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Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei Rotor und Stator elektromagnetisch zusammenwirken und wobei der Stator eine Anzahl an Zähnen mit unterschiedlichen Zahnbreiten aufweist.
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Dynamoelektrische Maschinen, wie beispielsweise permanentmagneterregte Synchronmotoren, weisen im Wesentlichen einen Rotor, einen Stator, ein Rotorlagersystem sowie weitere Komponenten auf. Der Rotor weist i. d. R. ein Blechpaket auf, welches beispielsweise auf eine Stahlwelle aufgepresst ist. Der Stator weist i. d. R. ebenso ein Blechpaket auf, wobei der Stator dasjenige Bauteil ist, welches eine bestrombare Wicklung aufweist.
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Der Rotor eines permanentmagneterregten Synchronmotors weist mehrere Permanentmagnete auf, die entweder im Inneren oder an der Oberfläche des Blechpakets angeordnet sind. Im Inneren des Rotors angeordnete Permanentmagnete werden auch als vergrabene Permanentmagnete bezeichnet.
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Die bestrombare Wicklung des Stators kann entweder als verteilte Wicklung oder konzentrierte Wicklung ausgeführt sein. Eine verteilte Wicklung wird mit einem bestimmten Wicklungsschema in Nuten des Stators eingebracht, beispielsweise durch Einziehen.
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Eine konzentrierte Wicklung ist gekennzeichnet durch Zahnspulen, auch als Polspulen bezeichnet. Eine Zahnspule greift jeweils nur über einen Zahn. Es besteht die Möglichkeit, dass jeder Zahn des Stators eine Zahnspule aufweist. Weiterhin ist aber auch möglich, nicht jeden Zahn mit einer Zahnspule zu versehen, sondern beispielsweise nur jeden zweiten oder dritten Zahn.
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Bei der Fertigung und Montage der Zahnspulen können diese entweder direkt am Zahn gewickelt und montiert werden, oder aber die Zahnspulen werden vorgewickelt und anschließend fertig auf den Zahn aufgesteckt.
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Bei Zahnspulen-Wicklungen erster Art, d. h. jeder Zahn ist bewickelt, ergibt sich die Anzahl der Zähne (Zahnzahl N) aus dem Zusammenhang N = 2p ± k, wobei 2p die Anzahl der Erregerpole (zwei Erregerpole bilden ein Polpaar p) und k eine ganze Zahl ist. Für p = 1 und k = 1 ergibt sich ein Urschema bzgl. des Verhältnisses zwischen Zahnzahl und Polpaarzahl mit N = 3 und 2p = 2.
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Bei Zahnspulen-Wicklungen zweiter Art, d. h. nur jeder zweite Zahn ist bewickelt, ergibt sich die Zahnzahl N aus dem Zusammenhang N/2 = 2p ± k, wobei sich für p = 1 und k = 1 ein Urschema mit N = 6 und 2p = 2 ergibt. Im Vergleich zu der Zahnspulen-Wicklung erster Art sind bei der Zahnspulen-Wicklung zweiter Art im Urschema doppelt so viele Zähne über einem Polpaar angeordnet. Die Zahnbreiten und Nutbreiten sind jeweils gleich groß.
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Aus dem Zusammenspiel von Stator und Rotor, d. h. aus Zusammenwirken von Statornutungsfeldern und Permanentmagnetoberfeldern, entstehen meist unerwünschte Oberwellen. Diese treten in mechanischer Hinsicht als Nutrastmomente und in elektrischer Hinsicht als elektrische Oberwellen in der induzierten Spannung oder als Drehmomentwelligkeit unter Last in Erscheindung.
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Bei der Drehung des mit Permanentmagneten bestückten Rotors ergeben sich insbesondere zufolge der Überlappungen mit den Zähnen des Stators Nutrastungen im Zeitbereich. Die Ordnungszahlen dieser Nutrastungen bestimmen sich im Frequenzbereich – bei gleicher Zahnbreite und Nutbreite entlang des Umfangs – als kleinstes gemeinsames Vielfaches von Polpaarzahl p und Zahnzahl N. Dabei treten im Spektrum speziell bei diesen harmonischen Komponenten stark ausgeprägte Drehmomentamplituden auf.
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Zur Vermeidung der genannten Probleme ist es allgemein bekannt, eine axiale Schrägung des Stators und/oder Rotors, beispielsweise um eine Nutteilung, vorzunehmen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Lösung zur Vermeidung von Nutrastmomenten bzw. elektrischen Oberwellen bei permanentmagneterregten dynamoelektrischen Maschinen bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die erfindungsgemäße dynamoelektrische Maschine weist einen Rotor und einem Stator auf, wobei Rotor und Stator elektromagnetisch zusammenwirken. Der Stator weist eine Anzahl an Zähnen auf, wobei die Zähne unterschiedliche Zahnbreiten besitzen. Zwischen zwei Zähnen ist jeweils eine Nut ausgebildet.
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Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die Zähne des Stators mit unterschiedlichen Zahnbreiten auszubilden, wobei die Nutbreite jedoch konstant bleibt. Erste Zähne haben eine erste Zahnbreite und zweite Zähne haben eine zweite Zahnbreite, wobei die erste Zahnbreite kleiner als die zweite Zahnbreite ist.
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Eine erste Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf Zahnspulen-Wicklungen der ersten Art (jeder Zahn ist bewickelt). Gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Zahnbreite doppelt so groß wie die erste Zahnbreite. Dabei sind abwechselnd jeweils ein erster Zahn und ein zweiter Zahn am Stator angeordnet, so dass sich die zwei verschiedenen Zahnbreiten jeweils nacheinander abwechseln. Jeder Zahn weist eine Zahnspule auf, welche die Wicklung des Stators bilden. Die Wicklung ist insbesondere eine dreiphasige Wicklung zum Anschluss an ein Drehstromnetz.
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Der Rotor der erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine weist zur Bildung von Erregerpolen Permanentmagnete auf. Der Abstand zwischen zwei Polmitten wird als Polteilung bezeichnet und die Ausdehnung eines Pols in Drehrichtung (Umfangsrichtung) des Rotors als Polbreite. Bei der Ausgestaltung eines bekannten Rotors gemäß dem Urschema sind Polteilung und Polbreite gleich.
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Vorteilhafterweise werden die Permanentmagnete verschoben, d. h. anders platziert, derart, dass die Polteilung kleiner als die Polbreite ist. Die Polbreite ergibt sich aus der Summe der 1,5fachen Nutbreite, der ersten Zahnbreite und der 0,5fachen zweiten Zahnbreite.
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Die Erregerpole weisen eine Polbedeckung von weniger als 100%, insbesondere von 70% bis 90%, auf. Die Polbedeckung wird durch Abdeckung der Permanentmagnete in Bezug auf den Erregerpol bestimmt. Im vorliegenden Fall deckt ein Permanentmagnet nicht die gesamte Fläche eines Erregerpols vollständig ab.
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Durch den Einsatz von unterschiedlichen Zahnbreiten im Stator und zudem verschoben angeordneten Permanentmagneten im Rotor treten die Nutrastungen losgelöst von den bisherigen Ordnungszahlen gemäß den Urschemata als kleinstes gemeinsames Vielfaches von Polpaarzahl p und Zahnzahl N auf. Dadurch erhöht sich im Nutrastspektrum einerseits die Anzahl an harmonischen Komponenten, deren Amplitude aber andererseits stark verringert ist.
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Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf eine Zahnspulen-Wicklung zweiter Art. In dieser zweiten Ausgestaltung der Erfindung weist der Stator der dynamoelektrische Maschine nicht nur zwei Zähne mit zwei unterschiedlichen Zahnbreiten, sondern Zähne mit vier unterschiedlichen Zahnbreiten auf. Demnach weist der Stator, erste, zweite, dritte und vierte Zähne mit jeweils erster, zweiter, dritter und vierter Zahnbreite auf, wobei jede Zahnbreite unterschiedlich ausgebildet ist. Insbesondere ist die erste Zahnbreite die kleinste und die nächstfolgende jeweils größer, wobei die erste die kleinste und die vierte Zahnbreite die größte ist.
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Auch bei dieser zweiten Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen den Zähnen Nuten ausgebildet, deren Nutbreiten konstant sind.
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Für die verschiedenen Zahnbreiten der Zähne gilt, dass die erste Zahnbreite der Nutbreite des Stators entspricht, wobei für die nächsten Zahnbreiten jeweils die zweifache, dreifache bzw. vierfache Nutbreite gilt.
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Gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung sind die Zähne nach einer bestimmten Reihenfolge am Stator angeordnet. Für die Reihenfolge gilt: Zahn 1, Zahn 2, Zahn 1, Zahn 4, Zahn 1, Zahn 3, usw. (beginnend wieder bei Zahn 1). Dementsprechend folgt immer ein erster Zahn zwischen zwei anderen Zähnen, so dass der erste Zahn ein Art Zwischenzahn darstellt, welcher unbewickelt ist, d. h. keine Zahnspule aufweist.
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Der Rotor weist zur Bildung von Erregerpolen Permanentmagnete auf, wobei sich eine Polbreite der Erregerpole aus der Summe der 3fachen Nutbreite, der 2fachen ersten Zahnbreite und der dritten Zahnbreite zusammensetzt. Die Polbreite entspricht dabei der Polteilung, d. h. die Permanentmagnete sind, entgegen der ersten Ausgestaltung der Erfindung, nicht verschoben angeordnet. Die Erregerpole weisen eine Polbedeckung von weniger als 100%, insbesondere von 70% bis 90%, auf.
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In der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle Ausführungsbeispiele übertragbar. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine dynamoelektrische Maschine mit Zahnspulen-Wicklung erster Art gemäß Stand der Technik,
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2 eine dynamoelektrische Maschine mit Zahnspulen-Wicklung erster Art gemäß der Erfindung,
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3 eine dynamoelektrische Maschine mit Zahnspulen-Wicklung zweiter Art gemäß Stand der Technik,
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4 eine dynamoelektrische Maschine mit Zahnspulen-Wicklung zweiter Art gemäß der Erfindung.
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1 zeigt eine dynamoelektrische Maschine M mit Zahnspulen-Wicklung erster Art gemäß Stand der Technik in einer Schnittdarstellung von vorn, d. h. parallel zu den Stirnseiten der Maschine M. Die dynamoelektrische Maschine M weist einen Statur S und einen Rotor R auf, die elektromagnetisch zusammenwirken.
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Der Statur S weist Zähne Z und Nuten N auf, wobei die Zähne Z eine Zahnbreite τZ und die Nuten N eine Nutbreite τN aufweisen, die gleich sind. Weiterhin weist jeder Zahn Z eine Zahnspule ZS auf.
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Der Rotor R weist zur Bildung von Erregerpolen Permanentmagnete P auf, wobei Permanentmagnete P unterschiedlicher Polaritäten abwechselnd angeordnet sind. Die Polaritäten sind mittels der Pfeile auf den Permanentmagneten P gekennzeichnet.
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Jeder Erregerpol weist eine Polbreite PB auf und zwei Pole sind jeweils durch die Polteilung τP beabstandet, wobei die Polteilung τP jeweils von Polmitte zu Polmitte gemessen wird. Die Polbreite PB und die Polteilung τP sind gleich.
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Bei Zahnspulen-Wicklungen erster Art ergibt sich die Zahnzahl N der Zähne Z aus dem Zusammenhang N = 2p ± k, wobei sich für p = 1 und k = 1 ein Urschema mit N = 3 und 2p = 2 entsprechend der Darstellung in 1 ergibt. 2p ist die Polzahl (Anzahl der Erregerpole) und k eine ganze Zahl. Wie bereits ausgeführt, treten bei diesem Urschema Nutrastungen und Oberwellen auf.
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2 zeigt eine dynamoelektrische Maschine M mit Zahnspulen-Wicklung erster Art gemäß der Erfindung.
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Gegenüber 1 ist die elektrische Maschine M so ausgebildet, dass nun erste Zähne Z1 und zweite Zähne Z2 vorhanden sind, die jeweils eine andere Zahnbreite τZ1 und τZ2 haben. Die zweite Zahnbreite τZ2 ist insbesondere die zweifache erste Zahnbreite τZ1. Die Nutbreite τN ist jedoch konstant. Die Nutbreite τN ist ferner gegenüber dem Urschema nach 1 unverändert. Im Stator S sind lediglich die Zahnbreiten τZ1 und τZ2 verändert.
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Der Rotor R gemäß 2 ist gegenüber seiner Ausgestaltung in 1 dahingehend gleich, dass die Polbreite PB gleich geblieben ist. Verändert hat sich jedoch die Polteilung τP; diese ist nun kleiner als die Polbreite PB.
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Ferner ist in 1 und 2 gut zu erkennen, dass die Polbedeckung nicht 100% beträgt. Bei einer 100%igen Polbedeckung wäre die gesamte Polbreite PB mit einem Permanentmagneten P besetzt bzw. abgedeckt. In den Ausgestaltungen gemäß 1 und 2 liegt die Polbedeckung zwischen 70% und 90%.
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3 zeigt eine dynamoelektrische Maschine M mit Zahnspulen-Wicklung zweiter Art gemäß Stand der Technik. Bei Zahnspulen-Wicklungen zweiter Art ist nur jeder zweite Zahn bewickelt, wobei sich die Zahnzahl N aus dem Zusammenhang N/2 = 2p ± k ergibt. Für p = 1 und k = 1 ergibt sich ein mögliches Urschema mit N = 6 und 2p = 2 nach 3. Im Vergleich zur Zahnspulen-Wicklung erster Art nach 1 kommen bei der Zahnspulen-Wicklung zweiter Art in der Grundvariante doppelt so viele Zähne Z über einem Polpaar, bestehend aus zwei Permanentmagneten P mit unterschiedlichen Polaritäten, zum Einsatz. Die Zahnbreiten τZ und Nutbreiten τN sind dabei in der klassischen Variante gleich groß.
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Wie bereits ausgeführt, entstehen bei der Drehung des mit Permanentmagneten P bestückten Rotors R zeitliche Drehmomentpulsationen (Nutrastungen). Im Frequenzbereich dieser Nutrastungen finden sich stets beim kleinsten gemeinsamen Vielfachen von Polpaarzahl p und Zahnzahl N sehr stark ausgeprägte Amplituden.
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4 zeigt eine dynamoelektrische Maschine M mit Zahnspulen-Wicklung zweiter Art gemäß der Erfindung.
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Unter Beibehaltung der Nutbreite τN können durch den Einsatz von nunmehr vier unterschiedlichen Zähnen Z1, Z2, Z3, Z4 mit unterschiedlichen Zahnbreiten τZ1, τZ2, τZ3, τZ4 viele Anteile im Spektrum der Nutrastmomente unterdrückt oder aber in ihrer Ordnungszahl verschoben werden.
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Der Ansatz gemäß 1 geht bei der Wahl der unterschiedlichen Zahn- und Nutbreiten τz1, τz2, τz3, τz4, τN von folgenden Verhältnissen aus: τz1 = τN τz2 = 2τN τz3 = 3τN τz4 = 4τN.
