DE102015109479B4

DE102015109479B4 - Dreiphasen-Wechselstrom-Elektromotor mit Anordnung zur Reduzierung einer Drehmomentwelligkeit

Info

Publication number: DE102015109479B4
Application number: DE102015109479.7A
Authority: DE
Inventors: Takashi Ito
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-06-18
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2035-06-16
Also published as: CN105281463A; JP2016005409A; CN204794436U; US9768656B2; US20150372552A1; DE102015109479A1; JP6117740B2; CN105281463B

Abstract

Dreiphasen-Wechselstrom-Elektromotor, in dem dann, wenn eine Anzahl der Polpaare eines Rotors des Elektromotors P und eine Anzahl der Nuten, in welche die Wicklungen eines Stators (6) eingesetzt sind, N ist, N/(6P) ein nicht kürzbarer Bruch mit einem Wert eines Nenners von 4 oder größer wird und wobei die Beziehung N > 3P erfüllt wird,wobei in diesem Dreiphasen-Wechselstrom-Elektromotor in den Nuten (2), in welche die Wicklungen eingesetzt sind, beliebige Wicklungen (4) der drei Phasen und ihrer Umkehrrichtungen für die insgesamt sechs Phasen für jede Nut (2) in zwei Schichten eingeteilt angeordnet sind, wobei unter den zwei Schichten von Wicklungen (4), die in jeder Nut (2) angeordnet sind, die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Dreiphasenwicklung (4) für das Layout der einen Wicklungsschicht so eingerichtet sind, dass sie eine Drehsymmetrie von ±120 Grad bezüglich eines mechanischen Winkels zueinander aufweisen, wobei für das Layout der anderen Wicklungsschicht die Wicklungen im elektrischen Winkel in der Richtung um 180 Grad gegenüber den Phasen der ersten Schicht von Wicklungen (4), welche die Drehsymmetrie aufweisen, umgepolt und um eine Anzahl M von Nuten von der ersten Schicht von Wicklungen (4) aus versetzt eingerichtet sind, undwobei die Anzahl der Polpaare P, die Anzahl der Nuten N und eine Nutenversatzzahl M die folgende Beziehung erfüllen, in der T ein ausgewählter Wert der ungeraden Zahl ist, mit der sich die folgende Beziehung einhalten lässt:

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dreiphasen-Wechselstrom-Elektromotor, der eine Konstruktion aufweist, mit der die Drehmomentwelligkeit verringert wird, insbesondere betrifft sie einen Dreiphasen-Wechselstrom-Elektromotor mit verteilter Wicklung, in dem die verschiedenen Phasen auf mehrere Nuten verteilt gewickelt sind.
Beschreibung des Standes der Technik
Elektromotoren, die mit Permanentmagneten ausgerüstet sind, sind einer Pulsation, die als „Rastmoment“ bezeichnet wird, und Drehmomentschwankungen unterworfen, die als „Drehmomentwelligkeit“ bezeichnet werden. Das Rastmoment ist ein Phänomen, bei dem die magnetische Anziehungskraft zwischen dem Anker und dem Rotor im Elektromotor in Abhängigkeit vom Drehwinkel schwach vibriert und das nachgewiesen werden kann, wenn die Welle des Elektromotors von Hand usw. gedreht wird, ohne dass ein Strom durch den Elektromotor fließt. Das Rastmoment verändert sich in der Größe bedingt durch die Form des Rotors oder Stators usw. Die Drehmomentwelligkeit hingegen tritt bedingt durch die Wellenform der induzierten elektromotorischen Kraft im Elektromotor auf, die von der idealen Wellenform abweicht. Die Oberwellen des magnetischen Flusses, der vom Rotor erzeugt wird (oder die Oberwellen der induzierten Spannung, die vom magnetischen Fluss aus erzeugt wird) sind die Ursache. Das Phänomen hängt von der Größe des Stroms ab (Drehmomentwelligkeit ∝ Oberwelle der induzierten Spannung × Strom). In einem Elektromotor gibt es insbesondere eine Tendenz dahingehend, dass die Pulskomponenten groß sind, welche eine Zahl der Polpaare × 6-fache Schwingung für eine Umdrehung des Rotors enthalten.
Wie eingangs erläutert wurde, weist das Drehmoment, das vom Elektromotor erzeugt wird, das eingangs erwähnte Rastmoment und die Drehmomentwelligkeit auf, die ihm als Pulsation überlagert ist. Wegen des Vorhandenseins einer derartigen Pulsation treten in der Vorrichtung, die vom Elektromotor angetrieben wird, eine Vibration und ein Geräusch auf. Was die Größe der Pulsation betrifft, überwiegt das Rastmoment, wenn die Belastung des Elektromotors klein ist, während die Drehmomentwelligkeit überwiegt, wenn die Belastung des Elektromotors groß ist. Das ist so, weil der Strom zum Antreiben des Elektromotors klein wird, wenn die Belastung des Elektromotors klein ist, während der Strom zum Antreiben des Elektromotors groß wird, wenn die Belastung des Elektromotors groß ist.
Das konventionelle Verfahren zum Verringern der Drehmomentwelligkeit hat darin bestanden, die Form des Kerns des Rotors oder die Form des Kerns des Stators, die Schrägstellung, mit der die magnetischen Polgrenzflächen des Kerns des Rotors von der Axialrichtung aus geneigt sind, die Schrägstellung am Kern des Stators usw. zu optimieren. Eine Umgestaltung eines Elektromotors zur Optimierung macht jedoch eine komplizierte Struktur des Elektromotors erforderlich und hat eine Zunahme der Arbeitsstunden in der Produktion zur Folge. Ferner hängt die Drehmomentwelligkeit von der Größe des Stroms ab, sodass selbst dann, wenn Maßnahmen, wie z.B. eine Schrägstellung, ergriffen werden, der Effekt gering ist, wenn für einen Antriebsvorgang ein verhältnismäßig großer Strom verwendet wird.
Diesbezüglich beeinflussen die Anzahl der Magnetpole (Polzahl), die Anzahl der Nuten, welche die Wicklungen halten, und das Layout der Wicklungen in den Nuten auch die Größenordnungen des Rastmoments sowie der Drehmomentwelligkeit. Als eine Kombination aus der Polzahl und der Nutenzahl, die eine Verringerung des Rastmoments und der Drehmomentwelligkeit ermöglicht, gibt es die „Bruchloch“-Konfiguration, bei der die Nutenzahl geteilt durch die Polzahl ein nicht kürzbarer Bruch ist. Es existieren Elektromotoren, in denen diese Bruchloch-Konfiguration verwendet wird (siehe zum Beispiel die JP 2004 - 23 950 A und die JP H07- 106 046 B2).
In einem Elektromotor vom Bruchlochtyp ist es möglich, die Polzahl und die Nutenzahl so zu wählen, dass das kleinste gemeinsame Vielfache von der Polzahl und der Nutenzahl heraufgesetzt wird, um das Rastmoment und die Drehmomentwelligkeit zu verringern. Von den Oberwellenkomponenten, die in der induzierten Spannung eines Elektromotors enthalten sind, verschwinden jedoch die verhältnismäßig niedrigen Ordnungen, wie z.B. die fünfte und siebente Komponente, nicht vollständig. Die Drehmomentwelligkeit, die infolge der Oberwellen der induzierten Spannung und des Stroms auftritt, kann nicht ausreichend verringert werden.
Ferner wird in einem Elektromotor, in dem die Nutenzahl das Drei- oder Mehrfache der Zahl der Polpaare wird und in dem die Nuten zu Bruchlochnuten werden, zwar das Rastmoment und die Drehmomentwelligkeit tendenziell kleiner, die Spulenweite der Wicklungen, die in die Nuten eingesetzt sind, wird aber größer als 1 Nut, und das Wickeln ist nur mittels verteilten Wickelns möglich. Insbesondere wird in einem Elektromotor, in dem der durch die Zahl der Polpaare, die Zahl der Phasen und 2 dividierte Wert der Nutenzahl ein nicht kürzbarer Bruch und der Wert des Nenners 4 oder größer wird, das Layout der Wicklungen kompliziert, sodass eine Schleifenwicklung die gängige Praxis ist. Diese ist jedoch nicht für die Automatisierung des Wickelns zum Zeitpunkt der Produktion geeignet.
Die US 2002 / 0 167 242 A1 zeigt einen Elektromotor mit einem nicht ganzzahligen Verhältnis von Schlitzen zu Polen.
Die DE 10 2008 051 047 A1 zeigt einen Elektromotor, wobei der Stator eine verdoppelte Anzahl von Nuten bezüglich einer Polpaaranzahl des Rotors aufweist. Dies ist kombiniert mit einer unterschiedlichen Windungszahl pro Phasenwicklung oder mit unterschiedlichen Zahnbreiten von zwischen benachbarten Nuten gebildeten Zähnen des Stators.
Die US 4 692 646 A zeigt einen Elektromotor mit einem Stator, der unterschiedlich lange Zähne aufweist.
Die DE 10 2013 107 891 A1 zeigt einen Elektromotor mit einer Statorspule, die zwei verbundene Drei-Phasen-Wicklungen aufweist, die jeweils unterschiedliche ungerade Anzahlen von Windungen haben.
Die JP 2013 - 150 437 A zeigt einen weiteren Elektromotor mit einer bestimmten Anordnung von Statorwindungen.
Die US 2009 / 0 230 806 A1 zeigt einen weiteren Elektromotor mit einer bestimmten Anordnung von Statorwindungen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausbildung ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor vom Bruchlochtyp zu schaffen, der die Drehmomentwelligkeit weiter reduziert und die Anzahl der Schritte, welche die Fertigung des Elektromotors betreffen, gering hält. Wie im Einzelnen erläutert wird, besteht die Aufgabe der Erfindung ferner darin einen Dreiphasen-Wechselstrom-Elektromotor zu schaffen, der die Drehmomentwelligkeit mittels der Polzahl, der Nutenzahl und des Wicklungslayouts verringert und die Anzahl der Fertigungsschritte gering hält.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Dreiphasen-Wechselstrom-Elektromotor geschaffen, in dem dann, wenn P eine Anzahl der Polpaare eines Rotors des Elektromotors ist und N eine Anzahl der Nuten ist, in welche die Wicklungen eines Stators eingelegt werden, N/(6P) ein nicht kürzbarer Bruch mit einem Wert eines Nenners von 4 oder größer wird und wobei die Beziehung N > 3P erfüllt ist, wobei in diesem Dreiphasen-Wechselstrom-Elektromotor in den Nuten, in welche die Wicklungen hineingelegt sind, beliebige Wicklungen der drei Phasen und ihre Umkehrrichtungen für die insgesamt sechs Phasen für jede Nut in zwei Schichten eingeteilt angeordnet sind, wobei unter den zwei Wicklungsschichten, die in jeder Nut angeordnet sind, die U-Phasen, V-Phasen- und W-Phasen-Dreiphasenwicklung für das Layout der einen Wicklungsschicht so eingerichtet sind, dass sie eine Drehsymmetrie von ±120 Grad bezüglich eines mechanischen Winkels zueinander aufweisen, wobei für das Layout der anderen Wicklungsschicht die Wicklungen in der Richtung, die im elektrischen Winkel um 180 Grad gegenüber den Phasen der ersten Schicht von Wicklungen, welche die Drehsymmetrie aufweisen, umgepolt und um eine Anzahl M von Nuten von der ersten Wicklungsschicht aus versetzt eingerichtet sind, und wobei die Anzahl der Polpaare P, die Nutenzahl N und eine Nutenversatzzahl M die Beziehung 4/35 ≤ |T - 2 P M/N| ≤ 8/35 erfüllen, in der T ein ausgewählter Wert derjenigen ungeraden Zahl ist, mit der sich die zuvor beschriebene Bedingung einhalten lässt.
Ausgehend von einem Dreiphasen-Wechselstrom-Elektromotor der vorliegenden Erfindung ist es möglich, durch die Polzahl, die Nutenzahl und das Wicklungslayout eine Verringerung der Drehmomentwelligkeit zu realisieren. Ferner ist dies ein Wicklungsaufbau, der ein automatisches Wickeln ermöglicht. Es sind auch keine Schrägstellung des Kerns am Rotor oder Stator oder andere mechanische Strukturen erforderlich, um die Pulsation in den Griff zu bekommen, sodass die Fertigungszeit sowie die Zahl der Fertigungsprozesse gering gehalten werden kann.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezugnahme auf die unten angefügten Zeichnungen klarer verständlich.

1 ist eine abgewickelte Querschnittsansicht, die einen Teil von einem Beispiel für ein sechspoliges 36-Nut-Wicklungslayout eines konventionellen Elektromotors darstellt.
2 ist eine abgewickelte Querschnittsansicht, die einen Teil von einem weiteren Beispiel für ein sechspoliges 36-Nut-Wicklungslayout eines konventionellen Elektromotors darstellt.
3 ist eine abgewickelte Querschnittsansicht, die einen Teil von einem Beispiel für ein vierpoliges 15-Nut-Wicklungslayout eines konventionellen Elektromotors darstellt.
4 ist eine abgewickelte Querschnittsansicht, die ein vierpoliges 15-Nut-Wicklungslayout eines Elektromotors der vorliegenden Erfindung darstellt.
5 ist eine abgewickelte Querschnittsansicht, die ein U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Wicklungslayout in einer ersten Schicht in den Nuten in dem vierpoligen 15-Nut-Wicklungslayout zeigt, das in 4 dargestellt ist.
6 ist eine abgewickelte Querschnittsansicht, die ein Wicklungslayout einer ersten Ausführungsform zeigt, in welchem die Phasen der Umkehrrichtungen von der U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Wicklung der ersten Schicht in einer zweiten Schicht in den Nuten in dem vierpoligen 15-Nut-Wicklungslayout ausgelegt sind, das in 5 dargestellt ist.
7 ist eine abgewickelte Querschnittsansicht, die ein Wicklungslayout einer Ausführungsform zeigt, in der das Layout von Wicklungen der zweiten Schicht in den Nuten in dem vierpoligen 15-Nut-Wicklungslayout, das in 6 dargestellt ist, um drei Nuten nach links versetzt ist, und die den Zustand darstellt, der das gleiche Layout wie in 4 annimmt.
8 ist eine abgewickelte Querschnittsansicht, die ein Wicklungslayout einer zweiten Ausführungsform zeigt, in der das Layout der Wicklungen der ersten Schicht und der zweiten Schicht in dem 4-poligen 15-Nut-Wicklungslayout, das in 7 dargestellt ist, in eine Anordnung der U-Phasen-Wicklung, V-Phasen-Wicklung und W-Phasen-Wicklung von der Außenseite des Stators aus umgeordnet ist.
9 ist ein Wellenformdiagramm, das die Ergebnisse einer magnetischen FEM-Analyse darstellt, wenn die Nutversatzzahl der Wicklungen in der zweiten Schicht in den Nuten des Elektromotors, der einen 8-poligen 30-Nut-IPM-Motor aufweist, auf 3, 4 und 5 verändert wird.
10 ist eine abgewickelte Querschnittsansicht, die ein 10-poliges 18-Nut-Wicklungslayout eines Elektromotors der vorliegenden Erfindung darstellt.
11 ist eine abgewickelte Querschnittsansicht, die ein 10-poliges 36-Nut-Wicklungslayout eines Elektromotors der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
12 ist eine abgewickelte Querschnittsansicht, die ein 10-poliges 36-Nut-Wicklungslayout eines Elektromotors einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
13 ist eine abgewickelte Querschnittsansicht, die ein 10-poliges 36-Nut-Wicklungslayout eines Elektromotors der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in dem Fall darstellt, dass das Wicklungslayout Nuten mit leeren Schichten aufweist.
14 ist eine abgewickelte Querschnittsansicht, die ein 10-poliges 36-Nut-Wicklungslayout eines Elektromotors der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in dem Fall darstellt, dass das Wicklungslayout leere Nuten aufweist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail auf Basis spezieller Beispiele mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Vor dem Erläutern von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Verwendung von 1 bis 3 die Polzahl und das Wicklungslayout in den Nuten eines konventionellen Elektromotors erläutert. Es wird angemerkt, dass in der nachfolgenden Erläuterung die Nutteilung der Spule zum Zeitpunkt des Schleifenwickelns als die „Spulenweite“ bezeichnet wird.
Konventionelles Beispiel 1
1 stellt ein Beispiel für einen Stator 1 vom Ganzlochtyp eines konventionellen Wechselstrom-Elektromotors (konventionelles Beispiel 1) dar und zeigt ein 6-poliges 36-Nut-Wicklungslayout. Die Ganzlochkonfiguration liegt in dem Fall vor, in dem (Nutenzahl) : (Polzahl) eine ganze Zahl ist (in dem in 1 dargestellten Beispiel 36 : 6 = 6). Der Stator 1 weist ursprünglich eine zylindrische Form auf, aber um die Darlegungen hier zu vereinfachen, wird der zylinderförmige Stator 1 als ein abgewickelter Querschnitt dargestellt, der linear geöffnet ist. Im Weiteren wird in den nachfolgenden konventionellen Beispielen sowie in den Beispielen der vorliegenden Erfindung bei der Erläuterung des Layouts der Wicklungen 4 am Stator 1 diese abgewickelte Querschnittsansicht verwendet, um das Layout des Stators 1 und der Wicklungen 4 zu erläutern. Es wird angemerkt, dass 1 den Querschnitt eines Teils des abgewickelten Stators 1 (12 Nuten umfassend) darstellt.
Ferner ist der Wechselstrom ein Dreiphasenwechselstrom, die Wicklungen 4 sind für jede Phase in jeweils 2 Nuten angeordnet, ein zweischichtiges Wicklungslayout wird verwendet, und beide Schichten sind Durchmesserwicklungen von verteilten Wicklungen. Die Zahl B an der Oberseite einer jeden Nut ist die Nutkennzeichnungszahl. 1 zeigt die +U-Phasen-Wicklung, +V-Phasen-Wicklung und +W-Phasen-Wicklung sowie die -U-Phasen-Wicklung, -V-Phasen-Wicklung und -W-Phasen-Wicklung. Die „+“ und „-“ stellen die Erregungsrichtungen dar. Wird „+“ als die Richtung des Stromflusses von der Vorderseite zur Rückseite der Figur festgelegt, dann ist „-“ die Richtung des Stromflusses von der Rückseite zur Vorderseite der Figur. Bezüglich des elektrischen Winkels unterscheidet sich die Phase des Stroms um 180 Grad.
Das konventionelle Beispiel 1, das in 1 dargestellt ist, weist 36 Nuten auf, sodass ein Nutwinkel 10 Grad ist, und es liegt eine 6-Nut-Spulenweite vor. Deshalb wird die in einen elektrischen Winkel umgewandelte Spulenweite zu einem Spulenwinkel von 10 Grad × 6 Nuten × Zahl der Polpaare 3 = 180 Grad. In dem konventionellen Beispiel 1, das in 1 dargestellt ist, sind die Wicklungen 4 in einer jeden Nut 2 als Schleifenwicklungen (Zweischichtwicklungen) ausgeführt. Die anderen Stränge der Wicklungen 4 (Spulen) zum Zeitpunkt des Schleifenwickelns sind durch die Linien dargestellt, die durch die Bezugsziffern 5 bezeichnet sind, und sie liegen an Stellen, die bezüglich des elektrischen Winkels um 180 Grad voneinander getrennt sind. Zum Beispiel ist der andere Strang der Wicklung 4 (+W-Phasenwicklung), die eine Schleifenwicklung in der Nut 2 mit einer Nutkennzeichnungszahl B gleich 4 ist, die Wicklung (-W-Phasenwicklung) 4 der ersten Schicht mit einer Nutkennzeichnungszahl B gleich 10.
Konventionelles Beispiel 2
2 stellt ein weiteres Beispiel für einen Stator 1 vom Ganzlochtyp eines konventionellen Wechselstrom-Elektromotors (konventionelles Beispiel 2) dar und zeigt ein 6-poliges 36-Nut-Wicklungslayout. 2 zeigt auch einen Teil des Stators 1 (12 Nuten umfassend). Das Wicklungslayout des konventionellen Beispiels 2 unterscheidet sich vom Wicklungslayout des konventionellen Beispiels 1 dahingehend, dass die Wicklung der zweiten Schicht einer jeden Phase der Zweischichtwicklung um 1 Nut zur rechten Seite hin versetzt ist. Aus diesem Grund wird der andere Strang der Wicklung 4 zum Zeitpunkt des Schleifenwickelns an eine Position gebracht, die bezüglich des elektrischen Winkels um (180 Grad × 5/6) separiert ist, wie durch die mit der Bezugsziffer 5 bezeichnete Linie dargestellt ist. In dem konventionellen Beispiel, das in 2 dargestellt ist, gibt es eine 5-Nut-Spulenweite, sodass die in einen elektrischen Winkel umgewandelte Spulenweite gleich 150 Grad wird.
Wickeln mit verkürzter Schrittweite einer verteilten Wicklung
In dem konventionellen Beispiel 2, das in 2 dargestellt ist, ist im Vergleich zum Layout des konventionellen Beispiels 1, das in 1 dargestellt ist, das Drehmoment ein wenig herabgesetzt, aber die Drehmomentwelligkeit ist vermindert. Im Fall eines Ganzlochtyp-Elektromotors ist jedoch (Polzahl : Nutenzahl) = (1 : 3n), wobei n eine natürliche Zahl ist. Das kleinste gemeinsame Vielfache von der Polzahl und der Nutenzahl stimmt mit der Nutenzahl überein, sodass es nicht erforderlich ist, die Nutenzahl zu vergrößern, um das kleinste gemeinsamen Vielfache heraufzusetzen. In dieser Hinsicht kann die Anzahl der Nuten nicht für die Massenfertigung geeignet gewählt werden, sodass die Drehmomentwelligkeit, die durch das kleinste gemeinsame Vielfache bedingt ist, in der Amplitude groß und in der Ordnung niedrig wird. Deshalb ist der Einfluss des Wickelns mit verkürzter Schrittweite ziemlich gering.
Konventionelles Beispiel 3
3 stellt noch ein weiteres Beispiel für einen Stator 6 vom Bruchlochtyp eines konventionellen Wechselstrom-Elektromotors (konventionelles Beispiel 3) dar und zeigt ein bekanntes 4-poliges 15-Nut-Wicklungslayout. In einer Nut sind zwei Phasen untergebracht (Zweischichtwicklung). Die Anzahl der Nuten, die von den verschiedenen Phasen besetzt werden, wird ein wenig uneinheitlich. Das konventionelle Beispiel 3 ist der Fall, in dem sich (Nutenzahl) : (Polzahl) : (Zahl der Phasen) zu 15:4:3 = 5/4 oder zu einem nicht kürzbaren Bruch mit einem Nenner von 4 oder größer ergibt. Ferner liegt die andere Wicklung zum Zeitpunkt des Schleifenwickelns an einer Stelle, die um mehrere Nuten zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht versetzt ist. Zwei Nuten sind voneinander um circa 180 Grad auf den elektrischen Winkel bezogen getrennt angeordnet.
In dem konventionellen Beispiel 3 liegt eine 4-Nut-Spulenweite vor. In einen elektrischen Winkel umgewandelt ist der Zentriwinkel zwischen den Nuten gleich 192 Grad, wodurch sich eine Wicklung mit verlängerter Schrittweite ergibt. Es wird angemerkt, dass sich das Verfahren zum Beschaffen der Spulenweite der Schleifenwicklung bei einer Bruchlochkonfiguration von dem bei einer Ganzlochkonfiguration unterscheidet. Es ist nicht möglich, ein Layout der Durchmesserwicklung (Spulenweite ist 180 Grad mit Bezug auf den elektrischen Winkel) zu übernehmen. Es liegt keine Referenzveröffentlichung vor, in der die Spulenweite einer Bruchlochkonfiguration definiert wird. Es wurde als ausreichend angesehen, einen Wert nahe bei 180 Grad mit Bezug auf den elektrischen Winkel zu verwenden.
In dem konventionellen Beispiel 3 ist das kleinste gemeinsame Vielfache von der Polzahl und der Nutenzahl des 4-poligen 15-Nut-Layouts gleich 60, sodass die Amplitude der Pulskomponenten, die genau mit dem Wert des kleinsten gemeinsamen Vielfachen für jede Umdrehung des Rotors schwingen, kleiner wird. In den Elektromotoren vom Ganzlochtyp mit der gleichen Polzahl sind 60 Nuten erforderlich, um dieses kleinste gemeinsame Vielfache zu realisieren. Um in der Lage zu sein, einen großen Wert des kleinsten gemeinsamen Vielfachen mit einer kleineren Anzahl von Nuten zu erhalten, ist ein Bruchlochtyp-Elektromotor vorteilhafter als ein Ganzlochtyp-Elektromotor. Jedoch konnten die Pulskomponenten, die aus der Anzahl der Polpaare × 6-faches der Schwingung pro Drehung des Rotors bestehen, nicht bedeutend verringert werden. Deshalb ist die Verringerung der Pulskomponenten im Bruchlochtyp-Elektromotor 6, der im konventionellen Beispiel 3 dargestellt ist, ein Problem gewesen.
4 stellt eine Wicklung mit verkürzter Schrittweite der Bruchloch-Konfiguration in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar und zeigt das Wicklungslayout in einem 4-poligen 15-Nut-Stator 6. Für eine Nut 2 sind zwei Phasen angeordnet (Zweischichtwicklung). Die andere Wicklung liegt zum Zeitpunkt des Schleifenwickelns liegt an einer Stelle, die um einen elektrischen Winkel von 180 Grad × 4/5 separiert ist, wie durch die Bezeichnung 5 dargestellt ist. In der ersten Ausführungsform liegt eine Spulenweite von 3 Nuten vor. Umgewandelt in einen elektrischen Winkel ist der Zentriwinkel zwischen den Nuten 144 Grad.
Hier wird unter Verwendung der 5 bis 7 das Verfahren zum Layout der Wicklungen im 4-poligen 15-Nut-Stator 6, der in 4 dargestellt ist, erläutert.
5 stellt den Zustand des Layouts der U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasenwicklungen in der ersten Schicht der Nuten 2 des 15-Nut-Stators 6 dar. Die Anordnung der drei Phasen aus der U-Phase, V-Phase und W-Phase ist nicht besonders eingeschränkt, aber es ist eine Bedingung für die erste Schicht, dass die Phasen im mechanischen Winkel eine Drehsymmetrie von ±120 Grad zueinander aufweisen. Wenn beim Herstellen des Layouts der U-Phasenwicklung eine Drehung um einen mechanischen Winkel von ±120 Grad erfolgt, dann wird entweder die W-Phasenwicklung oder die V-Phasenwicklung überdeckt. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann es ferner zum Beispiel auch leere Schichten oder leere Nuten geben, in die keine Wicklungen eingelegt sind. Der Fall, dass leere Schichtnuten oder leere Nuten usw. vorliegen, wird später erläutert. Wenn in 5 das Layout der U-Phasenwicklung um 5 Nuten (um 120 Grad bezüglich des mechanischen Winkels) nach links versetzt wird, dann überdeckt es das V-Phasenwicklungs-Layout, während es bei einem Versatz um 5 Nuten nach rechts die W-Phasenwicklung überdeckt.
Wie in 6 dargestellt ist, sind in der zweiten Schicht die gleichen Phasenwicklungen der Umkehrrichtungen angeordnet, in denen die Erregungsrichtungen umgekehrt zur ersten Schicht sind. Ist zum Beispiel die Wicklung der ersten Schicht in einer bestimmten Nut 2 eine U-Phasenwicklung (-U), dann wird die Wicklung der zweiten Schicht dieser Nut 2 durch eine U-Phasen-Umkehrrichtungswicklung (+U) gebildet. Ebenso wird für eine V-Phasen-Wicklung (-V) eine Umkehrrichtungs-V-Phasenwicklung (+V) angeordnet, während für eine W-Phasen-Wicklung (-W) eine Umkehrrichtungs-W-Phasenwicklung (+W) angeordnet ist. Das gleiche gilt, wenn die Wicklungen der ersten Schicht die U-Phasenwicklung (+U), V-Phasenwicklung (+V) und W-Phasenwicklung (+W) sind. In der zweiten Schicht sind eine U-Phasenwicklung (-U), V-Phasenwicklung (-V) und W-Phasenwicklung (-W) angeordnet.
Schließlich werden die Wicklungen, die in der zweiten Schicht angeordnet sind, aus dem Zustand heraus, der in 6 dargestellt ist, um eine Anzahl M von Nuten versetzt (wobei M eine ganze Zahl ist). Zum Beispiel werden die Wicklungen, die in der zweiten Schicht angeordnet sind, aus dem Zustand heraus, der in 6 dargestellt ist, um 3 Nuten nach links versetzt angeordnet. Wird dieser Vorgang ausgeführt, um alle Wicklungen der zweiten Schicht zu versetzen, dann ergibt sich das Wicklungslayout so, wie es in 7 dargestellt ist. Dieses wird das gleiche, wie das Wicklungslayout, das in 4 dargestellt ist.
Wird hier die Anzahl der Polpaare des Rotors des Elektromotors gleich P, die Anzahl der Nuten 2 des Stators 6, in welche die Wicklungen eingelegt sind, gleich N und außerdem die Anzahl der Nuten, um welche die zweite Schicht von der ersten Schicht aus versetzt ist, gleich M gesetzt, und werden die Kombinationen untersucht, die eine Verringerung der Drehmomentwelligkeit ermöglichen, dann erkennt man, dass theoretisch der Wert der folgenden Formel von Bedeutung ist: $Q = | T - 2 \times P \times M : N |$
wobei T ein Wert ist, der für diese Formel 1 aus der ungeraden Zahl ausgewählt wird, mit der sich Bedingungen erfüllen lassen, die nachfolgend darzustellen sind. Aus diesen theoretischen Betrachtungen erkennt man, dass die Drehmomentwelligkeit des Elektromotors verringert und das Leistungsvermögen des Elektromotors verbessert wird, wenn diese Formel 1 der Bedingung 4/35 ≤ Q ≤ 8/35 genügt. Außerdem ergibt sich aus der magnetischen Analyse, die auch auf theoretischen Betrachtungen beruht, dass die Drehmomentwelligkeit des Elektromotors verringert und das Leistungsvermögen des Elektromotors verbessert wird, wenn das Q von Formel 1 der Bedingung 4/35 ≤ Q ≤ 8/35 genügt. Diese magnetische Analyse wird später erläutert.
Die Größe einer induzierten Spannung eines Elektromotors wird durch die Spulenweite der Wicklungen beeinflusst, die in die Nuten des Stators gewickelt sind. Es ist bekannt, dass der Schrittweitenverkürzungskoeffizient, der durch die nachstehende Formel ausgedrückt wird, einer der wesentlichen Faktoren ist: $Ks = | sin (n π β /2) |$
Die induzierte Spannung, die im Stator des Elektromotors erzeugt wird, wird größer, wenn der Verkettungsfluss, der an den Wicklungen erzeugt wird, und der Fluss, der vom Rotor aus erzeugt wird, phasensynchronisiert werden. In Abhängigkeit von den Lagen der Nuten der Wicklungen sind die beiden leicht zu synchronisieren oder schwer zu synchronisieren. Das beeinflusst die Größe der induzierten Spannung. Mit der Formel 2 wird die Abnahmerate der induzierten Spannung berechnet, die durch die Spulenweite bedingt ist.
In der Formel 2 ist „n“ die Ordnung der Wellenform der induzierten Spannung, die am Elektromotor erzeugt wird, während β das Verhältnis von Polteilung zu Spulenweite ist. Ks nimmt einen Wert von 0 bis 1 an. Ist n = 1, dann wird das Drehmoment umso größer, je näher er der 1 ist. Für andere Werte als n = 1 stellt Ks die Abnahmerate der Oberwellen der induzierten Spannung dar. Mit zunehmender Annäherung an die 0 werden die auftretenden Oberwellen immer kleiner. Bei den Oberwellen der induzierten Spannung des Elektromotors sind die geradzahligen Oberwellen wegen der Symmetrie des N-Pols und des S-Pols des Rotors schwer zu erzeugen. Bezüglich der dritten Ordnung, sechsten Ordnung, neunten Ordnung und einer anderen Wellenformordnung, die ein Vielfaches von drei ist, löschen die Wellenformen der drei Phasen einander aus, wenn die Schaltung der drei Phasen eine Sternschaltung ist, sodass der Effekt klein ist. Ist n = 5 und n = 7, dann ist die Abnahmerate Ks der Oberwellen der induzierten Spannung vorzugweise nahe 0.
Diesbezüglich wird die Polteilung durch die Anzahl der Polpaare P festgelegt. Ferner wird im Fall der Schleifenwicklung die Spulenweite wertmäßig durch die Nutenzahl N und die Nutenversatzzahl M festgelegt. Beim Ermitteln des Zusammenhanges mit β wird diesmal β = 2 P M/N gesetzt. Das heißt, durch eine geeignete Auswahl von P, N und M ist es möglich, den Wert der Formel 2 zu beeinflussen. Ferner gilt bezüglich Q in Formel 1 die Beziehung Q = |T - β|. Die Formel 2 stellt eine periodische Funktion dar, sodass der Wertebereich von β, in dem ein vorgegebenes Charakteristikum erhalten wird, periodisch wird. Deshalb wird selbst dann, wenn der Wert von β groß ist, eine spezielle ungerade Zahl von T verwendet, um die Formel von Q so festzulegen, dass eine Lösung erhalten wird. Wird keine Lösung erhalten, wenn P, N und M festgelegt sind und T aus einer beliebigen ungeraden Zahl ausgewählt wird, dann kann diese Erfindung nicht angewendet werden.
Anhand theoretischer Betrachtungen wird erkannt, dass für n = 1 der Wert von Ks nahe bei 1 bleibt, während für n = 5 und n = 7 die Werte der beiden Ks verringert werden können, wenn 1/7 ≤ Q ≤ 1/5 mit Q von Formel 1 erfüllt wird. Ferner wird entnommen, dass selbst dann, wenn der Bereich von Q verdoppelt und 4/35 ≤ Q ≤ 8/35 mit Q von Formel 1 erfüllt wird, der Wert von Ks für n = 1 nahe bei 1 bleibt, während der Wert von Ks für entweder n = 5 oder n = 7 oder für beide verringert werden kann.
Im Layout der Wicklungen im Elektromotor der ersten Ausführungsform, die in 4 dargestellt ist, ist P = 2, N = 15, M = 3 und T = 1. Werden diese Werte in die Formel 1 eingesetzt, ergibt sich Q = 0,2. Da das Q von Formel 1 in den Bereich von 4/35 ≤ Q ≤ 8/35 fällt, ist der Elektromotor der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Drehmomentwelligkeit reduziert, und das Leistungsvermögen des Elektromotors ist verbessert.
Es wird angemerkt, dass in dem Elektromotor des konventionellen Beispiels 3, das in 3 dargestellt ist, P = 2, N = 15 und M = 4 ist. Werden diese Zahlenwerte in Formel 1 eingesetzt und eine beliebige ungerade Zahl T ausgewählt, dann wird Q nicht in den Bereich 4/35 ≤ Q ≤ 8/35 fallen. Dementsprechend ist in dem Wicklungslayout im Elektromotor des konventionellen Beispiels 3, das in 3 dargestellt ist, die Drehmomentwelligkeit nicht reduziert und das Leistungsvermögen des Elektromotors nicht verbessert.
8 stellt eine Wicklung mit verkürzter Schrittweite der Bruchlochkonfiguration in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar und zeigt das Wicklungslayout eines 4-poligen 15-Nut-Stators 6. Dieses Wicklungslayout ist eine Zweischichtwicklung, bei der in jeder Nut 2 zwei Phasen angeordnet sind. In der zweiten Ausführungsform sind die Phasen in den Nuten 2 der ersten Ausführungsform, die in 7 dargestellt ist, umgeschaltet.
In der ersten Ausführungsform sind die erste Schicht und die zweite Schicht in jeder Nut 2 so angeordnet, dass sie im Wicklungsverfahren zu Schleifenwicklungen werden. In der zweiten Ausführungsform hingegen werden die erste Wicklungsschicht und die zweite Wicklungsschicht in jeder Nut 2 zu der Anordnung der U-Phasenwicklung, der V-Phasenwicklung und der W-Phasenwicklung von der Außenseite des Stators 6 aus umgeordnet.
Wird zum Einsetzen der Wicklungen in die Nuten des Stators 6 zum Beispiel eine automatische Wickelmaschine vom Einsetztyp verwendet, dann wird beim Wechseln der verschiedenen Phasenwicklungen wie bei dem Schleifenwickeln und beim Auslegen der Wicklungen in die Einsetzvorrichtung eine außerordentlich große Zahl von Fertigungsschritten benötigt. Das heißt, beim Einsetzen der Wicklungen in die Nuten des Stators 6 unter Verwendung einer automatischen Wickelmaschine ist das Auslegen einer speziellen Wicklungsphase von den drei Wicklungsphasen in einer Reihenfolge von jeweils einer Phase nach der anderen effizient in Bezug auf die Zahl der Fertigungsschritte. In der zweiten Ausführungsform, die in 8 dargestellt ist, sind im Vergleich zur ersten Ausführungsform, die in 7 dargestellt ist, die ersten Schichten und die zweiten Schichten der Nuten 2 mit den Nutkennzeichnungszahlen B gleich 6, 10 und 14 umgeschaltet angeordnet.
In den 3 bis 8 sind die Wicklungslayouts des 4-poligen Elektromotors vom Bruchlochtyp in der 15-Nut-Konfiguration dargestellt, aber in den Elektromotoren, die üblicherweise in Industriemaschinen und Maschinenwerkzeugen verwendet werden, ist die Polzahl gewöhnlich sechs Pole, acht Pole oder 10 Pole. Das liegt daran, weil bei einer zu kleinen Polzahl des Elektromotors die Umfangslänge des Rotors pro Pol zu groß wird, die Wellenform des vom Rotor erzeugten magnetischen Flusses von einer Sinuswellenform abweicht und leicht zu einer Trapezform wird und die Pulsation des Drehmoments größer wird. Ist hingegen die Polzahl zu groß, so führt das zu einer Zunahme der Fertigungsprozesse. Aus diesem Grunde besteht bei den Elektromotoren, die üblicherweise in Industriemaschinen und Maschinenwerkzeugen verwendet werden, der Trend zu einer Auswahl von Elektromotoren mit Polzahlen von sechs Polen, acht Polen und 10 Polen.
Wenn unter den Elektromotoren mit Polzahlen von sechs Polen, acht Polen und 10 Polen hier als ein Beispiel der Fall angeführt wird, bei dem die (Nutenzahl) : (Polzahl) : (Zahl der Phasen) zu einem nicht kürzbaren Bruch wird und der Wert des Nenners des nicht kürzbaren Bruchs 4 oder größer wird, dann gibt es unter den Konfigurationen, bei denen Anzahl der Nuten nicht so groß wird, eine 8-polige 30-Nut-Konfiguration, 10-polige 18-Nut-Konfiguration, 10-polige 36-Nut-Konfiguration usw. Ferner ist in einer 8-poligen 30-Nut-Konfiguration die (Polzahl) : (Nutenzahl) die gleiche wie bei der 4-poligen 15-Nut-Konfiguration, die in 4 dargestellt ist, sodass es ausreicht, 15 für Doppelwicklungen ausgelegte Nuten zyklisch anzuordnen, um eine 30-Nut-Konfiguration zu erhalten.
9 zeigt die Ergebnisse einer magnetischen Analyse mithilfe der Methode der finiten Elemente (FEM) von einem 8-poligen 30-Nut-IPM-Elektromotor (Elektromagnet vom Innenpermanentmagnet-Typ) (P = 4, N = 30) und stellt die Begründung für Formel 1 dar. Hierbei ist für das Ausführen von Vergleichstests der Wert von M des 8-poligen 30-Nut-IPM-Elektromotors (P = 4, N = 30) auf 3, 4 und 5 abgeändert worden. Der Wert von Q in der oben erwähnten Formel 1 fällt bei einem Wert von M gleich 3 in den Bereich von 4/35 ≤ Q ≤ 8/35, wenn T = 1 gesetzt wird. Wenn der Wert von M gleich 4 und wenn der Wert von M gleich 5 ist, dann erfüllt Q bei einem beliebigen eingegebenen ungeraden Wert von T nicht die Bedingung 4/35 ≤ Q ≤ 8/35. Im Ergebnis wurde erkannt, dass die Beziehung 4/35 ≤ Q ≤ 8/35 nur dann erfüllt wird, wenn M = 3 ist.
Ferner fällt Q in dem Fall M = 3 auch in den Bereich 1/7 ≤ Q ≤ 1/5 hinein, sodass die Pulsation weiter verringert werden kann. Wird tatsächlich β= 2 P M/N = 4/5 in die Formel 2 eingesetzt und werden die Werte von Ks für n = 1, n = 5 und n = 7 ermittelt, dann ergeben sich die entsprechenden Werte zu 0,951, 0 und 0,587. Im Fall n = 1 bleibt Ks nahe bei einem Wert von 1. Die Werte im Fall n = 5 und n = 7 können kleiner gemacht werden.
Wie in 9 dargestellt ist, wurde ein IPM-Elektromotor mit einer 8-poligen 30-Nut-Konfiguration (P = 4, N = 30) magnetisch analysiert, wobei der Wert von M auf 3, 4 und 5 verändert wurde. Im Ergebnis können bei jeder der Wellenformen von M = 3, M = 4 und M = 5 sechs Pulskomponenten bei elektrischen Winkeln von 360 Grad bestätigt werden. Ferner wird im Ergebnis dieser magnetischen Analyse erkannt, dass die Drehmomentwelligkeit bei M = 3 kleiner als die Drehmomentwelligkeiten bei M = 4 und M = 5 wird.
10 ist ein Beispiel, welches das Layout der Wicklungen in dem Elektromotor einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der oben erwähnten 10-poligen 18-Nut Konfiguration darstellt und den Fall zeigt, in dem P = 5, N = 18 und M = 5 ist. Wird in der dritten Ausführungsform T = 3 gesetzt, dann wird 4/35 ≤ Q ≤ 8/3 vom Wert von Q in Formel 1 her erfüllt, die Drehmomentwelligkeit des Elektromotors wird verringert und das Leistungsvermögen des Elektromotors verbessert. Wird tatsächlich β= 2 P M/N = 25/9 in die Formel 2 eingesetzt und werden jeweils die Werte von Ks für n = 1, n = 5 und n = 7 ermittelt, dann ergeben sich die entsprechenden Werte zu 0,939, 0,173 und 0,766. Das Ks von n = 1 bleibt ein Wert nahe bei 1. Bei n = 7 ist die Abnahme von Ks nicht so groß, aber der Wert im Fall n = 5 kann kleiner gemacht werden.
11 ist ein Beispiel, welches das Layout der Wicklungen eines Elektromotors der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der oben erwähnten 10-poligen 36-Nut Konfiguration darstellt und den Fall zeigt, in dem P = 5, N = 36 ist. Wird hier M = 3 und T = 1 gesetzt, dann wird der Wert von Q in Formel 1 gleich 1/6, sodass 1/7 ≤ Q ≤ 1/5 erfüllt ist und die Drehmomentwelligkeit des Elektromotors verringert wird. Wird tatsächlich β= 2 P M/N = 6/5 in die Formel 2 eingesetzt und werden jeweils die Werte von Ks für n = 1, n = 5 und n = 7 ermittelt, dann ergeben sich die entsprechenden Werte von Ks zu 0,965, 0,258 und 0,258. Das Ks von n = 1 bleibt ein Wert nahe bei 1, während die Werte im Fall n = 5 und n = 7 kleiner gemacht werden können.
12 stellt ein Beispiel des Wicklungslayouts im Elektromotor der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer 10-poligen 36-Nut-Konfiguration dar. In diesem Beispiel ist das Wicklungslayout bei den Nutkennzeichnungszahlen B von 11 gleich 2, 9, 16, 20, 27 und 34 umgeschaltet, und die Wicklungen in den Nuten sind zu der Anordnung der U-Phasen-Wicklung, V-Phasenwicklung und W-Phasenwicklung von der Außenseite des Stators 6 aus umgeordnet.
13 stellt das Beispiel des Elektromotors der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer 10-poligen 36-Nut-Konfiguration dar, die jedoch leere Schichten aufweist. In diesem Beispiel gibt es zwei Typen von Nuten: Nuten mit Einschichtwicklungen und Nuten mit Zweischichtwicklungen. Es ist das Beispiel dargestellt, in dem sich die Gesamtzahlen von Wicklungen der Nuten unterscheiden. Wird die obere Seite einer jeden Nut von 13 als die erste Schicht und die untere Seite als die zweite Schicht definiert, dann weist die erste Schicht UVW-Phasenwicklungen auf, die bei mechanischen Winkeln von 120 Grad zueinander angeordnet sind und eine Drehsymmetrie aufweisen, und sie erfüllt die Bedingung der ersten Schicht, die in 5 erläutert wurde.
Zum Beispiel ist in der ersten Schicht dort, wo die Nutkennzeichnungszahl B von 13 gleich 15 ist, eine +U-Wicklung angeordnet, aber dort, wo die Nutkennzeichnungszahlen B, die um 12 Nuten nach rechts versetzt ist, gleich 27 ist, ist in der ersten Schicht eine +W-Wicklung angeordnet, während dort, wo die Nutkennzeichnungszahlen B, die um 12 Nuten nach links versetzt ist, gleich 3 ist, in der ersten Schicht eine +V-Wicklung angeordnet ist. Der Nutwinkel von 36 Nuten ist 10 Grad, sodass diese Wicklungen durch mechanische Winkel von ±120 Grad voneinander getrennt sind. Auch für die Wicklungen der ersten Schicht in anderen Nuten liegt eine ähnliche Drehsymmetrie vor. Ferner sind hinsichtlich der zweiten Schicht die Wicklungen mit Bezug auf die erste Schicht so angeordnet, dass die Nutenversatzzahl M gleich 3 wird. Wird T = 1 gesetzt, dann wird der Wert von Q in der Formel 1 gleich 1/6 oder erfüllt 1/7 ≤ Q ≤ 1/5, sodass die Drehmomentwelligkeit des Elektromotors im Vergleich zu einer anders gewählten Nutenversatzzahl verringert wird.
14 stellt ein Beispiel für den Fall des Elektromotors der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer 10-poligen 36-Nut-Konfiguration dar, die jedoch leere Nuten aufweist. Wird die obere Seite einer jeden Nut, die in 14 dargestellt ist, als die erste Schicht und die untere Seite als die zweite Schicht definiert, dann weist die erste Schicht UVW-Phasenwicklungen auf, die bei mechanischen Winkeln von 120 Grad zueinander angeordnet sind und eine Drehsymmetrie aufweisen, und sie erfüllt die Bedingung der ersten Schicht, die in 5 erläutert wurde. Zum Beispiel sind in den Nuten 22 und 23 von 14 +U-Wicklungen angeordnet, aber in der ersten Schicht mit den Nutkennzeichnungszahlen B von 34 und 35 , die um 12 Nuten nach rechts versetzt sind, sind +W-Wicklungen angeordnet, während in der ersten Schicht mit Nutkennzeichnungszahlen B von 10 und 11, die um 12 Nuten nach links versetzt sind, +V-Wicklungen angeordnet sind.
Die Nutwinkel von den 36 Nuten sind 10 Grad, sodass diese Wicklungen eine Drehsymmetrie von ±120 Grad bezüglich des mechanischen Winkels aufweisen. Ferner weisen die anderen UVW-Phasenwicklungen auch die gleiche Rotationssymmetrie auf. Außerdem sind hinsichtlich der zweiten Schicht die Wicklungen mit Bezug auf die erste Schicht so angeordnet, dass die Nutenversatzzahl M gleich 3 wird. Wird T = 1 gesetzt, dann wird der Wert von Q in der Formel 1 gleich 1/6 und erfüllt 1/7 ≤ Q ≤ 1/5, sodass die Drehmomentwelligkeit des Elektromotors im Vergleich zu einer anders gewählten Nutenversatzzahl verringert wird.
Auf diese Weise stellt die vorliegende Erfindung einen Elektromotor mit verteilter Wicklung bereit, in dem der Wert von der Nutenzahl dividiert durch die Polzahl ein nicht kürzbarer Bruch ist und der Wert des Nenners des nicht kürzbaren Bruchs 4 oder größer ist, wobei jede Nut in zwei Schichten eingeteilt ist, wobei die Wicklungen in den ersten Schichten der Nuten in drei Phasen und ihre Umkehrrichtungen für insgesamt sechs Phasen eingerichtet sind und wobei die Nuten der verschiedenen Phasen so eingerichtet sind, dass eine Drehsymmetrie um einen mechanischen Winkel von ±120 Grad vorliegt, während die Wicklungen in der zweiten Schicht von den Phasen der ersten Schicht aus um einen elektrischen Winkel von 180 Grad umgepolt und um eine Zahl M von Nuten von der ersten Schicht aus versetzt angeordnet sind. Außerdem wird dann, wenn die Nutenzahl N, die Zahl der Polpaare P und die Nutenversatzzahl M der Wicklungen der zweiten Schicht M in die Formel 1 eingegeben werden, erreicht, dass die Beziehung 4/35 ≤ Q ≤ 8/35 erfüllt bleibt.
Wirken die Oberwellen des räumlichen Magnetflusses, der zwischen dem Rotor und dem Stator vorliegt, auf die Wicklungen einer jeden Nut des Stators ein und erzeugen Oberwellen der induzierten Spannung, dann werden im Ergebnis die Phasen an jeder Wicklung der Nuten versetzt, und folglich ist es möglich, die Oberwellen der induzierten Spannung zu verkleinern. Demzufolge ist es möglich, die Drehmomentwelligkeit zu verringern.
Oben wurde die vorliegende Erfindung mit Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen erläutert, aber ein Fachperson wird erkennen, dass verschiedenartige Abwandlungen und Veränderungen ausgeführt werden können, ohne vom Umfang der nachfolgend erläuterten Ansprüche abzuweichen.

Claims

Dreiphasen-Wechselstrom-Elektromotor, in dem dann, wenn eine Anzahl der Polpaare eines Rotors des Elektromotors P und eine Anzahl der Nuten, in welche die Wicklungen eines Stators (6) eingesetzt sind, N ist, N/(6P) ein nicht kürzbarer Bruch mit einem Wert eines Nenners von 4 oder größer wird und wobei die Beziehung N > 3P erfüllt wird, wobei in diesem Dreiphasen-Wechselstrom-Elektromotor in den Nuten (2), in welche die Wicklungen eingesetzt sind, beliebige Wicklungen (4) der drei Phasen und ihrer Umkehrrichtungen für die insgesamt sechs Phasen für jede Nut (2) in zwei Schichten eingeteilt angeordnet sind, wobei unter den zwei Schichten von Wicklungen (4), die in jeder Nut (2) angeordnet sind, die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Dreiphasenwicklung (4) für das Layout der einen Wicklungsschicht so eingerichtet sind, dass sie eine Drehsymmetrie von ±120 Grad bezüglich eines mechanischen Winkels zueinander aufweisen, wobei für das Layout der anderen Wicklungsschicht die Wicklungen im elektrischen Winkel in der Richtung um 180 Grad gegenüber den Phasen der ersten Schicht von Wicklungen (4), welche die Drehsymmetrie aufweisen, umgepolt und um eine Anzahl M von Nuten von der ersten Schicht von Wicklungen (4) aus versetzt eingerichtet sind, und wobei die Anzahl der Polpaare P, die Anzahl der Nuten N und eine Nutenversatzzahl M die folgende Beziehung erfüllen, in der T ein ausgewählter Wert der ungeraden Zahl ist, mit der sich die folgende Beziehung einhalten lässt: $4 / 35 \leq | T - 2 P M/N | \leq 8 /35 .$
Dreiphasen-Wechselstrom-Elektromotor nach Anspruch 1, wobei in den Nuten (2) des Stators (6) des Elektromotors die Reihenfolge des Einsetzens der drei Phasen aus der U-Phase, V-Phase und W-Phase ebenso nicht unterschieden wird wie auch die Lagen der U-Phase, V-Phase und W-Phase in den Nuten (2) zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht nicht unterschieden werden.
Dreiphasen-Wechselstrom-Elektromotor nach Anspruch 2, wobei das Layout der U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-Wicklung in den Nuten (2) des Stators (6) des Elektromotors leere Schichten und leere Nuten aufweist.
Dreiphasen-Wechselstrom-Elektromotor nach Anspruch 2, wobei in dem Elektromotor die Anzahl der Polpaare P, die Anzahl der Nuten N und die Nutenversatzzahl M der folgenden Beziehung genügen, in der T ein ausgewählter Wert von der ungeraden Zahl ist, mit der sich die folgende Beziehung einhalten lässt: $1 / 7 \leq | T - 2 P M/N | \leq 1 /5 .$
Dreiphasen-Wechselstrom-Elektromotor nach Anspruch 2, wobei in dem Elektromotor die Anzahl der Polpaare P = 5, die Anzahl der Nuten N = 18, die Nutenversatzzahl M = 5 und T = 3 ist.
Dreiphasen-Wechselstrom-Elektromotor nach Anspruch 4, wobei in dem Elektromotor die Anzahl der Polpaare P = 4, die Anzahl der Nuten N = 30, die Nutenversatzzahl M = 3 und T = 1 ist.
Dreiphasen-Wechselstrom-Elektromotor nach Anspruch 4, wobei in dem Elektromotor die Anzahl der Polpaare P = 5, die Anzahl der Nuten N = 36, die Nutenversatzzahl M = 3 und T = 1 ist.