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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere elektronisch kommutierte elektrische Maschinen, mit hoher Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz. Die Erfindung betrifft weiterhin Maßnahmen zum Erreichen einer hohen Drehmomentendichte und sehr geringen Drehmomentenschwankungen.
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Stand der Technik
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Je nach Einsatzgebiet ist es erforderlich, dass elektrische Antriebe eine besonders hohe Fehlertoleranz aufweisen. Dies ist beispielsweise bei einem Einsatz in Kraftfahrzeugen, beispielsweise als elektromotorischer Lenkunterstützungsantrieb für hoch- oder vollautomatisches Fahren und dergleichen der Fall.
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Fehlertolerante elektrische Maschinen müssen einige Eigenschaften aufweisen, wodurch sie sich grundsätzlich von herkömmlichen elektronisch kommutierten elektrischen Maschinen unterscheiden. Beispielsweise können dazu die Phasen der Wicklung voneinander elektrisch isoliert sein und insbesondere jeweils durch ein separates Einphasen-Leistungsteil angesteuert werden. Durch die separate Phasenansteuerung kann bei Ausfall eines der Einphasen-Leistungsteile ein Notbetrieb basierend auf den verbliebenen Phasen gewährleistet werden.
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Weiterhin können derartige elektrische Maschinen mit einer hohen d-Achsen-Induktanz ausgestattet werden, um bei einem Kurzschluss an einem Phasenanschluss Kurzschlussströme in dem fehlerhaften Wicklungsteil zu begrenzen. Ohne eine magnetische Isolation können Fehlerströme in einer Phase hohe Spannungen in einer oder mehreren der übrigen Phasen bewirken, so dass eine Steuerung dieser Phasen erschwert wird. Insbesondere wird eine solche magnetische Isolation dadurch erreicht, dass in jeder der Statornuten nur eine Phase, d.h. ein Phasenstrang bzw. ein Phasenleiter, angeordnet ist.
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Weiterhin soll eine fehlertolerante elektrische Maschine so konstruiert sein, dass der magnetische Fluss, der durch die Statorspulen erzeugt wird und der durch den Luftspalt zu dem Läuferkörper verläuft, nicht mit dem durch andere Phasen erzeugten magnetischen Fluss wechselwirkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist ein Stator nach Anspruch 1 und eine elektrische Maschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Stator für eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine vorgesehen. Der Stator umfasst ein zylindrisches Statorjoch, mit in einer Anregungsrichtung an dem Statorjoch voneinander beabstandeten abstehenden Statorzähnen, die wechselweise Hauptstatorzähne und zwischen den Hauptstatorzähnen angeordnete Abstandsstatorzähne umfassen, und Statorspulen, die als Einzelzahnspulen an den Hauptstatorzähnen angeordnet sind, wobei die Statorspulen zu mehreren separaten Statorwicklungen verschaltet sind, so dass benachbarte Statorspulen verschiedenen Statorwicklungen zugeordnet sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine mit dem obigen Stator und einem Läufer mit insbesondere 14 oberflächenmontierten Permanentmagneten vorgesehen, die Läuferpole ausbilden.
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Ein Hauptnachteil der aus dem Stand der Technik bekannten fehlertoleranten elektrischen Maschine besteht darin, dass aufgrund der für die Fehlertoleranz benötigten einlagigen Wicklung, bei der in keiner Statornut Spulenseiten über- und nebeneinander liegen, nur jeder zweite Statorzahn umwickelt ist, um so eine physikalische, thermische und magnetische Isolation der Phasen untereinander zu erreichen. Dies kann zu einer Minderung der Leistungsdichte bzw. der Drehmomentendichte der elektrischen Maschine führen. Um die Leistungsdichte bei einer derartigen Änderung des Aufbaus der elektrischen Maschine beizubehalten bzw. die Minderung der Leistungsdichte, insbesondere in Bezug zu einer elektrischen Maschine mit einer doppellagigen Statorwicklung mit Einzelzahnwicklung, auszugleichen, muss die Windungszahl jeder Spule erhöht, insbesondere verdoppelt, werden. Dadurch entstehen sehr große Wickelköpfe, die in axialer Richtung weit überstehen und die Gesamtlänge der elektrischen Maschine deutlich vergrößern.
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Ein hoher Beitrag zur Fehlertoleranz wird weiterhin dadurch erreicht, dass die Hauptstatorzähne jeweils durch Abstandsstatorzähne voneinander getrennt sind, so dass jede der Spulenseiten in einer separaten Statornut liegt und dadurch die um die Hauptstatorzähne gewickelten Statorspulen voneinander physikalisch getrennt sind.
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Weiterhin werden die Statorspulen an den Hauptstatorzähnen so geschaltet, dass diese verschiedenen, voneinander separaten Statorwicklungen zugeordnet sind. Dadurch kann zum einen ein hoher fundamentaler Wicklungsfaktor im Vergleich zu herkömmlichen dreiphasigen elektrischen Maschinen, insbesondere bei 12-nutigen, 14-poligen Maschinen, erreicht werden, so dass eine höhere Drehmomentendichte erreicht wird.
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Weiterhin können die Statorwicklungen mit separaten Wechselrichtern angesteuert werden, die zueinander eine elektrische Phasenverschiebung aufweisen, um die sechste Oberwelle der Drehmomentenschwankung zu eliminieren, so dass man eine elektrische Maschine mit einem sehr geringen Drehmomentenrippel erhält. Durch die separate Ansteuerung der Statorwicklungen sind die Statorwicklungen voneinander elektrisch isoliert, so dass die Fehlertoleranz weiter erhöht ist.
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Weiterhin können jeweils zwei oder mehr als zwei einer Phase zugeordnete und dergleichen Statorwicklung zugeordnete Statorspulen an in Umfangsrichtung voneinander gleichmäßig beabstandeten Statorzähnen angeordnet sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass die jeweils einer Phase zugeordnete und dergleichen Statorwicklung zugeordnete Statorspulen seriell oder parallel verschaltet sind, wobei insbesondere zwei der betreffenden Statorspulen einen zueinander entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen.
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Weiterhin können die Spulengruppen, die durch die jeweils einer Phase zugeordneten und dergleichen Statorwicklung zugeordneten Statorspulen gebildet sind, in einer Sternschaltung verschaltet sein.
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Weiterhin kann die elektrische Maschine als dreiphasige, quasi 12-nutige und 14-polige elektrische Maschine ausgebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die durchschnittliche Breite eines der Abstandsstatorzähne zwischen 25% und 40%, vorzugsweise zwischen 30% und 35% der durchschnittlichen Breite eines der Hauptstatorzähne betragen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Anzahl von Statorzähnen vorgesehen sein, wobei ein Überdeckungswinkel, der durch einen der Hauptstatorzähne bestimmt ist, zuzüglich dem doppelten Überdeckungswinkel, der durch die dazu benachbarten Nutöffnungen bestimmt ist, einem elektrischen Lagewinkel von 180° mit einer Toleranz von +/–10% entspricht.
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Weiterhin kann ein Überdeckungswinkel, der durch einen der Abstandsstatorzähne bestimmt ist, einem elektrischen Lagewinkel von 360° /n, insbesondere 30° mit einer Toleranz von +/–10% entsprechen.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein Hauptüberdeckungswinkel eines der Hauptstatorzähne von einem Läuferpolwinkel eines der Läuferpole um nicht mehr als 15 % insbesondere um nicht mehr als 5% abweicht.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Querschnittsdarstellung durch eine fehlertolerante elektrische Maschine;
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2 eine vergrößerte Darstellung durch einen Ausschnitt der fehlertoleranten Maschine der 1;
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3 eine Variante der Ausbildung des Abstandsstatorzahns für den Stator der elektrischen Maschine der 1;
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4a und 4b Darstellungen einer Verschaltung der Statorspulen der elektrischen Maschine der 1;
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5a und 5b Darstellungen einer alternativen Verschaltung der Statorspulen der elektrischen Maschine der 1;
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6 die Anteile von Oberschwingungen in der phasenbezogenen elektromotorischen Kraft in den Statorwicklungen; und
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7a und 7b die Drehmomentenverläufe bei einzelner Ansteuerung der Statorwicklung und bei einer Überlagerung der Drehmomentenrippel bei gleichzeitiger Bestromung der beiden Statorwicklungen.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine elektrische Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 weist einen Stator 2 auf, der ein kreiszylindrisches Statorjoch 21 und davon nach innen in radialer Richtung R abstehende Statorzähne 22 umfasst. Die Statorzähne 22 sind in Umfangsrichtung U zueinander beabstandet, so dass zwischen den Statorzähnen 22 Statornuten 23 zur Aufnahme von Spulenseiten von Statorspulen 3 ausgebildet sind.
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Die in 1 dargestellte elektrische Maschine 1 ist beispielhaft als dreiphasige, quasi 12-nutige und 14-polige elektrische Maschine ausgebildet.
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Die Statorzähne 22 umfassen Hauptstatorzähne 22a und Abstandsstatorzähne 22b. Die Hauptstatorzähne 22a und die Abstandsstatorzähne 22b sind wechselweise in Umfangsrichtung U angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform weist der Stator 2 24 Statorzähne auf, die mit „1“ bis „24“ im Uhrzeigersinn nummeriert sind. Die mit ungeraden Nummern bezeichneten Statorzähne 22 entsprechen den Abstandsstatorzähnen 22b und die mit geraden Nummern bezeichneten Statorzähne 22 den Hauptstatorzähnen 22a. Die vom Statorjoch 22 abstehenden Enden der Hauptstatorzähne 22a und der Abstandsstatorzähne 22b weisen Konturen auf, um eine nach innen gerichtete zylindrische Innenausnehmung 27 auszubilden.
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Die Hauptstatorzähne 22a sind jeweils mit einer Statorspule 3 versehen, die jeweils als eine Einzelzahnspule ausgebildet ist. Die Statorspulen 3 sind schematisch als einzelne Windung dargestellt, wobei die Anzahl der Windungen jeder Statorspule 3 im Wesentlichen beliebig gewählt sein kann.
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Die Hauptstatorzähne 22a weisen jeweils einen Zahnschaft 24 mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt (bezüglich einer radialen Richtung R) auf und können an ihrem abstehenden Ende mit Zahnköpfen 25 versehen sein. Die Zahnköpfe 25 stehen von dem Zahnschaft des betreffenden Hauptstatorzahns 22a in Umfangsrichtung U, d.h. in Anordnungsrichtung der Hauptstatorzähne 22a, über, um Nutöffnungen 26 der Statornuten 23 hin zu einem Luftspalt 6 zu verringern. Die Abstandsstatorzähne 22b können ohne Zahnkopf ausgebildet sein oder mit einem kleineren Zahnkopf als die Hauptstatorzähne 22a versehen sein. Die Querschnittsflächen der Abstandsstatorzähne 22b, insbesondere deren Breiten in Umfangsrichtung, sind identisch und geringer als die entsprechenden Querschnittsflächen der Hauptstatorzähne 22a.
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In der Innenausnehmung 27 des Stators 2 ist ein Läufer 4 drehbeweglich angeordnet, der mit oberflächenmontierten Permanentmagneten 41 ausgebildete Läuferpole 42 aufweist. Die Permanentmagnete 41 sind dazu auf einer Mantelfläche eines weichmagnetischen Läuferkörpers 43 angeordnet, der zylindrisch ist und einen runden oder polygonalen Querschnitt aufweisen kann.
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Der Läuferkörper 43 ist an einer Welle 5 angeordnet und dadurch drehbeweglich gelagert. Um die Permanentmagnete 41 an dem Läuferkörper 43 zu halten, kann eine zylindrische Haltehülse (nicht gezeigt) vorgesehen sein, die vorzugsweise nicht magnetisch ausgebildet und den Läufer 4 insgesamt umgibt. Zwischen den Außenflächen der Permanentmagnete 41 und der Konturfläche der Zahnköpfe 25 der Statorzähne 22 wird der Luftspalt 6 gebildet.
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Die Konfiguration als dreiphasige, 12-nutige und 14-polige elektrische Maschine führt bekanntermaßen zu einem niedrigen Drehmomentenrippel, einer guten Feldschwächung und einem niedrigem Bremsmoment bei Auftreten eines Fehlers, was für Anwendungen für Lenksysteme vorteilhaft ist. Der Aufbau des Stators 2 mit den zwölf zusätzlichen Abstandsstatorzähnen 22b führt nicht zu einer Verschlechterung dieser vorteilhaften Eigenschaften des herkömmlichen Statordesigns, wobei die Abstandsstatorzähne 22b jedoch jede der Statorspulen 3 physikalisch, thermisch und magnetisch voneinander isolieren, so dass eine hohe Ausfallsicherheit gewährleistet ist.
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Die in 1 dargestellte dreiphasige elektrische Maschine 1 weist zwölf Statorspulen 3 auf, die zu zwei voneinander getrennte Statorwicklungen verschaltet sind. Somit sind jeweils vier der Statorspulen 3 einer Phase zugeordnet und in Spulengruppen zu je zwei Statorspulen 3 einer Statorwicklung zugeordnet. Die einer Phase zugeordneten Statorspulen sind in Spulengruppen zu je zwei Statorspulen 3 gemeinsam bestrombar. Die Hauptstatorzähne 22a sind jeweils mit Phasenbezeichnungen A1–A4, B1–B4, C1–C4 versehen, wobei A, B, C eine Phasenkennzeichnung darstellt und die Nummern 1–4 einen laufenden Index. In den dargestellten Ausführungsformen sind die laufenden Indizes 1 und 2 bzw. 3 und 4 verschiedenen Statorwicklungen zugeordnet.
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In 2 ist eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts der elektrischen Maschine 1 der 1 dargestellt. Anhand der 2 sollen bevorzugte Dimensionierungen der Komponenten der elektrischen Maschine 1 dargestellt werden.
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Eine bevorzugte Dimensionierung der elektrischen Maschine kann eine oder mehrere der folgenden Aspekte vorsehen:
- – Die Breite wst eines Abstandsstatorzahns 22b (in Umfangsrichtung) entspricht zwischen 25% und 40%, vorzugsweise zwischen 30% und 35%, weiter bevorzugt einem Drittel der Breite wmt eines Hauptstatorzahns 22a.
- – Der Überdeckungswinkel θmt (Überdeckungswinkel: Erstreckung über einen mechanischen Winkel des Läufers und Stators bezogen auf die Drehachse) eines der Hauptstatorzähne 22a entspricht mit einer Toleranz von +/–10% einem Überdeckungswinkel θpm eines durch einen Permanentmagneten 41 gebildeten Läuferpols.
- – Der Überdeckungswinkel θmt eines der Hauptstatorzähne 22a zuzüglich dem doppelten Überdeckungswinkel θso von zwei benachbarten Nutöffnungen 26 entspricht einem elektrischen Lagewinkel von 180° mit einer Toleranz von +/–10%.
- – Der Überdeckungswinkel θst eines Abstandsstatorzahns 22b entspricht einem elektrischem Lagewinkel von 30° mit einer Toleranz von +/–10%.
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Die Statorzähne 22 der Ausführungsform der elektrischen Maschine der 1 weisen über ihre Erstreckung im Wesentlichen eine gleichbleibende Breite auf. Entsprechend der Ausführungsform der 3 kann der Abstandsstatorzahn 22b auch mit einer in Richtung des Statorjochs 21 zunehmenden Breite ausgebildet sein, um einen mechanisch stabileren Abstandsstatorzahn 22b zu erhalten, jedoch wird die verfügbare Nutfläche für das Einbringen der Windungen der Statorspulen 3 verringert.
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In den 4a, 4b und 5a, 5b sind verschiedene Wicklungsanordnungen für die Statorwicklungen W1, W2 zur Verwendung mit einer der zuvor beschriebenen elektrischen Maschinen mit zwölf Statorspulen 3 dargestellt. Die dargestellten Bewicklungs- und Verschaltungsprinzipien lassen sich auch auf elektrische Maschinen mit davon abweichender Anzahl von Statorspulen 3 übertragen. Die Figuren a) zeigen jeweils eine schematische Ansicht der Verschaltung der Statorspulen 3, und die Figuren b) das sich daraus ergebende Wicklungsschema.
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Bei dem Wicklungsschema der 4a, 4b sind die Statorspulen 3 so verschaltet, dass einander am Stator 2 gegenüberliegende Statorspulen 3 seriell in entgegengesetzten Wicklungssinnen elektrisch verschaltet sind und die so gebildeten Statorspulenpaare über einen jeweiligen Sternpunkt S1, S2 miteinander verschaltet sind. Es werden durch die beiden Statorwicklungen W1, W2 Statorspulenpaare zu zwei separierten Sternpunkten verschaltet. Die Statorwicklungen werden durch separate Steuereinheiten 10a, 10b in an sich bekannter Weise angesteuert, so dass eine vollständige galvanische Trennung zwischen den Statorwicklungen und deren entsprechenden Ansteuerung besteht.
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Die durch die separierten Statorwicklungen W1, W2 gebildeten Teilmaschinen ermöglichen eine vollständige galvanische Trennung, so dass ein fortgesetzter Betrieb der elektrischen Maschine möglich wird, wenn in einer der dreiphasigen Statorwicklungen W1, W2 oder in einer der zugeordneten Steuereinheiten 10a, 10b ein Fehler auftritt.
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In den 5a und 5b ist eine alternative Wicklungsanordnung für die Statorwicklungen W1, W2 dargestellt. Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform 4a, 4b, wobei jedoch die jeweils einer Phase zugeordneten Statorspulen 3 parallel statt seriell verschaltet sind. Die parallele Verschaltung der Statorspulen 3 betrifft die an dem Stator jeweils gegenüberliegenden Statorspulen 3.
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Die Steuereinheiten 10a, 10b sind so ausgebildet, dass diese die jeweiligen Statorwicklungen W1, W2 bzw. Teilmaschinen mit einem Phasenversatz von 30° elektrischer Läuferlage ansteuern, so dass eine sechste Oberwelle des erzeugten Drehmoments eliminiert wird. Dadurch wird eine sehr geringe Drehmomentenwelligkeit erreicht. Die elektrische Läuferlage entspricht einer auf die Polpaarzahl bezogene Läuferlage. D.h. die elektrische Rotorlage entspricht einem mechanischen Rotorlagewinkel von 360° geteilt durch die Anzahl der Polpaare.
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In 6 werden die Harmonischen der elektromotorischen Kräfte für die Statorwicklungen W1, W2 dargestellt. Es sind nennenswerte Anteile der Amplitude A der elektromotorischen Kraft für die dritte, fünfte und siebte Oberwelle vorhanden. Die dritten Oberwellen jeder Phase jeder Statorwicklung W1, W2 heben sich bei einer Sternverschaltung in einem Dreiphasensystem auf, so dass nur noch die fünfte und siebte Oberwelle relevant sind. Die Amplituden der fünften und siebten Oberwelle entsprechen im gezeigten Beispiel 3,7% und 2,9% derjenigen der Grundwelle. Wenn jede Statorwicklung W1, W2 der elektrischen Maschine 1 mit einem sinusförmigen Dreiphasenstrom versorgt wird, die zu der dreiphasigen elektromotorischen Kraft jeder Statorwicklung W1, W2 ausgerichtet sind, wechselwirken die fünfte und siebte Oberwelle der elektromotorischen Kraft jeder Phase jeder Statorwicklung W1, W2 mit den Phasenströmen und erzeugen eine resultierende sechste Oberwelle des Drehmoments für jede der Statorwicklungen W1, W2, die zueinander um 30° elektrische Läuferlage phasenverschoben sind.
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In den 7a, 7b sind die Verläufe der Drehmomente der elektrischen Maschine 1 bei einer Bestromung mit einem dreiphasigen sinusförmigen Phasenstrom IW1, IW2 für die erste Statorwicklung W1 bzw. die zweite Statorwicklung W2 dargestellt. 7b zeigt den Verlauf des resultierenden Drehmoments, wenn beide im wesentlichen um 30° zueinander versetzt angeordnete Statorwicklungen W1, W2 gleichzeitig mit den dreiphasigen sinusförmigen Phasenströmen, die zueinander um 30° elektrische Läuferlage versetzt sind, bestromt werden. Man erkennt, dass die überlagerten Drehmomentenrippel sich in erheblichem Maße kompensieren, so dass nur ein sehr geringer Drehmomentenrippel verbleibt.
