DE102009038761A1

DE102009038761A1 - Elektrische Maschine und Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102009038761A1
Application number: DE102009038761A
Authority: DE
Inventors: Bernd Prof. Dr.-Ing. Ponick
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2011-03-10
Also published as: US20110050028A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer (1) und einem Läufer (2), wobei der Läufer (2) gegenüber dem Ständer (1) rotatorisch bewegbar ist und der Ständer (1) Nuten (4) aufweist, in denen Leitungsschleifen (6) einer Wicklung zur elektrischen Erzeugung eines Magnetfelds angeordnet sind, und der Läufer (1) Nuten (7) aufweist, in denen Leitungsschleifen (9) einer Wicklung oder Käfigstäbe (9) angeordnet sind. Hiervon ausgehend wird eine elektrische Maschine angegeben, bei der die störende Geräuschemission bei in etwa gleichleibenden Leistungsdaten der Maschine signifikant reduziert werden kann. Hierzu ist vorgesehen, dass die Nuten (4, 7) des Ständers und/oder des Läufers über den Umfang des Ständers (1) bzw. des Läufers (2) ungleichmäßig voneinander beabstandet sind. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Maschine angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem Läufer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Maschine.
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der elektromechanischen Energiewandlung mittels elektrischer Maschinen. Als elektrische Maschinen werden in diesem Zusammenhang Maschinen verstanden, die eine Rotationsbewegung oder eine translatorische Bewegung ausführen, z. B. Elektromotoren und elektrische Generatoren. Im Bereich der industriellen Erzeugung elektrischer Energie und der elektrischen Antriebstechnik werden zu über 95% Synchronmaschinen und Induktionsmaschinen (auch Asynchronmaschinen genannt) eingesetzt. Derartige elektrische Maschinen sind beispielsweise aus der DE 10 2007 038527 A1 oder EP 2 071 707 A1 bekannt. Die Entwicklung und Konstruktion elektrischer Maschinen erfolgt üblicherweise mit dem Ziel, dass die gewünschte elektromechanische Energiewandlung möglichst effizient erfolgt. Eine elektrische Maschine wird beispielsweise so entwickelt, dass sie bei Betrieb mit einer für sie vorgesehenen Spannung und Frequenz die gewünschte Leistung bei einer gewünschten Drehzahl abgibt, ohne sich dabei unzulässig zu erwärmen oder unerwünscht stark zu verschleißen. Zusätzlich wird von einer elektrischen Maschine in der Praxis gefordert, weitere Bedingungen einzuhalten, wie z. B. eine zulässige Geräuschemission und die Bereitstellung einer bestimmten Drehmomentqualität, d. h. das Vermeiden von Drehmomentpulsationen. Beim Entwurf einer elektrischen Maschine und der Variation der Konstruktionsparameter sind für den Entwickler bestimmte Grenzen gegeben, da die Erfüllung der hauptsächlichen Zielgrößen, wie Abgabeleistung einer elektrischen Maschine, nicht übermäßig zugunsten einer Verringerung der Geräuschemission verändert werden darf.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine anzugeben, bei der die störende Geräuschemission bei in etwa gleich bleibenden Leistungsdaten der Maschine signifikant reduziert werden kann. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Maschine anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 sowie das in dem Anspruch 7 angegebene Verfahren gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.
Die Erfindung hat den Vorteil, durch Variation eines bestimmten Konstruktionsparameters der elektrischen Maschine über den Umfang des Ständers bzw. des Läufers eine Möglichkeit zur effizienten Reduktion der Geräuschemission aufzuzeigen, ohne die Leistungsdaten der Maschine nennenswert zu beeinträchtigen. Es wurde herausgefunden, dass durch eine ungleichmäßige Verteilung der Abstände der Nuten des Ständers und/oder des Läufers insbesondere eine deutliche Verringerung von Magnetgeräuschen der elektrischen Maschine erzielt werden kann.
Eine wichtige Ursache für die Entstehung von Geräuschen und von Drehmomentpulsationen sind charakteristische Verzerrungen des magnetischen Feldes in der Maschine. Durch das von der Erregerwicklung der elektrischen Maschine erzeugte Magnetfeld werden Magnetkräfte zwischen dem Ständer und dem Läufer erzeugt. Hierdurch entstehen Radialkräfte zwischen dem Ständer und dem Läufer, die unter anderem zu Zugspannungen im Blechpaket des Ständers führen. Die Zugspannungen sind über den Umfang des Ständers räumlich nicht gleich groß, sondern variieren räumlich aufgrund der diskreten Nutung im Ständer und im Läufer. Beim Betrieb einer elektrischen Maschine entstehen dabei räumlich und zeitlich umlaufende Zugspannungswellen, die zu einer entsprechenden umlaufenden Verformung des Ständerblechpakets führen. Die Verformung ist im Vergleich zu den Dimensionen der elektrischen Maschine zwar relativ klein, kann aber insbesondere bei großen Maschinen zu einer hörbaren Geräuschemission führen, die üblicherweise als Magnetgeräusch bezeichnet wird.
An der Entstehung von Magnetgeräuschen sind so genannte Läuferrestfelder beteiligt, die wie folgt entstehen. Im Läufer von Induktions- und Synchronmaschinen befindet sich eine Käfigwicklung. Das von der Ständerwicklung erzeugte Luftspaltfeld lässt sich nach der so genannten Drehfeldtheorie als eine Summe von Drehwellen betrachten, die jeweils eine charakteristische Ordnungszahl und charakteristische Frequenz besitzen. Jede dieser Drehwellen induziert in den Maschen der Käfigwicklung Spannungen, die wiederum dämpfende Ströme treiben. Diese dämpfenden Ströme haben ein rückwirkendes Magnetfeld auf den Ständer zur Folge, das neben einer Drehwelle der ursprünglichen Ordnungszahl zusätzliche Oberwellen besitzt, die als Läuferrestfelder bezeichnet werden.
Durch die erfindungsgemäße ungleichmäßige Beabstandung der Nuten des Ständers und/oder des Läufers kann das Magnetgeräusch erheblich reduziert werden, in dem die Zugspannungsverläufe bestimmte Frequenzanteile nicht enthalten oder diese Frequenzanteile zumindest erheblich reduziert sind. Hierbei können bereits bei der Konstruktion der elektrischen Maschine Resonanzeffekte berücksichtigt werden, d. h. die Variation der Abstände der Nuten wird derart bestimmt, dass insbesondere diejenigen Frequenzanteile der Zugspannungswellen reduziert werden, die im Bereich von Resonanzfrequenzen der elektrischen Maschine liegen. Im Ergebnis kann beispielsweise der Abstand zwischen den Nuten derart variiert werden, dass die einzelnen Frequenzanteile des resultierenden Magnetgeräuschs im Sinne eines „weißen Rauschens” vergleichmäßigt werden und damit als weniger störend empfunden werden.
Die Erfindung ist grundsätzlich vorteilhaft bei allen Arten von elektrischen Maschinen, die eine Rotations- oder Translationsbewegung ausführen, einsetzbar. Erforderlich ist lediglich, dass ein Ständer und ein Läufer vorhanden sind, wobei zumindest entweder der Ständer oder der Läufer Nuten für eine Wicklung bzw. für elektrische Leiter aufweisen muss. Die Erfindung ist auch vorteilhaft bei elektrischen Maschinen anwendbar, bei denen sowohl der Ständer als auch der Läufer Nuten aufweisen. In diesem Fall kann die erfindungsgemäße Lehre der ungleichmäßigen Beabstandung der Nuten sowohl auf den Ständer als auch auf den Läufer angewandt werden. Ein besonders vorteilhaftes Anwendungsgebiet der Erfindung sind die Induktionsmaschinen und die Synchronmaschinen, da bei solchen Maschinen die Magnetgeräusche eine große praktische Relevanz haben.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Nuten nach einem Verteilungsschema F(n) angeordnet. n ist hierbei eine laufende Nummerierung der Nuten, d. h. eine ganze Zahl. Das Verteilungsschema F(n) ist derart bestimmt, dass vorbestimmte Frequenzanteile des Maschinengeräuschs verringert ist oder nicht auftritt. Ziel ist es, solche Frequenzanteile im Vergleich zu einer konventionellen elektrischen Maschine, d. h. eine Maschine, die nicht gemäß der Erfindung aufgebaut ist, hinsichtlich ihrer Amplitude zumindest zu verringern oder ganz zu vermeiden. Insbesondere soll eine Erregung solcher Frequenzanteile soweit wie möglich reduziert sein.
An Magnetgeräuschen elektrischer Maschinen wird insbesondere als störend empfunden, dass häufig dedizierte Einzeltöne entstehen, die sich aus dem Gesamtgeräusch der Maschine, zu dem auch Luft- und Lagergeräusche beitragen, abheben. Ursache der Magnetgeräusche ist, wie bereits erläutert, dass das Magnetfeld im Luftspalt der Maschine auf den Ständer und auf den Läufer Maxwellsche Grenzflächenkräfte ausübt, die vor allem den Ständer verformen können. Besonders große Verformungen und damit die genannten Einzeltöne entstehen, wenn bestimmte spektrale Anteile des Luftspaltfelds gerade bestimmte Teile der Maschine, z. B. den Ständer, in der Nähe einer Eigenfrequenz anregen. Vorteilhaft kann dies durch die Bestimmung eines Verteilungsschemas F(n) vermieden werden, das gerade so bestimmt ist, dass Frequenzanteile in der Nähe von Eigenfrequenzen verringert sind oder nicht auftreten.
Das Verteilungsschema F(n) kann z. B. als Tabelle der Abstände der Nuten ab hängig von der Nutennummer n erstellt sein, d. h. eine Angabe relativer Abstände jeweils benachbarter Nuten zueinander. Denkbar ist auch, die Lage der Nuten derart anzugeben, dass einer Nut n eine Mittenposition in Form einer Winkelangabe φ_n in einem Polarkoordinatensystem, das seinen Ursprung in der Drehachse des Läufers hat, zugeordnet wird. Das Verteilungsschema F(n) kann bereits vor der eigentlichen Herstellung der Maschine durch Computersimulation bestimmt werden. Hierbei wird an einem Computermodell einer elektrischen Maschine eine Berechnung erwarteter Magnetgeräusche durchgeführt und dann beispielsweise durch einen iterativen Prozess das Verteilungsschema F(n) bestimmt, beispielsweise durch automatische Variation der Abstände zwischen den Nuten im Rahmen des Computerprogramms, bis ein Minimum der Amplitude der Magnetgeräusche erreicht ist.
Gemäß vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung können weitere Konstruktionsparameter der elektrischen Maschine, neben der erwähnten Lage der Nuten bzw. der Nutteilung, über den Umfang der elektrischen Maschine ungleichmäßig sein. Hierdurch stehen weitere Parameter zur Optimierung der Maschine und Minimierung des Magnetgeräusches zur Verfügung. Die Einbeziehung solcher weiteren Konstruktionsparameter erlaubt es, eine geeignete Abstimmung zwischen diesen Konstruktionsparametern derart zu finden, dass einerseits das Magnetgeräusch möglichst weitgehend reduziert ist, andererseits aber die ungleichmäßige Verteilung der Konstruktionsparameter keine spürbare Leistungs- oder Wirkungsgradverschlechterung der elektrischen Maschine zur Folge hat.
Als weitere Konstruktionsparameter können insbesondere die Breite der zwischen den Nuten gebildeten Zähne, die Breite der Nuten an sich, die Nutschlitzbreite und/oder die Tiefe der Nuten über den Umfang des Ständers bzw. des Läufers ungleichmäßig sein. Vorteilhaft können diese weiteren Parameter in das Verteilungsschema F(n) einbezogen werden, derart, dass das Verteilungsschema F(n) beispielsweise nach Art einer Tabelle eine Zuordnung der einzelnen Konstruktionsparameter Nutenabstand oder -winkellage, Zahnbreite, Nutenbreite, Nutschlitzbreite und Nutentiefe zu der jeweiligen Nutennummer n beinhaltet.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine der zuvor erwähnten Art beinhaltet die Schritte:

c) Berechnung eines Verteilungsschemas F(n) der Nuten des Ständers und/oder des Läufers, wobei n eine laufende Nummerierung der Nuten ist, derart, dass vorbestimmte Frequenzanteile des Maschinengeräuschs verringert ist oder nicht auftritt,
d) Herstellen des Läufers und/oder des Ständers gemäß den Berechnungsergebnissen aus Schritt c), und
e) Herstellung einer elektrischen Maschine mit einem Läufer und einem Ständer gemäß dem Schritt d).

Vorteilhaft kann hiermit bereits in einer frühen Phase der Herstellung der elektrischen Maschine, nämlich bei der Konzeption der Nutenverteilung des Ständers und des Läufers und ggf. der weiteren zuvor erwähnten Konstruktionsparameter ein günstiger Einfluss auf die an der späteren Maschine entstehenden Magnetgeräusche genommen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt im Schritt c) die Berechnung durch Computersimulation der elektrischen Maschine und eine iterative Ermittlung des Verteilungsschemas F(n). Die Verwendung einer Computersimulation hat den Vorteil, dass die Entwicklung einer elektrischen Maschine schnell und kostengünstig erfolgen kann, insbesondere ohne den Aufbau einer Vielzahl von Prototypen. Zudem erlaubt die Computersimulation die Einbeziehung einer hohen Zahl von physikalischen Größen und Konstruktionsparametern der elektrischen Maschine auf einfache Weise. Vorteilhaft können in die Berechnung des Verteilungsschemas F(n) neben den Nutenabständen als weitere Konstruktionsparameter der elektrischen Maschine die Breite der zwischen den Nuten gebildeten Zähne, die Nutenbreite, die Nutschitzbreite und/oder die Nutentiefe berücksichtigt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
1 – einen Querschnitt durch eine Induktionsmaschine und
2 – einen beispielhaften Verlauf der Luftspaltinduktion über den Umfang einer elektrischen Maschine und
3 und 4 – einen Ausschnitt des Läufers der elektrischen Maschine gemäß 1 und
5 – einen Ausschnitt eines Läufers mit ungleichmäßig verlaufenden Konstruktionsparametern.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
Die in der 1 dargestellte elektrische Maschine ist als Induktionsmaschine ausgeführt. Die Maschine weist einen Ständer 1 und einen Läufer 2 auf. Der Läufer 2 ist um eine Achse 3 rotierbar. Der Ständer 1 ist mit einem Blechpaket aufgebaut, d. h. aus einer Aneinanderreihung dünner Eisenbleche. Das Blechpaket weist Nuten 4 auf, zwischen denen Zähne 5 gebildet sind. In den Nuten 4 sind Leitungsschleifen 6 einer Wicklung angeordnet. Die Wicklung dient zur Erzeugung eines Magnetfelds. Das Magnetfeld ist als umlaufendes Drehfeld ausgebildet, durch das Spannungen in einer Wicklung des Läufers 2 induziert werden. Die Spannungen erzeugen ein Läufermagnetfeld, durch das der Läufer 2 in Bewegung versetzt wird.
Der Läufer 2 weist seinerseits Nuten 7 und zwischen den Nuten gebildete Zähne 8 auf. In den Läufernuten 7 sind Leitungsschleifen oder Stäbe 9 einer Läuferwicklung angeordnet.
In der 1 sind die Leitungsschleifen der Ständerwicklung und der Läuferwicklung durch eine einzelne Leitung symbolisiert. In der Praxis besteht die Wicklung aus einer Vielzahl von Leitungsschleifen, die in den jeweiligen Nuten 4, 7 angeordnet sind, wobei die Nuten in der Regel von den Leitungsschleifen möglichst vollständig ausgefüllt sind.
Im Fall eines Käfigläufers sind die Leitungsschleifen als einzelne Käfigstäbe 9 ausgebildet.
In der 2 ist beispielhaft der Verlauf der Induktion im Luftspalt zwischen dem Ständer 1 und dem Läufer 2 über einen Umfangsbereich von 45° der elektrischen Maschine dargestellt. Wie erkennbar ist, verläuft die Induktion und damit die durch die Induktion hervorgerufene Zugspannung zwischen Ständer und Läufer räumlich nicht rein sinusförmig, sondern weist eine Mehrzahl von Oberwellen auf. Die von der Läuferwicklung erzeugten Oberwellen werden als Läuferrestfelder bezeichnet und sind an der Entstehung von Magnetgeräuschen maßgeblich beteiligt.
Die 3 zeigt einen Ausschnitt des Läufers 2 in vergrößerter Darstellung. Dargestellt sind drei Nuten 7 sowie drei Zähne 8. Die 4 zeigt die gleiche Anordnung wie die 3. Die 3 und 4 dienen zur Verdeutlichung der Konstruktionsparameter der elektrischen Maschine. Wie in den 3 und 4 ersichtlich ist, weisen die Zähne 8 Zahnköpfe 10 in Form von seitlichen Überständen auf. Infolge der Zahnköpfe 10 sind die Nuten 7 im unteren Bereich breiter als im oberen Bereich der Zähne 8.
Ein erster Konstruktionsparameter ist der Abstand A zwischen den Nuten 7. Als Abstand A wird der Abstand zwischen den Mittelpunkten der jeweiligen Nuten 7 verstanden. Als erster Konstruktionsparameter kann auch die Nutteilung verwendet werden.
Ein weiterer Konstruktionsparameter ist die Zahnbreite B, die als Abstand zweier benachbarter Zahnflanken bei halber Zahnhöhe verstanden wird.
Ein weiterer Konstruktionsparameter ist die Nutenbreite C, die als Abstand zweier benachbarter Nutenflanken bei halber Nutentiefe verstanden wird.
Ein weiterer Konstruktionsparameter ist die Zahnhöhe D.
Ein weiterer Konstruktionsparameter ist die Breite des Nutschlitzes E, die als Abstand zweier benachbarter Zahnköpfe 10 bei halber Zahnkopfhöhe verstanden wird.
Die genannten Konstruktionsparameter A, B, C, D und E können erfindungsgemäß über den Umfang des Ständers und/oder des Läufers ungleichmäßig sein. Die 5 zeigt ein Beispiel für eine Variation der Konstruktionsparameter A, B, C, D und E über den Umfangswinkel φ.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007038527 A1 [0002]
EP 2071707 A1 [0002]

Claims

Elektrische Maschine mit einem Ständer (1) und einem Läufer (2), wobei der Läufer (2) gegenüber dem Ständer (1) rotatorisch oder translatorisch bewegbar ist und a) der Ständer (1) Nuten (4) aufweist, in denen Leitungsschleifen (6) einer Wicklung zur elektrischen Erzeugung eines Magnetfelds angeordnet sind, und b) der Läufer (1) Nuten (7) aufweist, in denen Leitungsschleifen (9) einer Wicklung oder Käfigstäbe (9) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass c) die Nuten (4, 7) des Ständers und/oder des Läufers über den Umfang des Ständers (1) bzw. des Läufers (2) ungleichmäßig voneinander beabstandet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (4, 7) nach einem Verteilungsschema F(n), wobei n eine laufende Nummerierung der Nuten (4, 7) ist, angeordnet sind, und das Verteilungsschema derart bestimmt ist, dass wenigstens ein vorbestimmter Frequenzanteil des Maschinengeräuschs verringert ist oder nicht auftritt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Frequenzanteil, der verringert ist oder nicht auftritt, im Bereich einer Resonanzfrequenz der Maschine ist.
Elektrische Maschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilungsschema F(n) neben der Anordnung der Nuten (4, 7) als weiteren Konstruktionsparameter der elektrischen Maschine die Breite (B) der zwischen den Nuten (4, 7) gebildeten Zähne (5, 8), die Nutenbreite (C), die Nutenschlitzbreite (E) und/oder die Nutentiefe (D) enthält.
Elektrische Maschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) der zwischen den Nuten (4, 7) gebildeten Zähne (5, 8) über den Umfang des Ständers (1) bzw. des Läufers (2) ungleichmäßig ist.
Elektrische Maschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (C) der Nuten (4, 7) über den Umfang des Ständers (1) bzw. des Läufers (2) ungleichmäßig ist.
Elektrische Maschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (D) der Nuten (4, 7) über den Umfang des Ständers (1) bzw. des Läufers (2) ungleichmäßig ist.
Elektrische Maschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutenschlitzbreite (E) über den Umfang des Ständers (1) bzw. des Läufers (2) ungleichmäßig ist.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine, die einen Ständer (1) und einen Läufer (2) aufweist, wobei der Läufer (2) gegenüber dem Ständer (1) rotatorisch bewegbar ist, und a) der Ständer (1) Nuten (4) aufweist, in denen Leitungsschleifen (6) einer Wicklung zur elektrischen Erzeugung eines Magnetfelds angeordnet sind, und b) der Läufer (2) Nuten (7) aufweist, in denen Leitungsschleifen (9) einer Wicklung oder Käfigstäbe (9) angeordnet sind, mit den Schritten: c) Berechnung eines Verteilungsschemas F(n) der Nuten (4, 7) des Ständers (1) und/oder des Läufers (2), wobei n eine laufende Nummerierung der Nuten (4, 7) ist, derart, dass wenigstens ein vorbestimmter Frequenzanteil des Maschinengeräuschs verringert ist oder nicht auftritt, d) Herstellen des Läufers (2) und/oder des Ständers (1) gemäß den Berechnungsergebnissen aus Schritt c), und e) Herstellung einer elektrischen Maschine mit einem Läufer (2) und einem Ständer (1) gemäß dem Schritt d).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) die Berechnung durch Computer-Simulation der elektrischen Maschine und eine iterative Ermittlung des Verteilungsschemas F(n) erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilungsschema F(n) neben der Lage der Nuten (4, 7) als weitere Konstruktionsparameter der elektrischen Maschine die Breite (B) der zwischen den Nuten (4, 7) gebildeten Zähne (5, 8), die Nutenbreite (C), die Nutenschlitzbreite (E) und/oder die Nutentiefe (D) enthält.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Frequenzanteil, der verringert ist oder nicht auftritt, im Bereich einer Resonanzfrequenz der Maschine ist.