DE102008057349B3

DE102008057349B3 - Elektrische Maschine

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Publication number: DE102008057349B3
Application number: DE200810057349
Authority: DE
Inventors: Gurakuq Dr.-Ing. Dajaku
Original assignee: FEAAM GmbH
Current assignee: FEAAM GmbH
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2010-07-15
Anticipated expiration: 2028-11-15
Also published as: US9318926B2; US20120025634A1; WO2010054651A2; CN102217172A; WO2010054651A3; CN102217172B

Abstract

Es ist eine elektrische Maschine umfassend einen Stator (8) und einen Rotor (9) angegeben. Der Stator umfasst Nuten (1, 2) zur Aufnahme einer Spule einer elektrischen Wicklung. Die Spule weist in einer ersten Nut (1) eine erste Windungszahl (n1) und in einer zweiten Nut (2) eine zweite Windungszahl (n2) auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine.
Üblicherweise umfassen elektrische Maschinen einen gehäusefesten Stator sowie einen Rotor, der relativ zum Stator beweglich ist. Der Rotor kann beispielsweise drehbar bezüglich des Stators 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 in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Dabei und bei anderen Anwendungen kann es vorteilhaft sein, bestimmte Eigenschaften des Betriebsverhaltens der elektrischen Maschine zu erzielen. Dazu können das Drehmoment, die akustischen Eigenschaften, die Verluste im Eisen sowie die Verluste in Wicklungen und Verluste in Magneten zählen.
Ein Stator einer elektrischen Maschine mit konzentrierten Wicklungen zeichnet sich durch kompaktes Design gegenüber einem solchen mit verteilten Wicklungen aus. Dabei können unterschiedliche Polpaarzahlen mit unterschiedlichen Anzahlen von Nuten im Stator kombiniert werden. Als Polpaarzahl wird dabei die Anzahl der Polpaare im Rotor verstanden. Die Nuten im Stator dienen zur Aufnahme der Wicklungen. Jedes magnetische Polpaar im Rotor umfasst normalerweise zwei magnetische Pole, einen Nordpol und einen Südpol.
Beispielsweise 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 nicht gemäß einer einfachen 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 jeweils 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.
Als Arbeitswelle kommt bei Maschinen mit konzentrierten Wicklungen nicht notwendigerweise die Grundwelle zur Anwendung. Vielmehr kann es vorteilhaft sein, eine harmonische Komponente der magnetomotorischen Kraft, die von höherer Ordnung ist, als Arbeitswelle zu nutzen.
Beispielsweise kann bei einer elektrischen Maschine mit einem Stator mit konzentrierten Wicklungen, wobei zwei nebeneinander liegende Zähne mit Spulen eines Strangs und entgegengesetztem Wicklungssinn versehen sind, die fünfte oder siebte Harmonische als Arbeitswelle genutzt werden. Hieraus ergibt sich in der Grundform eine Maschine mit zwölf Nuten und zehn Polen beziehungsweise zwölf Nuten und 14 Polen. Ganzzahlige Vielfache der Anzahl der Nuten und der Anzahl der Pole sind hierbei ebenso möglich.
In den Dokumenten US 6,555,942 B1 , US 6,011,339 A , US 2002/0113518 A1 , US 6,380,648 B1 und Gottkehaskamp, R.: Optimal gefertigt – Systematischer Entwurf von dreisträngigen Zahnspulenwicklungen bürstenloser Motoren, Antriebstechnik 10/2007, S. 30–35, ISSN 0722-8546 sind jeweils Statorwicklungen für elektrische Maschinen gezeigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Reduzierung der Subharmonischen bei einer elektrischen Maschine mit ge ringem Aufwand zu erzielen. Der Begriff subharmonisch ist dabei vorliegend auf die Arbeitswelle bezogen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
In einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Prinzips umfasst die elektrische Maschine einen Stator und einen relativ zum Stator beweglichen Rotor. Der Stator umfasst Nuten zur Aufnahme einer Spule einer elektrischen Wicklung. In einer ersten Nut weist die Spule eine erste Windungszahl auf. Die gleiche Spule weist in einer anderen Nut des Stators eine zweite, von der ersten verschiedene Windungszahl auf.
Die vorgeschlagene Ausführung der Wicklung mit Spulen, die in verschiedenen Nuten des Stators unterschiedliche Windungszahl aufweisen, ermöglicht es, beispielsweise die erste Subharmonische der Fourier-Zerlegung der magnetomotorischen Kraft signifikant zu reduzieren oder verschwinden zu lassen.
Hierfür sind weder zusätzliche Wicklungen erforderlich, die in die Nuten einzubringen sind, noch sind Veränderungen an der Statorgeometrie oder am Rotor erforderlich.
Bevorzugt ist die Spule von einer anderen Hauptseite des Stators her in die Nut eingeführt, als sie die Nut verlässt. Mit anderen Worten sind die Anschlüsse einer Spule nicht wie herkömmlich vorgesehen auf einer gemeinsamen, also der gleichen Hauptseite des Stators gebildet, sondern auf unterschiedlichen Hauptseiten des Stators vorgesehen.
Eine Hauptseite des Stators weist beispielsweise bei einer rotierenden elektrischen Maschine eine Flächennormale in axialer Richtung auf.
Die zweite Windungszahl ist bevorzugt größer als die erste Windungszahl.
Bevorzugt beträgt die erste Windungszahl n1 zwischen einschließlich 50% und ausschließlich 100% der zweiten Windungszahl n2. Mit anderen Worten ist das Verhältnis der ersten Windungszahl n1 zur zweiten Windungszahl n2 größer oder gleich 0,5 und kleiner als 1.
Beispielsweise wird die Spule in der zweiten Nut in den Stator eingelegt, und durchläuft diese zweite Nut, bis sie auf der gegenüberliegenden Hauptseite des Stators aus diesem heraustritt. Anschließend erfolgt eine weitere vollständige Windung von 360° um einen Zahn, an dem diese zweite Nut liegt. Die Windung ist dabei durch die erste Nut und zurück durch die zweite Nut geführt. Hierdurch tritt die Spule an einer anderen Hauptseite aus dem Stator heraus, als sie in diesen eingetreten ist. Hierdurch beträgt die zweite Windungszahl n2 das Zweifache der ersten Windungszahl n1. Mit anderen Worten beträgt die erste Windungszahl n1 50% der zweiten Windungszahl n2 in der zweiten Nut.
In der ersten Nut ist zusätzlich zu der genannten Spule eine weitere Spule der ersten Windungszahl vorgesehen. In der zweiten Nut ist in dieser Ausführung eine weitere Spule der zweiten Windungszahl vorgesehen.
In einer Ausführungsform sind demnach in einer Nut keine unterschiedlichen Windungszahlen kombiniert. Vielmehr sind in einer Nut Spulen mit in dieser Nut jeweils gleicher Windungszahl eingelegt, was bevorzugt für alle Nuten des Stators gilt.
In einer Ausführung sind die Spulen der ersten Nut vom gleichen Strang und die Spulen in der zweiten Nut von verschiedenem Strang.
Ein Strang der elektrischen Maschine ist dabei je einer elektrischen Phase der elektrischen Maschine zugeordnet, sodass unterschiedliche Stränge unterschiedlichen elektrischen Phasen zugeordnet sind.
Beispielsweise haben diejenigen Spulen, die in einer Nut vorgesehen sind und von gleichem Strang sind, in dieser Nut die erste Windungszahl. In denjenigen Nuten, in denen Spulen von unterschiedlichem Strang eingelegt sind, haben diese in dieser Nut die zweite Windungszahl. Bevorzugt wechseln sich die Nuten erster und zweiter Windungszahl im Stator entlang einer Bewegungsrichtung des Rotors periodisch ab.
Spulen von gleichem Strang können in der jeweiligen Nut bevorzugt eine gleiche Stromrichtung aufweisen. Benachbarte Spulen vom gleichen Strang können dabei mit entgegengesetztem Wicklungssinn gewickelt sein.
Spulen unterschiedlicher Stränge weisen in diesen Nuten jeweils eine entgegengesetzte Stromrichtung auf. Die benachbarten Spulen von unterschiedlichem Strang können dabei mit gleichsinnigem Wicklungssinn gewickelt sein.
Bevorzugt weist der Stator eine Dreiphasenwicklung auf, umfassend drei Stränge, die je einer elektrischen Phase zuge ordnet sind. Das zugehörige elektrische System ist ein Dreiphasensystem mit drei zueinander um jeweils 120° phasenverschobenen Phasen.
Der Stator ist bevorzugt als Stator mit konzentrierten Wicklungen ausgebildet. Dabei weisen bevorzugt zwei nebeneinander liegende Zähne des Stators, die jeweils zwischen benachbarten Nuten des Stators gebildet sind, Spulen eines Strangs und entgegengesetztem Wicklungssinn auf.
Die Nuten im Stator sind in einer Ausführung äquidistant verteilt.
Alle Zähne können die gleiche Geometrie aufweisen.
Ebenso können alle Nuten im Stator gleiche Geometrie aufweisen.
Bevorzugt ist das vorgeschlagene Prinzip bei einer elektrischen Maschine mit zwölf Nuten im Stator und zehn magnetische Polen im Rotor anwendbar. Alternativ kann die elektrische Maschine beispielsweise zwölf Nuten im Stator und 14 magnetische Pole im Rotor aufweisen. Weiter alternativ können jeweils gleiche ganzzahlige Vielfache der Anzahl der Nuten und der Anzahl der Pole vorgesehen sein.
Der Rotor der vorgeschlagenen elektrischen Maschine kann beispielsweise von einem der folgenden Typen sein: Käfigläufer, Mehrschichtrotor, Permanentmagnetrotor, Rotor mit vergrabenen Magneten.
Die elektrische Maschine kann als Maschine mit Innenläufer oder als Maschine mit Außenläufer aufgebaut sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Maschine einen der folgenden Typen umfassen: Linearmaschine, Axialflussmaschine, Radialflussmaschine, Asynchronmaschine, Synchronmaschine.
In einer Weiterbildung weist der Stator eine verdoppelte Anzahl von Nuten bezüglich der bei gegebener Polpaarzahl p des Rotors minimal erforderlichen Anzahl von Nuten auf. Bezüglich dieser Verdopplung der Nuten im Stator wird auf die Patentanmeldung 10 2008 051 047.5 der gleichen Anmelderin verwiesen, die am 9. Oktober 2008 beim Deutschen Patent- und Markenamt eingereicht wurde. Auf diese Patentanmeldung wird insoweit vollinhaltlich Bezug genommen.
Das vorgeschlagene Prinzip wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei tragen gleiche oder gleich wirkende Teile gleiche Bezugszeichen.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Prinzips anhand eines Ausschnitts eines Stators,
2 ein Ausführungsbeispiel einer Spule nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Spule nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
4 ein Ausführungsbeispiel einer rotierenden elektrischen Maschine,
5 ein beispielhaftes Diagramm der magnetomotorischen Kraft aufgetragen über der Winkelposition in rad,
6 eine Verteilung der magnetomotorischen Kraft über den Fourier-Komponenten,
7A eine Weiterbildung der elektrischen Maschine von 4 mit Ausgleichswicklungen,
7B eine Gegenüberstellung der Ausgleichswicklungen und der vorgeschlagenen Spulen mit unterschiedlicher Windungszahl in den Nuten an einem Beispiel,
8 die Verteilung der ersten Harmonischen der magnetomotorischen Kraft gemäß der Ausführung von 7A,
9 und 10 Schaubilder der magnetomotorischen Kraft über der Winkelposition in rad beziehungsweise den Fourier-Komponenten gemäß der Ausführung nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
11 ein Beispiel eines Vergleichs der Diagramme von 6 und 10,
12 ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Prinzips bei einer elektrischen Maschine mit 24 Nuten und zehn Polen,
13 eine andere Weiterbildung des vorgeschlagenen Prinzips mit zusätzlicher konzentrierter Wicklung,
14 das Ausführungsbeispiel von 13 anhand einer rotierenden elektrischen Maschine,
15 ein beispielhaftes Diagramm der magnetomotorischen Kraft aufgetragen über der Winkelposition bei dem Beispiel von 14,
16 ein Ausführungsbeispiel eines Diagramms der magnetomotorischen Kraft aufgetragen über den Fourier-Komponenten bei der Ausführung von 14,
17 das Diagramm von 16 verglichen mit einer herkömmlichen elektrischen Maschine und
18 eine beispielhafte Weiterbildung von 1 mit unterschiedlich tiefen Nuten.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stators nach dem vorgeschlagenen Prinzip anhand eines Ausschnitts in Querschnittdarstellung. Die elektrische Maschine ist beispielhaft als Linearmaschine ausgebildet. In einer ersten Nut 1 und in einer zweiten Nut 2 ist eine Spule eines ersten Strangs A einer elektrischen Wicklung eingebracht. Die Spule des Strangs A hat dabei in der ersten Nut 1 eine erste Windungszahl n1 und die gleiche Spule hat in der zweiten Nut 2 eine zweite Windungszahl n2. Eine weitere Spule des ersten Strangs A ist in der ersten Nut 1 und in der links davon eingezeichneten dritten Nut 3 eingelegt. Diese weitere Spule hat in der ersten Nut 1 ebenfalls die Windungszahl n1, während sie in der dritten Nut die zweite Windungszahl n2 hat.
Von der Wicklungstopologie betrachtet handelt es sich, abgesehen von den genannten Windungszahlen, die vorliegend bei gleichen Spulen in unterschiedlichen Nuten unterschiedlich sind, um eine herkömmliche Wicklungstopologie, wie sie bei elektrischen Maschinen mit zwölf Nuten, zehn Polen und drei Strängen vorgesehen ist. Die elektrischen Stränge sind dabei mit A, B, C bezeichnet und jeweils einer elektrischen Phase in einem Dreiphasensystem zugeordnet. Die Vorzeichen +, – repräsentieren den Wicklungssinn.
Mit dem vorgeschlagenen Prinzip kann beispielsweise die erste Subharmonische der Fourier-Zerlegung der magnetomotorischen Kraft signifikant verringert werden, wie später näher erläutert.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Stators in einer Draufsicht. Zur besseren Übersicht sind lediglich die beiden Spulen gezeigt, die um die beiden Zähne 4, 5 gelegt sind, die zwischen der ersten und dritten beziehungsweise ersten und zweiten Nut gebildet sind. Man erkennt, dass die unterschiedlichen Windungszahlen n1, n2 in den verschiedenen Nuten 1, 2, 3 dadurch erzielt sind, dass die Spule auf einer anderen Hauptseite 6 in den Stator eintritt, als sie austritt, nämlich auf einer gegenüberliegenden Hauptseite 7. Weiterhin ist deutlich zu erkennen, dass es sich bei den beiden Spulen um die beiden Zähne 4, 5 um solche des gleichen Strangs A handelt. Hierbei ist die Wicklung so vorgenommen, dass Spulen gleichen Strangs in einer gemeinsamen Nut 1 die gleiche Windungszahl n1 aufweisen.
Mit n2 ist die Windungszahl der Spulen in denjenigen Nuten 2, 3 bezeichnet, welche Spulen von Wicklungen unterschiedlicher Stränge A, B, C tragen.
Während 2 nur einen einzigen Strang A zeigt, sind bei 3 mehrere Stränge A, B, C eingezeichnet. Man erkennt, dass in 3 unterschiedliche Stränge A, C in der dritten Nut 3 beziehungsweise unterschiedliche Stränge A, B in der zweiten Nut 2 liegen und die Spulen dort jeweils die zweite Windungszahl n2 aufweisen. Darüber hinaus wird deutlich, dass die Spulen so gewickelt sind, dass in denjenigen Nuten 1, die mit Spulen des gleichen Strangs A belegt sind, ein Stromfluss in gleicher Richtung erzielt ist, während die Spulen in den Nuten 2, 3 mit unterschiedlichen Strängen für in diesen Nuten entgegengesetztem Stromfluss gewickelt sind.
Zwei nebeneinander liegende Zähne 5, 10 des Stators, die jeweils zwischen benachbarten Nuten 1, 2; 2, 14 des Stators gebildet sind, weisen Spulen unterschiedlicher Stränge A, B und gleichem Wicklungssinn auf.
Das Verhältnis der ersten zur zweiten Windungszahl bei unterschiedlicher Einführung und Ausführung der Spulen bezüglich der Hauptseiten des Stators ist dabei wie folgt beschrieben: n1 = n2 – 1 und 50% ≤ n1/n2 < 100%.
Aufgrund des einstellbaren Windungszahlenverhältnisses zwischen einschließlich 50% und < 100% ist es möglich, die erste Subharmonische bis auf 0 zu reduzieren, wie beispielhaft in 10 gezeigt.
Ein Vorteil des vorgeschlagenen Prinzips, wie es beispielhaft anhand 1 bis 3 gezeigt ist, liegt darin, dass zur Re duzierung der ersten Subharmonischen keinerlei Ausgleichswicklungen oder Zusatzwicklungen nötig sind.
4 zeigt eine Ausführung des vorgeschlagenen Prinzips anhand eines vollständigen Stators 8 und Rotors 9 einer rotierenden elektrischen Maschine. Der Stator hat beispielhaft zwölf Nuten, während der Rotor fünf Polpaare, also zehn Pole S, N umfasst. Die Wicklungstopologie mit konzentrierten Wicklungen ist im Gegenuhrzeigersinn nach folgendem Schema aufgebracht: –A, +A, +B, –B, –C, +C, +A, –A, –B, +B, +C, –C.
5 und 6 zeigen Schaubilder der magnetomotorischen Kraft MMK aufgetragen über der Winkelposition rad beziehungsweise aufgetragen über den Fourier-Komponenten bei einer herkömmlichen Maschine mit der Topologie von 4, jedoch ohne die unterschiedlichen Windungszahlen gemäß 1 bis 3.
Man erkennt, dass sich die Nutzung der fünften Harmonischen als Arbeitswelle anbietet. Unerwünschte Harmonische sind insbesondere die erste und siebte Harmonische. In alternativen Ausführungen kann die siebte Harmonische als Arbeitswelle verwendet werden. Hierzu sind anstelle der gezeigten zehn Pole 14 Pole im Rotor vorzusehen, die ebenfalls symmetrisch entlang des Umfangs verteilt sind. Die Reduzierung der ersten Harmonischen hat insbesondere im Hinblick auf Rotorverluste hohe Bedeutung.
7A zeigt eine Alternative zu den Ausführungsbeispielen von 1 bis 3, die unterschiedliche Windungszahlen n1, n2 aufweisen. Die Erläuterung anhand 7A dient dabei dem besseren Verständnis des Wirkprinzips der vorgeschlagenen Sache.
Bei 7A haben die Hauptwicklungen jeweils alle die gleiche Windungszahl wie bei einer herkömmlichen 12/10 Maschine mit zwölf Nuten und zehn Polen. Es ist jedoch eine verteilte Zusatzwicklung vorgesehen, die in jeder zweiten Nut eingebracht ist und die dazu dient, die erste Subharmonische zu dämpfen. Diese Zusatzwicklung wird nachfolgend auch als Ausgleichswicklung bezeichnet.
Die linke Bildhälfte von 7B zeigt einen Ausschnitt dieser Ausgleichswicklung, die dort mit –a bezeichnet ist. Entsprechend gibt es zwei weitere Ausgleichswicklungen b und c.
Die Windungszahl der Hauptwicklung A, B, C ist mit N₁ bezeichnet, und die Windungszahl der zusätzlichen Wicklungen a, b, c mit N₂.
Die zusätzliche Wicklung gemäß 7A erzeugt eine magnetomotorische Kraft, die so ausgebildet ist, dass die erste Subharmonische gemäß 6 gerade kompensiert wird durch eine entgegengesetzte Komponente der magnetomotorischen Kraft. Mit einem speziellen Verhältnis zwischen N1 und N2 kann die resultierende erste Harmonische der magnetomotorischen Kraft vollständig eliminiert werden. Dies ist anhand von 10 gezeigt.
Dieses Gegenläufigkeitsprinzip ist in 8 weiter erläutert, bei der die durchgezogene Linie die erste Harmonische der magnetomotorischen Kraft der Hauptwicklung A, B, C von 7A beschreibt, während die gebrochene Linie die erste Harmonische der magnetomotorischen Kraft der zusätzlichen Wicklung a, b, c betrifft. Die Gegenläufigkeit ist anhand von 8 ersichtlich und führt dazu, dass die erste Subharmonische gerade verschwindet.
7B zeigt darüber hinaus, wie einerseits die Wicklungstopologie mit Zusatzwicklung a, b, c gemäß 7A und die Wicklungstopologie, wie sie beispielhaft anhand von 1 bis 3 gezeigt ist, auf der anderen Seite ineinander überführt werden können. Wie anhand von 7B deutlich wird, kann die Redzierung der ersten Subharmonischen anstelle der Ausgleichswicklung a, b, c äquivalent dadurch erzielt werden, dass Spulen eingesetzt werden, die in verschiedenen Nuten unterschiedliche Windungszahlen n1, n2 aufweisen. n1 beschreibt die erste Windungszahl derjenigen Spulen, die in Nuten eingebracht sind, die Spulen des gleichen Strangs aufnehmen, während n2 die zweite Windungszahl in Nuten, die Spulen unterschiedlicher Stränge A, B, C aufnehmen.
Die Überführung der Ausführungen gemäß 7B links und 7B rechts kann am Beispiel des Strangs A und ausgehend von 7A durch folgende Mathematik beschrieben werden. Für die resultierende Windungszahl gilt: ΣI = N1·ia + N1·ia – N2·ia = 2·N1·ia – N2·ia,wobei N1 die Windungszahl der Hauptwicklung, N2 die Windungszahl der Zusatzwicklung, ΣI den Summenstrom in der Nut, die Spulen des gleichen Strangs aufnimmt, und ia den Strom des Stranges A, der auch in der Ausgleichswicklung a fließt, bezeichnet.
Die Formel kann umgeschrieben werden zu: ΣI = 2·n1·ia, mit n1 = N1 - N22 , wobein1 die Windungszahl der Spulen in den Nuten, die Spulen des gleichen Stranges aufnehmen, bezeichnet.
Analoge Verhältnisse gelten für die Ströme ib, ic der beiden übrigen Stränge B, C.
Analog ergibt sich die Windungszahl der Spulen in den Nuten, die Spulen unterschiedlicher Stränge aufnehmen, beispielsweise für die Stränge A, B, zu: ΣI = –N1·ia + N1·ib, = –n2·ia + n2·ib, mit n2 = N1, wobein2 die Windungszahl der Spulen in Nuten mit Spulen unterschiedlicher Stränge bezeichnet.
Analoges gilt für die Stränge A und C sowie für die Stränge B und C.
Durch Vergleich der beiden Gleichungen folgt, dass die erste und zweite Windungszahl n1, n2 bei 7B verschieden sein müssen. Daher gilt: n1 ≠ n2
Man erkennt also, dass die Ausführung nach dem vorgeschlagenen Prinzip der unterschiedlichen Windungszahlen in gleichen Spulen, aber unterschiedlichen Nuten dieser Spulen äquivalent ist zu der Ausführung mit Ausgleichswicklung a, b, c und diese erübrigen. Hierdurch ist es mit Vorteil möglich, mit einem einfachen Wicklungsaufbau den gewünschten Erfolg zu erzielen, nämlich die erste Subharmonische zu reduzieren oder zu vermeiden.
9 und 10 zeigen die Verteilung der magnetomotorischen Kraft über der Winkelposition in rad beziehungsweise anhand der Zerlegung der Fourier-Komponenten. Diese 9 und 10 gelten für die Ausführungsformen gemäß 7A und 7B linke Seite genauso wie für die Ausführungsformen gemäß 7B rechte Seite und 1 bis 3 des vorgeschlagenen Prinzips.
11 zeigt einen Vergleich der Schaubilder von 6 und 10.
12 zeigt eine Weiterbildung des Prinzips, das beispielhaft anhand von 1 dargestellt ist. Dabei ist das Prinzip von einer 12/10 Topologie der elektrischen Maschine auf eine 24/10 Topologie übertragen, die eine Wicklungstopologie für eine elektrische Maschine mit 24 Nuten und zehn Polen betrifft. Auch hier kann für eine bestimmte Relation der ersten Windungszahl n1 zur zweiten Windungszahl n2 die Subharmonische auf 0 reduziert werden.
In vorangegangenen Ausführungen wurde beispielhaft erläutert, dass die Reduzierung der Subharmonischen auf Grundlage der zwölf Nuten/zehn Pole Wicklungstopologie dadurch erzielt werden kann, dass unterschiedliche Windungszahlen der jeweils gleichen Spule in unterschiedlichen Nuten eingesetzt werden.
Hierdurch kann die zusätzliche Wicklung a, b, c, wie sie anhand von 7A gezeigt wurde, vermieden werden.
Eine unterschiedliche effektive Windungszahl kann jedoch alternativ auch durch eine zusätzliche konzentrierte Wicklung erzielt werden, wie sie anhand von 13 gezeigt ist. Zur Vereinfachung ist zunächst lediglich der Strang A dargestellt. Die Windungszahl der Hauptwicklung ist mit n'2 bezeichnet, während die Windungszahl der konzentrierten Zusatzwicklung mit n'1 bezeichnet ist.
In 13 ist dargestellt, dass in den Nuten 11 und 13 die resultierende Windungszahl erhöht ist gegenüber der dazwischen liegenden Nut 12. Die aus der gesamten Wicklungstopologie resultierende erste Harmonische der magnetomotorischen Kraft kann für ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Windungszahl n'2 der Hauptwicklung und der Windungszahl n'1 der konzentrierten Zusatzwicklung auf 0 reduziert werden.
14 zeigt die vollständige Wicklungstopologie des Prinzips von 13 bei einer rotierenden elektrischen Maschine mit zwölf Nuten und zehn Polen.
15 und 16 zeigen die magnetomotorische Kraft aufgetragen über der Winkelposition in rad beziehungsweise den Fourier-Komponenten der entsprechenden Zerlegung bezüglich des Ausführungsbeispiels von 14.
In 17 ist ein Vergleich dargestellt bezüglich der Diagramme der Zerlegungen der magnetomotorischen Kraft in die Fourier-Komponenten. Hier sind die Ausführungsbeispiele gemäß 16 und 6 miteinander verglichen.
18 zeigt eine beispielhafte Weiterbildung von 1, bei der die Nuten unterschiedlich tief ausgebildet sind. Die zweite und dritte Nut 2, 3 hat gegenüber der Ausführung von 1 hier eine unveränderte Nuttiefe T2. Die erste Nut 1' weist jedoch eine erste Nuttiefe T1 auf, die größer ist als die Nuttiefe T2 der zweiten und dritten Nut 2, 3.
Allgemein sind bei 18 alle Nuten mit Spulen der ersten Windungszahl n1 in jeweils dieser Nut mit größerer Tiefe T1 ausgebildet.
Hierdurch kann eine weitere Reduzierung der Grundwelle erzielt werden.
Alternativ zu der in 18 gezeigten Ausführung wäre es in einer hier nicht dargestellten Ausführung auch möglich, dass ausgehend von 1 die erste Nut 1 eine unveränderte Tiefe aufweist, und statt dessen die Tiefe der zweiten und dritten Nut demgegenüber erhöht ist.
Hierdurch kann beispielsweise in der zweiten und dritten Nut unter Berücksichtigung der dort höheren Windungszahl n2 die gleiche Stromdichte wie in der ersten Nut 1 erzielt sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die jeweils tiefere Nut zur besseren Kühlung genutzt werden, beispielsweise durch Einbringen eines Kühlkanals in die tiefere Nut.

1: erste Nut
1': erste Nut
2: zweite Nut
3: dritte Nut
4: Zahn
5: Zahn
6: erste Hauptseite
7: zweite Hauptseite
8: Stator
9: Rotor
10: Zahn
11: Nut
12: Nut
13: Nut
14: Nut
A: Strang
B: Strang
C: Strang
a, b, c: Stränge der zusätzlichen verteilten Wicklung
+, –: Wicklungssinn
n1: erste Windungszahl
n2: zweite Windungszahl
N1: Windungszahl der Hauptwicklung
N2: Windungszahl der Zusatzwicklung
n'1: Windungszahl der konzentrierten Zusatzwicklung
n'2: Windungszahl der Hauptwicklung
T1: erste Nuttiefe
T2: zweite Nuttiefe

Claims

Elektrische Maschine, umfassend – einen Stator (8), der Nuten (1, 2) zur Aufnahme einer Spule einer elektrischen Wicklung umfasst, und – einen relativ zum Stator beweglichen Rotor (9), wobei – die Spule in einer ersten Nut (1) eine erste Windungszahl (n1) aufweist und – die Spule in einer zweiten Nut (2) eine zweite Windungszahl (n2) aufweist, die von der ersten Windungszahl (n1) verschieden ist, wobei – in der ersten Nut (1) eine weitere Spule der ersten Windungszahl (n1) vorgesehen ist und bei der in der zweiten Nut (2) eine weitere Spule der zweiten Windungszahl (n2) vorgesehen ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, bei der der Stator (8) zwei gegenüberliegende Hauptseiten (6, 7) zur Kontaktierung der elektrischen Wicklung aufweist, wobei ein erster Anschluss der Spule auf einer ersten Hauptseite (6) der gegenüberliegenden Hauptseiten und ein zweiter Anschluss der Spule auf einer zweiten Hauptseite (7) der gegenüberliegenden Hauptseiten gebildet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Spulen in der ersten Nut (1) vom gleichen Strang (A) und die Spulen in der zweiten Nut (2) von verschiedenen Strängen (A, B) sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, bei der der Stator als Stator mit konzentrierten Wicklungen ausgebildet ist, wobei zwei nebeneinander liegende Zähne (5, 10) des Stators, die jeweils zwischen benachbarten Nuten (1, 2; 2, 14) des Stators gebildet sind, mit Spulen unterschied licher Stränge (A, B) und gleichem Wicklungssinn versehen sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Stator (8) eine Dreiphasenwicklung aufweist umfassend drei Stränge (A, B, C), die je einer elektrischen Phase zugeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Stator als Stator mit konzentrierten Wicklungen ausgebildet ist, wobei zwei nebeneinander liegende Zähne (4, 5) des Stators, die jeweils zwischen benachbarten Nuten (1, 2; 1, 3) des Stators gebildet sind, mit Spulen eines Strangs (A) und entgegen gesetztem Wicklungssinn versehen sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Verhältnis der Anzahl der Nuten (1, 2, 3) des Stators zur Anzahl der magnetischen Pole (S, N) im Rotor 12/10 oder 12/14 oder jeweils ganzzahlige Vielfache der Anzahl der Nuten (1, 2, 3) und der Anzahl der Pole (S, N) beträgt.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Rotor (9) zumindest einen der folgenden Typen umfasst: Käfigläufer, Mehrschichtrotor, Permanentmagnetrotor, Rotor mit vergrabenen Magneten.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die als Maschine mit Innenläufer (9) oder als Maschine mit Außenläufer aufgebaut ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die einen der folgenden Typen umfasst: Linearmaschine, Axialflussmaschine, Radialflussmaschine, Asynchronmaschine, Synchronmaschine.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die erste Nut (1') eine erste Nuttiefe (T1) aufweist, die verschieden von einer zweiten Nuttiefe (T2) einer zweiten Nut (2) ist.