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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Stator für einen Elektromotor und insbesondere eine Zahnspitze für den Stator des Elektromotors.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Elektromotoren enthalten Statoranordnungen, die Leitungsdrähte für den Motor aufweisen. Ein Statorstapel für die Statoranordnung enthält Zähne, die sich vom Statorstapel radial wegerstrecken. Die Leitungsdrähte sind in Nuten eingebracht, die durch die voneinander beabstandeten Statorzähne definiert sind.
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Wenn der Elektromotor arbeitet, wird ein Magnetfluss allgemein über die Statorzähne vom Stator an den Rotor und umgekehrt geleitet. Wie dem Fachmann auf dem Gebiet der elektrischen Maschinen wohl bekannt ist, bringt das Vorhandensein der alternierenden Statorzähne und Nuten jedoch Nutungseffekte mit sich. Die Nutungseffekte umfassen unnötige Flussvariationen, wenn der Rotor rotiert, die eine Hauptursache der Drehmomentwelligkeit und des Eisenverlusts in einer elektrischen Maschine sind. Diese beiden sind unerwünscht und ein Maschinenkonstrukteur versucht, beide Effekte zu minimieren. Eine Möglichkeit zur Abschwächung dieser Effekte besteht dann, ein magnetisches Material, das demjenigen des Statorstapels ähnelt, in der Form eines Keils hinzuzufügen und den Keil in die Nuten zwischen den Zähnen bei den radialen Endpunkten der Leitungsdrähte einzubringen. Die Keile minimieren die ungewünschten Flussvariationen, die sich aus den Statorzähnen ergeben, wenn der Rotor rotiert. Das Hinzufügen separater Keile in jede Statornut ist jedoch ein schwieriger Fertigungsprozess. Als Folge wird er kaum in einem Endprodukt implementiert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein Elektromotor umfasst einen Rotor und eine Statoranordnung, die konzentrisch um den Rotor herum angeordnet ist. Die Statoranordnung enthält einen Statorstapel und eine Vielzahl von voneinander beabstandeten Statorzähnen, die sich vom Statorstapel radial wegerstrecken. Die Vielzahl von Statorzähnen definiert eine Vielzahl von Statornuten. Jeder Statorzahn definiert eine Statorzahnspitze. Die Statorzahnspitzen sind mit den Statorzähnen einstückig ausgebildet und sind mit geometrischen Formen versehen, welche die Magnetflussvariationen verringern, die während eines Betriebs des Elektromotors durch die Statoranordnung erzeugt werden.
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Ein Verfahren zum Verringern einer Magnetflussvariation für eine Statoranordnung umfasst, dass eine Vielzahl von Statorzahnspitzen an einer Vielzahl von Statorzähnen für einen Statorstapel ausgebildet wird. Die Statorzahnspitzen werden so ausgebildet, dass ein Spalt in einer Statornut, der zwischen den Statorzähnen und einer Vielzahl von Leitungsdrähten angeordnet ist, minimiert wird.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Rotors und einer Statoranordnung nach dem Stand der Technik;
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2 ist eine schematische Teilquerschnittsansicht des Rotors und der Statoranordnung nach dem Stand der Technik, die den Magnetfluss darstellt, der durch Statorzähne der Statoranordnung erzeugt wird;
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3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform eines Rotors und einer Statoranordnung;
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4 ist eine schematische Teilquerschnittsansicht der ersten Ausführungsform einer Statoranordnung, die eine erste Vielzahl von Statorzähnen zeigt;
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5 ist eine schematische Teilquerschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform einer Statoranordnung, die eine zweite Vielzahl von Statorzähnen zeigt;
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6 ist eine schematische Teilquerschnittsansicht einer dritten Ausführungsform einer Statoranordnung, die eine dritte Vielzahl von Statorzähnen zeigt; und
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7 ist eine schematische Teilquerschnittsansicht einer vierten Ausführungsform einer Statoranordnung, die eine vierte Vielzahl von Statorzähnen zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit Bezug auf die Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, stellen 1 und 2 teilweise auf schematische Weise einen Elektromotor 10 nach dem Stand der Technik mit einer Statoranordnung 12 und einem Rotor 14 dar. Die Statoranordnung 12 enthält eine Vielzahl von Statorzähnen 16. Die Statorzähne 16 erstrecken sich radial von einem Statorstapel 18 weg und sind voneinander beabstandet, um Statornuten 20 auszubilden. Eine Vielzahl von Leitungsdrähten 22 ist in die Statornuten 20 eingebracht und ist von einer Statornutauskleidung 24 umgeben.
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Wenn Statorwicklungen (die Vielzahl von Leitungsdrähten 22) mit einem Strom erregt werden, wird ein Statorfluss 28 erzeugt. Einige Teile des Statorflusses 28 überqueren den Luftspalt und koppeln mit dem Rotor 14, wodurch ein Drehmoment erzeugt wird. Ein anderer Teil des Statorflusses 28 jedoch, der für gewöhnlich der Leckfluss genannt wird, zirkuliert um die Statorzähne 16 und die Nut 20 herum. Dieser Leckfluss überquert den Luftspalt nicht und trägt daher nicht zur Erzeugung des Drehmoments bei. Es ist daher wünschenswert, sowohl den Leckfluss als auch die Flussvariation zwischen dem Rotor und dem Stator, die als der Nutungseffekt bekannt ist, zu minimieren. Wenn die Rotordrehzahl zunimmt, wird auch die Frequenz dieses Nutungseffekts, der durch den Statorfluss 28 und den Rotorfluss erzeugt wird, ebenfalls erhöht.
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3 ist eine schematische perspektivische Teildarstellung einer ersten Ausführungsform eines Elektromotors 30 mit einer Statoranordnung 32 und einem Rotor 34. Die Statoranordnung 32 enthält eine Vielzahl von Statorzähnen 36. Die Statorzähne 36 erstrecken sich radial von einem Statorstapel 38 weg und sind voneinander beabstandet, um Statornuten 40 auszubilden. Eine Vielzahl von Leitungsdrähten 42 ist vom axialen Ende des Statorstapels 38 aus in die Statornuten 40 eingebracht. Die Leitungsdrähte 42 sind von einer Statornutauskleidung 44 (in 4 gezeigt) umgeben. Die Leitungsdrähte 42 sind als rechteckige Leitungsdrähte 42 aus Draht dargestellt, können aber andere Querschnittsformen aufweisen.
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Mit Bezug auf 4 weist jeder der Statorzähne 36 mindestens eine einstückig damit ausgebildete Statorspitze 48 auf. Ein Raum kann zwischen benachbarten Statorzahnspitzen 48 angeordnet sein, um wie gezeigt eine offene Statornut 40 auszubilden oder die benachbarten Statorzahnspitzen 48 können einander berühren, um eine geschlossene Statornut (in 5 gezeigt) auszubilden. Bei beiden Ausführungsformen bleibt ein Spalt 46 in der Statornut 40 ungefüllt, nachdem die Leitungsdrähte 42 in die Statornut 40 eingebracht worden sind.
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Bei der gezeigten Ausführungsform weisen die Statorspitzen 48 an ihren Seiten eine parabelförmige Kurve auf. Die Statorspitzen 48 sind so ausgestaltet, dass die Größe des Spalts 46 in den Statornuten 40 verringert wird. An den radialen Enden jedes Statorzahns 36 sind die Statorspitzen 48 jedoch immer noch voneinander beabstandet, um offene Statornuten 40 auszubilden. Die Form der Statorspitzen 48 kann so ausgebildet sein, dass der Betrag an Magnetfluss und der auftretende Nutungseffekt optimiert werden. Durch das Optimieren der Form der Statorspitzen 48 kann die Statoranordnung 32 auf eine spezielle Konfiguration oder Anwendung des Elektromotors 30 abgestimmt werden. Die Reduktion des Nutungseffekts führt zu einer gleichmäßigeren Drehung des Rotors 34 und einem effizienteren Elektromotor 30.
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5 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform eines Elektromotors 130 mit einer Statoranordnung 132 und einem Rotor 134. Die Statoranordnung 132 enthält eine Vielzahl von Statorzähnen 136. Die Statorzähne 136 erstrecken sich radial von einem Statorstapel 138 weg und sind voneinander beabstandet, um Statornuten 140 auszubilden. Eine Vielzahl von Leitungsdrähten 142 ist in die Statornuten 140 vom axialen Ende des Statorstapels 138 aus eingebracht. Die Leitungsdrähte 142 sind von einer Statornutauskleidung 144 umgeben. Die Leitungsdrähte 142 sind als rechteckige Leitungsdrähte 142 aus Draht dargestellt, können aber andere Querschnittsformen aufweisen. Ein Spalt 146 in den Statornuten 140 bleibt ungefüllt, nachdem die Leitungsdrähte 142 und die Nutauskleidung 144 eingebracht sind.
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Jeder der Statorzähne 136 weist mindestens eine Statorspitze 148 auf, die darin einstückig ausgebildet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Statorspitzen 148 gerade Flächen, die sich von den Statorzähnen 136 weg erstrecken und sich berühren, um eine geschlossene Statornut 140 auszubilden. Ein Spalt 146 bleibt übrig, nachdem die Leitungsdrähte 142 in die geschlossene Statornut 140 eingebracht worden sind. Die Statorspitzen 148 sind so ausgestaltet, dass die Größe des Spalts 146 der Statornuten 140 verringert wird. An den radialen Enden jedes Statorzahns 136 kontaktieren sich die Statorspitzen 148 untereinander (oder sind zusammen ausgebildet), um geschlossene Statornuten 140 auszubilden. Die Form der Statorspitzen 148 kann so ausgebildet sein, dass der Betrag an auftretendem Magnetfluss optimiert wird. Die Statorspitzen 148 sind derart geformt, dass die Statornut 140 geschlossen ist, während die Dicke der Zahnspitze 148 an der Stelle, an der sich die zwei Spitzen verbinden, klein genug ist, um den Leckfluss zu verringern. Aufgrund des Verschlusses der Statornut 140 werden der Nutungseffekt und seine ungewünschten Konsequenzen, die Drehmomentwelligkeit und der Eisenverlust, in erheblichem Ausmaß verringert. Durch ein Optimieren der Form der Statorspitzen 148 kann die Statoranordnung 132 auf eine spezielle Konfiguration oder Anwendung des Elektromotors 130 abgestimmt werden. Die Verringerung beim Magnetfluss führt zu einer gleichmäßigeren Rotation des Rotors 134 und zu einem effizienteren Elektromotor 130. Außerdem wird die absolute Drehmomentausgabe des Elektromotors 130 als Folge der Abnahme von Torsionsvibrationen des Rotors 134 erhöht.
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6 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform eines Elektromotors 230 mit einer Statoranordnung 232 und einem Rotor 234. Die Statoranordnung 232 enthält eine Vielzahl von Statorzähnen 236. Die Statorzähne 236 erstrecken sich radial von einem Statorstapel 238 weg und sind voneinander beabstandet, um Statornuten 240 auszubilden. Eine Vielzahl von Leitungsdrähten 242 ist in die Statornuten 240 vom axialen Ende des Statorstapels 238 aus eingebracht. Die Leitungsdrähte 242 sind von einer Statornutauskleidung 244 umgeben. Die Leitungsdrähte 242 sind als rechteckige Leitungsdrähte 242 aus Draht dargestellt, können aber andere Querschnittsformen aufweisen. Ein Spalt 246 in den Statornuten 240 bleibt leer, nachdem die Leitungsdrähte 242 und die Nutauskleidung 244 eingebracht sind.
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Jeder der Statorzähne 236 weist mindestens eine Statorspitze 248 auf, die darin einstückig ausgebildet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Statorspitzen 248 gebogene Flächen, die sich von den Statorzähnen 236 wegerstrecken, um einen allgemein halbkreisförmigen Spalt 246 in der Statornut 240 auszubilden. An den radialen Enden jedes Statorzahns 236 kontaktieren die Statorspitzen 248 einander, um geschlossene Statornuten 240 auszubilden. Die Form der Statorspitzen 248 kann so ausgebildet sein, dass der Betrag an auftretendem magnetischem Leckfluss optimiert wird und dass der Nutungseffekt minimiert wird. Durch ein Optimieren der Form der Statorspitzen 248 kann die Statoranordnung 232 auf eine spezielle Konfiguration oder Anwendung des Elektromotors 230 abgestimmt werden. Die Verringerung beim Magnetfluss führt zu einer gleichmäßigeren Rotation des Rotors 234 und einem effizienteren Elektromotor 230.
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7 stellt eine vierte Ausführungsform eines Elektromotors 330 mit einer Statoranordnung 332 und einem Rotor 334 dar. Die Statoranordnung 332 enthält eine Vielzahl von Statorzähnen 336. Die Statorzähne 336 erstrecken sich radial von einem Statorstapel 338 weg und sind voneinander beabstandet, um Statornuten 340 auszubilden. Eine Vielzahl von Leitungsdrähten 342 ist in die Statornuten 340 vom axialen Ende des Statorstapels 338 aus eingebracht. Die Leitungsdrähte 342 sind von einer Statornutauskleidung 344 umgeben. Die Leitungsdrähte 342 sind als rechteckige Leitungsdrähte 342 aus Draht dargestellt, können aber andere Querschnittsformen aufweisen. Ein Spalt 346 in den Statornuten 340 bleibt leer, nachdem die Leitungsdrähte 342 und die Nutauskleidung 344 eingebracht sind.
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Jeder der Statorzähne 336 weist mindestens eine Statorspitze 348 auf, die darin einstückig ausgebildet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform variieren die Formen der Statorspitzen 348 untereinander, um für jede Statornut 340 einen anders geformten Spalt 346 zu erzeugen. Außerdem können benachbarte Statorspitzen 348 eine voneinander verschiedene Form aufweisen, um einen asymmetrischen Spalt 346 für eine spezielle Statornut 340 zu schaffen. Die Form und Variation für die Statorspitzen 348 kann zufällig sein oder ein Muster bilden. Die Statorspitzen 348 sind so geformt, dass sie die Größe der Spalte 346 in den Statornuten 340 verringern. An den radialen Enden jedes Statorzahns 336 kontaktieren die Statorspitzen 348 einander, um geschlossene Statornuten 340 auszubilden. Die Form der Statorspitzen 348 kann so ausgebildet sein, dass der Betrag an auftretendem magnetischem Leckfluss optimiert wird und der Nutungseffekt minimiert wird. Durch Optimieren der Form der Statorspitzen 348 kann die Statoranordnung 332 auf eine spezielle Konfiguration oder Anwendung des Elektromotors 330 abgestimmt werden. Die Verringerung der magnetischen Nutungseffekte führt zu einer gleichmäßigeren Rotation des Rotors 334 und einem effizienteren Elektromotor 330.
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Wie durch die vorstehenden Ausführungsformen erörtert wurde, kann die Form der Statorspitzen 48, 148, 248, 348 so bestimmt werden, dass der erzeugte Magnetfluss durch die Statorzähne 36, 136, 236, 336 optimiert wird. Die Statorspitzen 48, 148, 248, 348 können daher gerade Flächen aufweisen und offene oder geschlossene Statornuten 40, 140, 240, 340 ausbilden oder eine gebogene Form aufweisen und offene oder geschlossene Statornuten 40, 140, 240, 340 ausbilden. Außerdem können die Formen der Statorspitzen 48, 148, 248, 348 auch untereinander variieren und/oder asymmetrische Spalte 46, 146, 246, 346 für die Statornuten 40, 140, 240, 340 ausbilden. Die vorstehenden Ausführungsformen zeigen mehrere Variationen bei den Formen der Statorspitzen 48, 148, 248, 348. Es können jedoch andere Formen als diejenigen, die vorstehend dargestellt sind, verwendet werden. Der Fachmann kennt die beste Form, um einen Elektromotor 30, 130, 230, 330 bei einer gegebenen Anwendung und Konfiguration zu verwenden.
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Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung im Umfang der beigefügten Ansprüche erkennen.
