eliminiert.
13A bis 13I zeigen unterschiedliche Rotortypen, wie sie bei den vorangegangenen Beispielen anhand 1A bis 12A einsetzbar sind. So kann beispielsweise anstelle der dort gezeigten Ausführung der Rotoren mit Permanentmagneten ein Käfigläufer eingesetzt werden, wie er in 13A gezeigt ist. Eine andere Möglichkeit zur Realisierung einer Asynchronmaschine zeigt 13B anhand des dort angegebenen Mehrschicht-Rotors. Um den eigentlichen Rotorkern wird eine weitere Schicht aufgebracht, beispielsweise umfassend Kupfer oder Aluminium.
13C bis 13I zeigen mehrere unterschiedliche Ausführungsformen von Rotoren bei Anwendung in Permanentmagnetmaschinen. Während bei 13C die Permanentmagneten der Polpaarzahl 2 außen auf den Rotorkern aufgebracht sind, sind bei 13D vergrabene Magneten vorgesehen. Anstelle der Polpaarzahl 2 von 13C und 13D ist bei 13E vorgesehen, sechs ebene Magnetpole einzusetzen, über denen Kappen aufgebracht sind, um eine hohe Drehsymmetrie des Rotors zu erzielen. Auch 13F zeigt im Gegensatz zu 13C und 13D den Einsatz planarer Magneten.
Bei 13G sind die Magneten nicht im Wesentlichen entlang des Umfangs angeordnet, sondern radial als vergrabene Magneten eingebracht. Weitere beispielhafte Ausführungen vergrabener Magneten sind in 13H und 13I angegeben.
14 zeigt an einem Ausführungsbeispiel, dass alle vorangegangenen Ausführungsformen anstelle des außen liegenden Stators mit innen liegendem Rotor auch umgekehrt als Maschine mit außen liegendem Rotor und innen liegendem Stator realisiert werden können.
Darüber hinaus kann das vorgeschlagene Prinzip auch als Linearmotor, beispielsweise mit Permanentmagneten, wie in 15, realisiert sein.
16 zeigt eine andere Ausführung mit Axialfluss-Permanentmagnet-Motor, während 17 ein Ausführungsbeispiel mit Axialfluss-Asynchron-Rotor in Multilayer-Ausführung zeigt.
Alle gezeigten Ausführungen können anstelle der beispielhaft dargestellten 24/10- bzw. 24/14-Topologie auch ganzzahlige Vielfache bezüglich Nuten-Anzahl und Pol-Zahl aufweisen. Somit sind im Rahmen des vorgeschlagenen Prinzips insbesondere 48/20 bzw. 48/28 sowie 72/30 bzw. 72/42 vorteilhafte Topologien.

1: Stator
2: Rotor
3: Nut
4: Wicklung
5: Wicklung
6: Zahn
7: Zahn
A1: erste elektrische Phase, erste Teilwicklung
A2: erste elektrische Phase, zweite Teilwicklung
B1: zweite elektrische Phase, erste Teilwicklung
B2: zweite elektrische Phase, zweite Teilwicklung
C1: dritte elektrische Phase, erste Teilwicklung
C2: dritte elektrische Phase, zweite Teilwicklung
n1: erste Windungszahl
n2: zweite Windungszahl
N: magnetischer Nordpol
S: magnetischer Südpol
Z1: erste Zahnbreite
Z2: zweite Zahnbreite
+: positiver Wicklungssinn
–: negativer Wicklungssinn

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 2007/0194650 A1 [0008]

Claims

Elektrische Maschine, umfassend – einen Stator (1), – einen relativ zum Stator (1) beweglichen Rotor (2), der eine Polpaarzahl p aufweist, – wobei der Stator (1) eine erste und zumindest eine zweite elektrische Wicklung (4, 5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – der Stator (1) eine verdoppelte Anzahl von Nuten (3) bezüglich der bei gegebener Polpaarzahl p des Rotors (2) minimal erforderlichen Anzahl von Nuten aufweist und – in einer Nut (3) des Stators eine Anzahl von Windungen (n1) der ersten elektrischen Wicklung (4) verschieden von einer Anzahl (n2) von Windungen der zweiten elektrischen Wicklung (5) ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, bei der die Anzahl von Windungen (n1) der ersten elektrischen Wicklung (4) und die Anzahl (n2) von Windungen der zweiten elektrischen Wicklung (5) derart voneinander verschieden ist, dass im Betrieb der elektrischen Maschine eine erste unerwünschte Sub-Harmonische der vom Stator hervorgerrufenen Magnetomotorischen Kraft reduziert ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Anzahl von Windungen (n1) der ersten elektrischen Wicklung (4) in einem Intervall zwischen einschließlich 50% und 100% der Anzahl von Windungen (n2) der zweiten elektrischen Wicklung (5) ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der in jeder Nut (3) des Stators zumindest zwei Wicklungen mit unterschiedlicher Windungszahl (n1, n2) angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die verdoppelte Anzahl von Nuten im Stator (1) auf die mindestens erforderliche Anzahl von Nuten einer Wicklungstopologie bezogen ist, die eine Wicklung mit zwei Teilwicklungen (A1, B1, C1; A2, B2, C2) umfasst, wobei die Teilwicklungen (A1, B1, C1; A2, B2, C2) miteinander elektrisch verbunden und zueinaner mechanisch verschoben sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der jede Wicklung um zumindest zwei benachbarte Zähne (6, 7) des Stators angeordnet ist, wobei Zähne (6, 7) des Stators jeweils zwischen benachbarten Nuten des Stators gebildet sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Stator (1) eine Dreiphasenwicklung aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Verhältnis der Anzahl der Nuten (3) zur Anzahl der Pole 24/10 oder 24/14 oder jeweils ganzzahlige Vielfache der Anzahl der Nuten und der Anzahl der Pole beträgt, wobei die Anzahl der Pole der doppelten Polpaarzahl p entspricht.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der Rotor (2) zumindest einen der folgenden Typen umfasst: Käfigläufer, Mehrschichtrotor, Permanentmagnetrotor, Rotor mit vergrabenen Magneten.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die als Maschine mit Innenläufer oder als Maschine mit Außenläufer aufgebaut ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die einen der folgenden Typen umfasst: Linearmotor, Axialflussmotor, Asynchronmaschine, Synchronmaschine.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der eine durch einen Abstand benachbarter Nuten (3) definierte Zahnbreite (Z1) eines ersten Zahns des Stators verschieden von derjenigen (Z2) eines zweiten Zahns des Stators ist.
Elektrische Maschine, umfassend – einen Stator (1) mit mehreren Nuten (3) zur Aufnahme elektrischer Wicklungen, – einen relativ zum Stator (1) beweglichen Rotor (2), dadurch gekennzeichnet, dass – der Stator (1) eine verdoppelte Anzahl von Nuten (3) bezüglich der bei gegebener Polpaarzahl p des Rotors (2) minimal erforderlichen Anzahl von Nuten aufweist und – eine durch einen Abstand benachbarter Nuten (3) definierte Zahnbreite (Z1) eines ersten Zahns des Stators verschieden von derjenigen (Z2) eines zweiten Zahns des Stators ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, bei der die Zahnbreite (Z1) des ersten Zahns derart von derjenigen (Z2) des zweiten Zahns verschieden ist, dass im Betrieb der elektrischen Maschine eine unerwünschte, höhere Harmonische der vom Stator hervorgerrufenen Magnetomotorischen Kraft reduziert ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13 oder 14, bei der die Zahnbreite (Z1) des ersten Zahns in einem Intervall zwischen 50% und 100% der Zahnbreite (Z2) des zweiten Zahns ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der Zähne unterschiedlicher Zahnbreite (Z1, Z2) periodisch abwechselnd angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei der die verdoppelte Anzahl von Nuten im Stator (1) auf die mindestens erforderliche Anzahl von Nuten einer Wicklungstopologie bezogen ist, die eine Wicklung mit zwei Teilwicklungen (A1, B1, C1; A2, B2, C2) umfasst, wobei die Teilwicklungen (A1, B1, C1; A2, B2, C2) miteinander elektrisch verbunden und zueinaner mechanisch verschoben sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei der jede Wicklung um zumindest zwei benachbarte Zähne (6, 7) des Stators angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei der der Stator (1) eine Dreiphasenwicklung aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei der das Verhältnis der Anzahl der Nuten (3) zur Anzahl der Pole 24/10 oder 24/14 oder jeweils ganzzahlige Vielfache der Anzahl der Nuten und der Anzahl der Pole beträgt, wobei die Anzahl der Pole der doppelten Polpaarzahl p entspricht.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 13 bis 20, bei der der Rotor (2) zumindest einen der folgenden Typen umfasst: Käfigläufer, Mehrschichtrotor, Permanentmagnetrotor, Rotor mit vergrabenen Magneten.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 13 bis 21, die als Maschine mit Innenläufer oder als Maschine mit Außenläufer aufgebaut ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 13 bis 22, die einen der folgenden Typen umfasst: Linearmotor, Axialflussmotor, Asynchronmaschine, Synchronmaschine.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 13 bis 22, bei der der Stator (1) zumindest eine erste und zumindest eine zweite elektrische Wicklung (4, 5) einer elektrischen Phase umfasst und in einer Nut (3) des Stators eine Anzahl von Windungen (n1) der ersten elektrischen Wicklung (4) verschieden von einer Anzahl (n2) von Windungen der zweiten elektrischen Wicklung (5) ist.