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Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine mit dem Stator.
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In den letzten beiden Jahrzehnten wurden bei Synchronmaschinen die sogenannten Fractional-Slot Concentrated Windings, FSCWs, zu Deutsch konzentrierte Bruchlochwicklung, in zahlreichen Anwendungen vermehrt eingesetzt. Gründe hierfür sind die einfache Herstellung und die attraktive Charakteristik wie beispielsweise ein gutes Verhältnis von Leistung zu Gewicht, geringe Kupferverluste, gute Fehlertoleranzen, nicht überlappende Spulen und kurze Wickelköpfe.
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FSCWs können als Einschichtwicklung oder als Mehrschichtwicklung ausgeführt werden. Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung ist die Einschichtwicklung.
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Bei derartigen Maschinen wird als Arbeitswelle häufig nicht die Grundwelle der magnetomotorischen Kraft verwendet, sondern eine höhere Harmonische, beispielsweise die fünfte oder die siebte Harmonische der magnetomotorischen Kraft.
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Wünschenswert ist dabei, die Arbeitswelle im Verhältnis zu den anderen harmonischen Komponenten einschließlich der Grundwelle zu verstärken beziehungsweise die unerwünschten Komponenten der magnetomotorischen Kraft zu unterdrücken beziehungsweise zu verringern.
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Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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In einer Ausführungsform weist ein Stator für eine elektrische Maschine mehrere Statorzähne auf, die entlang des Umfangs des Stators verteilt und zwischen denen jeweils Nuten ausgebildet sind, wobei Spulen unterschiedlicher Phasen jeweils um zwischen den Nuten gebildete Zähne gewickelt sind. Die Anzahl der Phasen ist größer als drei.
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Es handelt sich vorliegend um einen Stator für eine Maschine mit vier oder mehr verschiedene elektrischen Phasen, welche auch als Multiphasenmaschinen bezeichnet werden.
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Zwischen den bewickelten Zähnen ist jeweils mindestens ein unbewickelter Zahn vorgesehen.
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In einer Ausführungsform ist in mindestens einem der bewickelten Zähne eine Ausnehmung vorgesehen, welche im Wesentlichen in radialer Richtung ausgedehnt und im Zahnbereich angeordnet ist.
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In einer Ausführungsform ist die Ausnehmung in dem mindestens einen unbewickelten Zahn vorgesehen, und im Wesentlichen in radialer Richtung ausgedehnt und im Zahnbereich angeordnet.
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Mit andern Worten kann die in radialer Richtung ausgedehnter Ausnehmung im Bereich des unbewickelten Zahns vorgesehen sein, oder im Bereich eines bewickelten Zahns.
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In beiden Fällen wird durch die zusätzliche Ausnehmung im Zahnbereich die Arbeitswelle, beispielsweise die vierte oder sechste Harmonische der magnetomotorischen Kraft verstärkt, während andere signifikante harmonische Anteile der magnetomotorischen Kraft, insbesondere die Grundwelle, deutlich reduziert werden.
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In einer Ausführungsform weisen alle bewickelten Zähne des Stators oder alle unbewickelten Zähne des Stators eine vorstehend beschriebene Ausnehmung auf, die im Zahnbereich in radialer Richtung ausgedehnt ist.
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Die Ausnehmung kann in einer Ausführungsform von einer dem Luftspalt zugewandten Seite des Stators, also in Richtung der Achse der Maschine, bis durch das Joch des Stators hindurch nach außen verlaufen.
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In einer Ausführungsform bildet die Ausnehmung eine mechanische Barriere zur Reduzierung der Grundwelle des Magnetflusses.
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Gemäß einer Ausführung ist der Abstand der Ausnehmungen voneinander in Umfangsrichtung gesehen dem doppelten Nutabstand entsprechend.
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In einer Ausführungsform sind die Nuten in axialer Richtung verlaufend ausgebildet und zueinander parallel angeordnet.
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In einer Ausführungsform ist der Stator so ausgebildet, dass als Arbeitswelle eine von der Grundwelle verschiedene höhere Harmonische der magnetomotorischen Kraft genutzt wird.
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In einer Ausführungsform ist in die Nuten eine mehrphasige Einschichtwicklung eingelegt, die die vorgenannten Spulen umfasst.
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Die Einschichtwicklung kann Spulen von mindestens fünf verschiedenen Phasen umfassen.
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In einer Ausführungsform haben alle Spulen den gleichen Wicklungssinn und die gleiche Spulenfolge.
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In einer Ausführungsform kann jede Spule von einer individuellen elektrischen Phase gespeist sein.
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In einer anderen Ausführungsform sind die Statorzähne entlang des Umfangs des Stators abwechselnd bewickelt und unbewickelt.
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Die Statorzähne können symmetrisch entlang des Umfangs des Stators verteilt sein. Das bedeutet, dass alle Nuten im Umfangsrichtung gesehen den gleichen Abstand voneinander haben.
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In einer Ausführungsform ist eine elektrische Maschine mit einem vorstehend beschriebenen Stator und einem Rotor angegeben.
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Der Rotor kann als PM-Rotor ausgebildet sein, so dass er eine Vielzahl von Permanentmagneten umfasst. Die Permanentmagneten können beispielsweise abwechselnd als Nordpol und Südpol magnetisiert sein.
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Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Prinzips sind nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen ersichtlich. Dabei zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines Stators für eine elektrische Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
- 2 ein Diagramm der Flussdichteverteilung zu 1,
- 3 ein Diagramm der harmonischen Komponenten zu 1,
- 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Stators für eine elektrische Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
- 5 ein Diagramm der Flussdichteverteilung zu 4,
- 6 ein Diagramm der harmonischen Komponenten zu 4,
- 7 ein Ausführungsbespiel einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
- 8 ein weiteres Ausführungsbespiel einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
- 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Stators für eine elektrische Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
- 10 ein Diagramm der Flussdichteverteilung zu 9,
- 11 ein Diagramm der harmonischen Komponenten zu 9,
- 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Stators für eine elektrische Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
- 13 ein Diagramm der Flussdichteverteilung zu 12,
- 14 ein Diagramm der harmonischen Komponenten zu 12,
- 15 ein weiteres Ausführungsbespiel einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
- 16 ein weiteres Ausführungsbespiel einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
- 17 ein weiteres Ausführungsbespiel einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
- 18 ein weiteres Ausführungsbespiel einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip und
- 19 ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Ersatzschaltbilds einer Multiphasenwicklung.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Stators für eine elektrische Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
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Der Stator 1 umfasst insgesamt zehn Nuten 2, die entlang des Umfangs verteilt und in axialer Richtung des Stators ausgedehnt sind. Zwischen den Nuten sind Statorzähne gebildet. In die Nuten ist eine fünfphasige einschichtige FSCW-Wicklung eingelegt, wobei die Spulen der jeweiligen Phase mit A1 bis A5 bezeichnet sind. Die Spulen sind um Zähne 3 gewickelt, wobei zwischen den bewickelten Zähnen 3 jeweils ein unbewickelter Zahn 4 verbleibt. Die bewickelten Zähne 3 weisen jeweils eine Ausnehmung 5 auf, die sich in radialer Richtung erstreckt von der dem Luftspalt zugewandten Seite des Stators bis durch einen gegenüberliegenden Jochbereich hindurch.
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2 zeigt die Flussdichteverteilung im Luftspalt im Vergleich der Ausführung nach 1 mit einem herkömmlichen Stator, der wie in 1 aufgebaut ist, jedoch keine Ausnehmungen 5 aufweist.
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3 zeigt ebenfalls diesen Vergleich, jedoch anhand der Verteilung der Harmonischen der Flussdichteverteilung. Man erkennt, dass die vierte Harmonische verstärkt wird. Diese wird vorliegend als Arbeitswelle genutzt. Die Grundwelle, also die Harmonische erster Ordnung, ist deutlich reduziert, nämlich circa auf die Hälfte.
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4 zeigt eine alternative Ausführung zu der Ausführung gemäß 1. In der Ausführung gemäß 4 sind die Ausnehmungen 5 nicht im Zahnbereich der bewickelten Zähne 3 ausgebildet, sondern im Zahnbereich der unbewickelten Zähne 4. Abgesehen davon stimmen die Ausführungen von 1 und 4 miteinander überein und werden an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben.
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Wie sich aus den zugeordneten Diagrammen gemäß 5 und 6 zeigt, die wiederum zum einen die Flussdichteverteilung und zum anderen die Verteilung der harmonischen Komponenten beschreiben, ist hier die sechste Harmonische verstärkt durch die mechanischen Flussbarrieren mit den Ausnehmungen 5, so dass die sechste Harmonische als Arbeitswelle genutzt wird.
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Die Grundwelle wird um über 50% reduziert. Man erkennt auch, dass nicht nur die Grundwelle reduziert wird, sondern auch andere Sub-Harmonische, also Harmonische mit einer Ordnungszahl geringer als die Ordnungszahl der Arbeitswelle, beispielsweise wird die vierte Harmonische ebenfalls signifikant reduziert. Auch die zweite und dritte Harmonische werden reduziert, wenn auch auf niedrigerem Niveau.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit dem Stator von 1 und zusätzlich einem innenliegenden Rotor 6. Der Rotor 6 ist als PM-Rotor ausgebildet mit acht entlang seines Umfangs verteilten Permanentmagneten, die beispielsweise abwechselnd als Nord- und Südpol magnetisiert sind und insgesamt vier Polpaare bilden. Die vier Polpaare sind abgestimmt auf die Arbeitswelle, nämlich die vierte Harmonische.
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8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit dem Stator 1' von 4 und einem Rotor 7, welcher insgesamt 12 Permanentmagneten entlang seines Umfangs aufweist und damit die Polpaarzahl von sechs realisiert. Die Polpaarzahl sechs ist abgestimmt auf die Arbeitswelle dieses Ausführungsbeispiels, nämlich die sechste Harmonische der magnetomotorischen Kraft.
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9 zeigt ausgehend von 1 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Stators für eine elektrische Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Ausführungen gemäß 1 und 9 verbindet miteinander, dass auch bei 9 die Ausnehmungen 5 jeweils im Bereich der bewickelten Zähne 3 vorhanden und ebenfalls radial ausgedehnt sind. Im Unterschied zu 1 zeigt 9 nicht Spulen zu fünf elektrischen Phasen, sondern es sind insgesamt sieben Spulen, die sieben elektrischen Phasen zugeordnet sind, vorhanden. Die entlang des Umfangs verteilten Spulen sind mit A1 bis A7 bezeichnet. Wie in 1 ist jeder zweite Zahn unbewickelt. Die unbewickelten Zähne sind mit Bezugszeichen 4 versehen. Diese weisen keine Ausnehmung 5 auf. Auch hier handelt es sich um eine einschichtige FSCW-Wicklung.
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Die Wirkungsweise der Ausnehmungen 5 als mechanische Flussbarriere ist wiederum in den beiden nachfolgenden 10 und 11 ersichtlich. 10 zeigt einen Vergleich der Flussdichteverteilung im Luftspalt zwischen dem Stator gemäß 9 und einem konventionellen Stator ohne Ausnehmungen 5, während 11 diesen Vergleich für die Harmonischen im Luftspalt beschreibt. Es ist deutlich erkennbar, dass die sechste Harmonische hier verstärkt wird und als Arbeitswelle genutzt wird. Die Grundwelle wird sehr deutlich reduziert, von nahezu 0,2 Tesla auf circa 0,05. Auch andere signifikante harmonische Komponenten wie die achte und die dreizehnte werden mit der Ausführungsform gemäß 9 deutlich reduziert. Die übrigen harmonischen Komponenten kommen praktisch sowieso nicht vor.
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12 zeigt eine Abwandlung der Ausführung von 9, die ebenfalls Spulen von sieben verschiedenen Phasen umfasst und in Aufbau und Wirkungsweise derjenigen von 9 weitgehend entspricht. Der Unterschied ist lediglich, dass die Ausnehmungen 5 nicht im Bereich der bewickelten Zähne 3 vorgesehen sind, sondern ähnlich wie in 4 im Bereich der unbewickelten Zähne 4. Das bedeutet, dass jeder zweite Zahn, nämlich gerade die unbewickelten Zähne 4, eine Ausnehmung 5 aufweist, die sich wiederum vom Luftspalt bis durch das Joch hindurch erstreckt.
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Anhand der beiden Diagramme gemäß 13 und 14, die die Flussdichteverteilung im Luftspalt beziehungsweise die Verteilung der harmonischen Komponenten im Luftspalt beschreiben, wird deutlich, dass hier die achte Harmonische als Arbeitswelle genutzt wird und die signifikanten Sub-Harmonischen davon, nämlich die erste und sechste Harmonische, reduziert werden aufgrund der als mechanisch Flussbarriere wirkenden Ausnehmungen 5.
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15 zeigt wiederum eine Ausführungsform nach dem vorgeschlagenen Prinzip einer elektrischen Maschine mit dem Stator von 9 und einem Rotor 8, der hier 12 Pole realisiert durch 12 Permanentmagnete aufweist. Damit ergibt sich eine Polpaarzahl von sechs, die an die Arbeitswelle, nämlich die sechste Harmonische angepasst ist.
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Entsprechend zeigt 16 ein Ausführungsbeispiel des Stators gemäß 12 kombiniert mit einem Rotor 9, welcher 16 Permanentmagneten aufweist zur Realisierung einer Polpaarzahl von acht. Die Polpaarzahl von acht ist angepasst an die Nutzung der achten Harmonischen als Arbeitswelle wie bereits anhand von 12 bis 14 beschrieben.
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17 zeigt ausgehend von 15 eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator gemäß 17 nicht sieben Spulen umfasst, die jeweils einer von sieben unterschiedlichen elektrischen Phasen zugeordnet sind, sondern acht. Auch hier ist eine multiphasige Einschichtwicklung der FSCW-Konfiguration gezeigt, wobei jeder Phase genau eine Spule zugeordnet ist. Weiterhin ist ein 14-poliger PM-Rotor 10 vorgesehen.
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In dem Stator 1 gemäß 17 sind wiederum Ausnehmungen 5 in Zahnbereich 3 der bewickelten Zähne vorgesehen, wobei die unbewickelte Zähne 4 keine Ausnehmung aufweisen.
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18 zeigt eine noch weitere Ausführungsform nach dem vorgeschlagenen Prinzip anhand einer elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator in Erweiterung der Ausführung von 17 nicht nur acht Spulen aufweist, die acht elektrischen Phasen zugeordnet sind, sondern neun. Die Spulen sind mit A1 bis A9 bezeichnet und jeder elektrischen Phase ist genau eine Spule zugeordnet. Der zugeordnete Rotor 11 weist 16 Pole auf.
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19 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Multiphasen-Wicklungssystems, wie es in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen einsetzbar ist. Man erkennt, dass die jeder Phase A1 bis AK zugeordneten Spulen von eine Multiphasen-Stromsystem gespeist werden, so dass jede Spule von einem eigenen individuellen Phasenstrom angesteuert ist, der zu den anderen Phasenströmen zumindest phasenversetzt ist.
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Die vorgenannten Ausführungsbeispiele gemäß den gezeigten Figuren weisen Gemeinsamkeiten auf, die sich mathematisch beschreiben lassen. So ist bei allen Ausführungsbeispielen die Anzahl der Phasen gleich der halben Anzahl der Statornuten. Weiterhin ist jeweils mindestens ein unbewickelter Zahn zwischen den mit Spulen bewickelten Zähnen vorhanden. Die Statorzähne weisen insgesamt mindestens eine Ausnehmung 5 auf. Wenn die Ausnehmung 5 auf einem bewickelten Statorzahn vorhanden ist, dann ergibt sich die Arbeitswelle aus der Anzahl der Phasen minus eins. Wenn hingegen die Ausnehmung bei einem unbewickelten Statorzahn vorhanden ist, dann ergibt sich die Arbeitswelle gemäß der Anzahl der Phasen plus eins.
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Weiterhin ist festzustellen, dass sich die Arbeitswelle für einen Stator ohne Ausnehmung geringer ergibt als für einen Stator mit Ausnehmung.
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In allen Ausführungsbeispielen haben zudem alle Spulen den gleichen Wicklungssinn und die gleiche Spulenfolge.
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Jeder zweite Statorzahn ist mit einer einzelnen Wicklungsspule bewickelt, während die dazwischen liegenden Statorzähne unbewickelt bleiben. Jede Statorspule wird mit ihrem eigenen Phasenstrom gespeist, der individuell erzeugt wird, und repräsentiert eine individuelle Phasenwicklung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator
- 1'
- Stator
- 2
- Nut
- 3
- Zahn, bewickelt
- 4
- Zahn, unbewickelt
- 5
- Ausnehmung
- 6
- Rotor
- 7
- Rotor
- 8
- Rotor
- 9
- Rotor
- 10
- Rotor
- 11
- Rotor
- A1...AK
- Spulen unterschiedlicher Phasen
