DE102021205919B4 - Laminated core for a rotor or a stator of an electrical machine and corresponding electrical machine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Blechpaket (10) für einen Rotor oder einen Stator einer elektrischen Maschine, mit mehreren Blechen (12) und Verschweißungen (14) der Bleche (12) am Umfang (18, 22) des Blechpakets (10), die ein Schweißstellenmuster (20) entsprechender Schweißstellen auf der Umfangsfläche des Blechpakets (10) ergeben.Es ist vorgesehen, dass bei einer Näherung des Schweißstellenmusters (20) als Binärbild in einem sich bei entsprechender Segmentierung der Umfangsfläche sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung ergebenden Raster (24) bei dem in jedem einzelnen Rasterfeld (26) entweder keine Schweißstelle vorhanden ist, war einem Zustand 0 des entsprechenden Rasterfelds (26) entspricht, oder eine Schweißstelle vorhanden ist, was einem Zustand 1 des entsprechenden Rasterfelds (26) entspricht, eine sich durch Fouriertransformation dieses Binärbildes im Winkel-/Ortsbereich ergebende Funktion, also die Fourier-Transformierte des Binärbildes, einen flachen Verlauf in axialer Richtung und/oder in umfänglicher Richtung, insbesondere einen flachen Verlauf sowohl in axialer Richtung als auch in umfänglicher Richtung, aufweist.Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, bei der der Rotor oder der Stator ein derartiges Blechpaket (10) aufweist.The present invention relates to a laminated core (10) for a rotor or a stator of an electrical machine, with a plurality of laminations (12) and welds (14) of the laminations (12) on the periphery (18, 22) of the laminated core (10), which Weld pattern (20) of corresponding weld points on the peripheral surface of the laminated core (10). It is provided that when the weld pattern (20) is approximated as a binary image in a grid ( 24) in which in each individual grid field (26) there is either no welding point, which corresponds to a state 0 of the corresponding grid field (26), or a welding point is present, which corresponds to a state 1 of the corresponding grid field (26), a through Fourier transformation of this binary image in the angular / spatial range yielding function, ie the Fourier transform of the binary image, a flat Ver running in the axial direction and/or in the circumferential direction, in particular a flat course both in the axial direction and in the circumferential direction.The invention further relates to an electrical machine with a rotor and a stator, in which the rotor or the stator is such a Laminated core (10).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Blechpaket für einen Rotor oder einen Stator einer elektrischen Maschine, mit mehreren Blechen und Verschweißungen der Bleche am Umfang des Blechpakets, die ein Schweißstellenmuster entsprechender Schweißstellen auf der Umfangsfläche des Blechpakets ergeben.The present invention relates to a laminated core for a rotor or a stator of an electrical machine, with a plurality of laminations and welds of the laminations on the periphery of the laminated core, which result in a weld pattern of corresponding welds on the peripheral surface of the laminated core.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor oder der Stator ein entsprechendes Blechpaket aufweist.The present invention also relates to an electrical machine with a rotor and a stator, the rotor or the stator having a corresponding laminated core.
Stanzpaketierte Blechpakete für Rotoren oder Statoren von elektrischen Maschinen werden nach dem Packen in der Regel an mehreren Positionen über den Umfang an der äußeren Umfangsfläche (Mantelfläche) geradlinig verschweißt.Stamped stacked laminated cores for rotors or stators of electrical machines are usually welded in a straight line at several positions around the circumference on the outer circumferential surface (shell surface) after packing.
Im Betrieb der elektrischen Maschine werden die Blechpakete über die elektromagnetischen Zahnkräfte zu Schwingungen angeregt. Diese Schwingungen bilden sich sowohl über den Umfang als auch über die axiale Länge aus. Letztlich werden diese Schwingungen an das Gehäuse und die Luft übertragen und als Geräusch wahrgenommen, welches in der Regel als störend empfunden wird.During operation of the electrical machine, the laminated cores are excited to vibrate via the electromagnetic tooth forces. These vibrations form both over the circumference and over the axial length. Ultimately, these vibrations are transmitted to the housing and the air and perceived as noise, which is usually perceived as annoying.
In der Vergangenheit wurden bereits mögliche Lösungsansätze zur Beeinflussung des Übertragungsverhaltens der elektromagnetisch induzierten Schwingungen ausgearbeitet. Werden die über den Umfang gleichmäßig verteilten, geradlinigen Schweißnähte derart ausgeführt, dass sie die Schwingformen in axialer Richtung in Frequenz und Amplitude ändern, kann mit einem geänderten akustischen Verhalten gerechnet werden, bei dem störende Geräuschanteile reduziert sind.Possible solutions for influencing the transmission behavior of the electromagnetically induced vibrations have already been worked out in the past. If the straight weld seams, which are evenly distributed over the circumference, are executed in such a way that they change the deflection shapes in the axial direction in terms of frequency and amplitude, a changed acoustic behavior can be expected, in which disturbing noise components are reduced.
Aus der
Die
Die Druckschrift
Es bleibt jedoch ein Bedürfnis, derartige als störend empfundene Geräusche/Geräuschanteile weiter zu reduzieren.However, there remains a need to further reduce such noises/noise components that are perceived as disturbing.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maßnahmen bereitzustellen, über die eine weitere Geräuschreduzierung derartiger Geräusche beziehungsweise Geräuschanteile beim Betrieb einer elektrischen Maschine ermöglicht wird.It is therefore the object of the present invention to provide measures that enable a further noise reduction of such noises or noise components during the operation of an electrical machine.
Die Lösung der vorliegenden Erfindung erfolgt durch ein Blechpaket mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.The present invention is achieved by a laminated core with the features of claim 1 and an electrical machine with the features of claim 7. Preferred embodiments of the invention are described in the subclaims, in the description or in the figures, with others in the subclaims or in The features described or shown in the description or the figures, individually or in any combination, may represent an object of the invention if the context does not clearly indicate the opposite.
Bei dem erfindungsgemäßen Blechpaket für einen Rotor oder einen Stator einer elektrischen Maschine, mit mehreren Blechen und Verschweißungen der Bleche am Umfang des Blechpakets, die ein Schweißstellenmuster entsprechender Schweißstellen auf der Umfangsfläche des Blechpakets ergeben, ist vorgesehen, dass bei einer Näherung des Schweißstellenmusters als Binärbild in einem sich bei entsprechender Segmentierung der Umfangsfläche sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung ergebenden Raster bei dem in jedem einzelnen Rasterfeld entweder keine Schweißstelle vorhanden ist, war einem Zustand 0 des entsprechenden Rasterfelds entspricht, oder eine Schweißstelle vorhanden ist, was einem Zustand 1 des entsprechenden Rasterfelds entspricht, eine sich durch Fouriertransformation dieses Binärbildes im Winkel-/Ortsbereich ergebende Funktion, also die Fourier-Transformierte des Binärbildes, einen flachen Verlauf in axialer Richtung und/oder in umfänglicher Richtung, insbesondere einen flachen Verlauf sowohl in axialer Richtung als auch in umfänglicher Richtung, aufweist. Diese Ausgestaltung des Schweißstellenmusters dient der Reduktion des Übertragungsverhaltens elektromagnetisch induzierter Schwingungen und somit der Minderung der daraus resultierenden akustischen Abstrahlung. Auf diese Weise werden die aufgrund von Autokorrelation auftretenden Geräusche bzw. Geräuschkomponenten unterdrückt.In the case of the laminated core according to the invention for a rotor or a stator of an electrical machine, with a plurality of laminations and welds of the laminations on the periphery of the laminated core, which result in a weld pattern of corresponding welds on the peripheral surface of the laminated core, it is provided that when the weld pattern is approximated as a binary image in a grid resulting from a corresponding segmentation of the circumferential surface both in the axial direction and in the circumferential direction, in which there is either no weld point in each individual grid field, was one Corresponds to state 0 of the corresponding grid field, or a weld is present, which corresponds to a state 1 of the corresponding grid field, a function resulting from Fourier transformation of this binary image in the angular/local area, i.e. the Fourier transform of the binary image, a flat profile in the axial direction and/or in the circumferential direction, in particular a flat course both in the axial direction and in the circumferential direction. This design of the welding point pattern serves to reduce the transmission behavior of electromagnetically induced vibrations and thus to reduce the resulting acoustic radiation. In this way, the noise or noise components occurring due to autocorrelation are suppressed.
Mit dem Binärbild des Schweißstellenmusters als Funktion über den Umfang ergeben sich jetzt Binärfolgen mit verschiedene „0“ und „1‟-Zuständen über dem Winkel 360° (oder 2π). Diese Funktion über den Winkel/Ort (die 360°) kann man jetzt Fourier-transformieren und es ergibt sich die fouriertransformierte Funktion
Die Binärbild-Näherung des Schweißstellenmusters ist optimal, wenn ein möglichst flaches „Spektrum“ nach einer Fouriertransformation nach dem Ort bzw. Winkel erreicht ist (Gleichung (2)). Dies gilt in umfänglicher wie axialer Richtung des Blechpakets.The binary image approximation of the weld pattern is optimal when a “spectrum” that is as flat as possible is achieved after a Fourier transformation according to the location or angle (equation (2)). This applies to the circumferential and axial direction of the laminated core.
Die Definition des flachen Verlaufs der sich durch Fouriertransformation des Binärbildes im Winkel-/Ortsbereich ergebenden Funktion wird dann beispielsweise durch einen maximal zulässigen Pegel-Unterschied zwischen einem minimalen zu einem maximalen Funktionswert dieser Funktion definiert. Dieser Pegel-Unterschied kann dann beispielsweise mit 6 dB angesetzt werden.The definition of the flat course of the function resulting from Fourier transformation of the binary image in the angular/spatial domain is then defined, for example, by a maximum permissible level difference between a minimum and a maximum function value of this function. This level difference can then be set at 6 dB, for example.
Das Blechpaket hat in der Regel die Form eines Hohlzylinders, der durch eine axiale Länge/Höhe, einen Innenradius und einen Außenradius gekennzeichnet ist. Dementsprechend hat ein solches Blechpaket einen Außenumfang und einen Innenumfang. An jedem dieser Umfänge können die besagten Verschweißungen angeordnet sein.The laminated core usually has the shape of a hollow cylinder, which is characterized by an axial length/height, an inner radius and an outer radius. Accordingly, such a laminated core has an outer circumference and an inner circumference. Said welds can be placed on each of these perimeters.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Binärbild zumindest in Umfangsrichtung, bevorzugt jedoch sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung, für jede einzelne Zeile/Spalte des Rasters als Binärcode-Folge gemäß eines Binärcodes geringer Autokorrelation mit den beiden Zuständen 0 und 1 näherbar ist. Beim Auslesen der einzelnen Zeilen beziehungsweise Spalten ergibt sich dann jeweils eine Binärcode-Folge gemäß des Binärcodes geringer Autokorrelation.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the binary image at least in the circumferential direction, but preferably both in the axial direction and in the circumferential direction, for each individual row/column of the grid as a binary code sequence according to a binary code with low autocorrelation with the two states 0 and 1 is approachable. When the individual rows or columns are read out, a binary code sequence then results in each case according to the binary code with low autocorrelation.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der jeweilige Binärcode geringer Autokorrelation ein Barker-Code oder ein Williard-Code ist. In den meisten Fällen ist der Barker-Code die beste Wahl. Der alternative Williard-Code weist im Gegensatz zu den Codefolgen des Barker-Codes eine höhere Autokorrelation auf.It is provided in particular that the respective binary code with low autocorrelation is a Barker code or a Willard code. In most cases, the Barker code is the best choice. In contrast to the code sequences of the Barker code, the alternative Williard code has a higher autocorrelation.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Segmentierung der Umfangsfläche in axialer Richtung eine Segmentierung in 4, 5, 7, 11 oder 13 gleichförmige Segmente und die Segmentierung der Umfangsfläche in Umfangsrichtung eine Segmentierung in 4, 5, 7, 11 oder 13 gleichförmige Segmente. Die Anzahl der Segmente entspricht der Länge der Code-Folge. Eine Länge der Code-Folge kleiner als vier ist zwar möglich, aber für die vorliegende Anwendung weniger sinnvoll. Eine Länge der Code-Folge größer 13 ist für den Barker-Code nicht bekannt.According to a further preferred embodiment of the invention, the segmentation of the circumferential surface in the axial direction is a segmentation into 4, 5, 7, 11 or 13 uniform segments and the segmentation of the circumferential surface in the circumferential direction is a segmentation into 4, 5, 7, 11 or 13 uniform segments . The number of segments corresponds to the length of the code sequence. A code sequence length of less than four is possible, but makes less sense for the present application. A length of the code sequence greater than 13 is not known for the Barker code.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der flache Verlauf der sich durch Fouriertransformation des Binärbildes im Winkel-/Ortsbereich ergebenden Funktion durch einen maximal zulässigen Pegel-Unterschied zwischen einem minimalen zu einem maximalen Funktionswert dieser Funktion von 3 dB gegeben ist, was einem Faktor 1/SQRT(2) entspricht.According to yet another preferred embodiment of the invention, it is provided that the flat progression of the function resulting from Fourier transformation of the binary image in the angular/spatial domain is given by a maximum permissible level difference between a minimum and a maximum function value of this function of 3 dB. which corresponds to a factor of 1/SQRT(2).
Schließlich ist bezüglich des Blechpakets mit Vorteil vorgesehen, dass die Rasterfelder rechteckig ausgebildet sind, wobei eine umfänglich verlaufende erste Seite des jeweiligen Rasterfeldes deutlich länger ist als die axial verlaufende zweite Seite des jeweiligen Rasterfeldes. Dementsprechend werden die Verschweißungen in der Regel als Schweißnähte ausgeführt. Es können jedoch auch einzelne Schweißpunkte hinzugefügt werden oder es kann das gesamte Schweißstellenmuster aus solchen Schweißpunkten aufgebaut sein.Finally, with regard to the laminated core, it is advantageously provided that the grid fields are of rectangular design, with a circumferentially running first side of the respective grid field being significantly longer than the axially running second side of the respective grid field. Accordingly, the welds are usually carried out as weld seams. However, individual spot welds can also be added, or the entire spot weld pattern can be made up of such spot welds.
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem Rotor und einem Stator ist vorgesehen, dass der Rotor oder der Stator ein vorstehend genanntes Blechpaket aufweist. Dieses Blechpaket hat dann Verschweißungen der Bleche am Umfang des Blechpakets, die ein entsprechendes Schweißstellenmuster ergeben.In the electrical machine according to the invention with a rotor and a stator, it is provided that the rotor or the stator has a laminated core as mentioned above. This stack of laminations then has welds of the laminations on the circumference of the stack of laminations, which result in a corresponding pattern of welds.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist vorgesehen, dass diese als Elektromotor und/oder als elektrischer Generator ausgebildet ist, also als Elektromotor, als Generator oder als sogenannter Motorgenerator.According to a preferred embodiment of the electric machine according to the invention, it is provided that this is designed as an electric motor and/or as an electric generator, ie as an electric motor, as a generator or as a so-called motor generator.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist vorgesehen, dass diese als Synchronmaschine ausgebildet ist. Eine Synchronmaschine ist eine rotierende elektrische Maschine, in der der Rotor synchron mit dem Drehfeld des Stators läuft. Synchronmaschinen werden häufig als Drehstrommaschinen, also als Drehstrom-Synchronmaschinen ausgeführt. Vom Prinzip her kann jede Synchronmaschine als elektrischer Motor und/oder elektrischer Generator betrieben werden.According to a further preferred embodiment of the electric machine according to the invention, it is provided that this is designed as a synchronous machine. A synchronous machine is a rotating electrical machine in which the rotor runs synchronously with the rotating field of the stator. Synchronous machines are often designed as three-phase machines, ie as three-phase synchronous machines. In principle, any synchronous machine can be operated as an electric motor and/or electric generator.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist vorgesehen, dass diese als Asynchronmaschine ausgebildet ist. Eine Asynchronmaschine, oft auch Drehstrom-Asynchronmaschine oder Drehstrom-Induktionsmaschine genannt, ist eine Drehstrommaschine bei der der Rotor dem Drehfeld des Stators entweder vor- oder nachläuft.According to yet another preferred embodiment of the electrical machine according to the invention, it is provided that this is designed as an asynchronous machine. An asynchronous machine, often also called a three-phase asynchronous machine or three-phase induction machine, is a three-phase machine in which the rotor either leads or lags the rotating field of the stator.
Mit Bezug auf weitere Vorteile und technische Merkmale des Blechpakets und der elektrischen Maschine wird auf die Beschreibung, auf die Figuren wie auf die Beschreibung der Figuren verwiesen.With regard to further advantages and technical features of the laminated core and the electrical machine, reference is made to the description, to the figures and to the description of the figures.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Figur weiter erläutert, wobei einzelne oder mehrere Merkmale der Figur für sich oder in Kombination ein Merkmal der Erfindung sein können. Ferner sind Figur und Beispiel nur exemplarisch aber in keiner Weise beschränkend zu sehen.The invention is explained in more detail below with reference to the figure, wherein one or more features of the figure can be a feature of the invention, either alone or in combination. Furthermore, figure and example are only to be seen as examples but in no way restrictive.
Es zeigt:
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1 in einer schematischen Darstellung ein Blechpaket für einen Stator einer elektrischen Maschine.
-
1 in a schematic representation of a laminated core for a stator of an electrical machine.
Die
Stanzpaketierte Blechpakete 10 für Rotoren und/oder Statoren von elektrischen Maschinen werden zum Zweck der Anwendbarkeit des hier beschriebenen Vorgehens sowohl in Umfangs- als auch Längsrichtung segmentiert. Bei einer Näherung des Schweißstellenmusters 20 als Binärbild in einem Raster (gestrichelte Linien) 24, welches durch die entsprechende Segmentierung der Umfangsfläche sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung ergibt, bei dem in jedem einzelnen Rasterfeld 26 entweder keine Schweißstelle vorhanden ist (was einem Zustand 0 des entsprechenden Rasterfelds 26 entspricht) oder eine Schweißstelle vorhanden ist (was einem Zustand 1 des entsprechenden Rasterfelds 26 entspricht) eine sich durch Fouriertransformation dieses Binärbildes im Winkel-/Ortsbereich ergebende Funktion, also die Fourier-Transformierte des Binärbildes, einen flachen Verlauf sowohl in axialer Richtung als auch in umfänglicher Richtung aufweist.Stamped
Diese Ausgestaltung des Schweißstellenmusters 20 dient dabei der Reduktion des Übertragungsverhaltens elektromagnetisch induzierter Schwingungen und somit der Minderung der akustischen Abstrahlung. Hierbei kann sich die Anzahl der Umfangssegmente von denen in Längsrichtung unterschieden, wobei die jeweiligen richtungsbezogenen Segmente äquidistant auszuführen sind. Basierend auf der jeweiligen Segmentanzahl, also der Anzahl der Rasterfelder 26 pro Zeile bzw. Spalte, wird für das Verschweißen der Segmente hier im Beispiel der Barker Code mit der Länge n = Segmentanzahl gewählt.This configuration of the
Hier im Beispiel ergibt sich also ein Naxial x Numfänglich - Raster mit:
- Naxial = 11: Anzahl der Segmente in Längsrichtung
- Numfänglich = 7: Anzahl der Segmente in Umfangsrichtung
- N axial = 11: number of segments in the longitudinal direction
- N circumferential = 7: number of segments in the circumferential direction
Gemäß Barker Code ergeben sich folgende Codefolgen:
Negationen beziehungsweise Umkehrungen der Codefolgen sind möglich.Negations or inversions of the code sequences are possible.
Ein Parameterwert von 1 gibt an, dass die Bleche 12 im entsprechenden Rasterfeld 26 zu verschweißen sind, während ein Parameterwert von 0 angibt, dass das entsprechende Rasterfeld 26 frei von Schweißstellen bleiben soll.A parameter value of 1 indicates that the
Es ergibt sich also das in
In Matrixschreibweise ergibt sich eine Schweißvorgabe über das Binärbild zu: In matrix notation, a welding specification results from the binary image:
Alternativ zur Nutzung des Barker-Codes kann auch der Williard-Code oder jeder andere Binärcode geringer Autokorrelation genutzt werden.As an alternative to using the Barker code, the Willard code or any other binary code with low autocorrelation can also be used.
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