DE10211707A1

DE10211707A1 - Segmentstatormaschiene

Info

Publication number: DE10211707A1
Application number: DE2002111707
Authority: DE
Inventors: Juergen Schacht; Falk Laube; Helmut Mosebach; Wolf Ruediger Canders
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-16
Filing date: 2002-03-16
Publication date: 2003-10-16
Also published as: DE10211707A8

Abstract

Bei einer elektrischen Maschine zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie oder umgekehrt mit mindestens einem Stator (1, 2) und mit einem rotationssymmetrisch zu dem Stator (1, 2) durch einen Luftspalt von dem mindestens einen Stator (1, 2) entfernt angeordneten Rotor (5), sind DOLLAR A - der mindestens eine Stator (1, 2) aus einem einfachen oder ganzzahligen Vielfachen (r) der Strangzahl (m) von Segmenten besteht, wobei die Strangzahl (m) größer oder gleich drei ist, DOLLAR A - der Segmentabstand benachbarter Nutmitten von nebeneinander angeordneten Segmenten am Umfang des Stators (1, 2) jeweils ein gebrochenes Vielfaches der Polteilung (Ð¶p¶) beträgt, DOLLAR A - jedes Segment eine einsträngige Wicklung trägt, die in eine Anzahl von 2k Nuten mit k größer oder gleich eins eingelegt ist, und DOLLAR A - die Spulen sich innerhalb eines Segmentes und zwischen den Segmenten nicht überlappen.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische und umgekehrt mit mindestens einem Stator und einem rotationssymmetrisch zu dem Stator durch einen Luftspalt von dem mindestens einen Stator entfernt angeordneten Rotor.
Für viele moderne Maschinen, insbesondere im Fertigungsbereich, werden zunehmend langsam laufende Elektromotoren benötigt, die ein hohes Drehmoment aufbringen können. Dieser Motorentyp wird häufig als Torque-Motor bezeichnet. Der ideale Torque-Motor soll kleine Außenabmessungen, kleine Nenndrehzahlen und ein möglichst kleines Massenträgheitsmoment haben. Zudem soll er eine geringe Drehmomentoberwelligkeit, einen guten Wirkungsgrad und eine gute Materialausnutzung der aktiven Massen aufweisen, sowie kostengünstig herstellbar sein. Der Blindleistungsbedarf sollte möglichst gering und die Wicklung an einen handelsüblichen Frequenzumrichter mit vorzugsweise dreiphasigem Ausgang anschließbar sein, um die Frequenzumrichterkosten niedrig halten zu können.
Elektrische Maschinen sind hinreichend als Gleich- und Wechselstrommaschinen bekannt. Die überwiegende Zahl der Wechselstrommaschinen in der Bauart einer Synchron- oder Asynchronmaschine ist normalerweise derart ausgeführt, dass der feststehende Teil aus Eisenblechen aufgebaut und genutet ist und eine m-strängige Wicklung mit p Polpaaren trägt. Üblich ist eine 3-strängige Wicklung zur Drehstromspeisung. Als Sonderausführung können diese Maschinen auch zweisträngig oder mit mehr als drei Strängen ausgeführt sein. Die Achsen einer allgemein m-strängigen Wicklung sind gegeneinander räumlich um α = 2π/(m × p) verdreht. Sie werden zeitlich um den Phasenwinkel γ = 2π/m für eine Strangzahl m ≥ 3 oder in Ausnahmefällen um π/m für m = 2 versetzt gespeist. Diese Maschinen sind zumeist zylindrisch mit innenliegendem Rotor ausgeführt.
Es sind beispielsweise aus der WO 00/11777 auch Ausführungen elektrischer Maschinen in mehrsträngiger Ausführung unter dem Namen polyphasige Synchronmaschine oder modulare Dauermagnetmaschine bekannt, die eine unterschiedliche Stator- und Rotorpolzahl aufweisen.
Ebenso sind Transversalflussmaschinen z. B. aus der DE-PS 36 02 687 und DE-PS 37 05 089 bekannt, die ihrem Wesen nach ebenfalls einsträngige Maschinen sind, die mechanisch zu mehrsträngigen Maschinen zusammengefasst werden. Rotierende Transversalflussmaschinen werden üblicherweise mit einer oder zwei Ringspulen je Strang ausgeführt.
Um die Maschinen möglichst kompakt zu gestalten, d. h. ein möglichst geringes Verhältnis zwischen Volumen und Drehmoment zu schaffen, oder um z. B. das Massenträgheitsmoment zu verringern, werden die bekannten Maschinentypen auch mit zwei sich gegenüberliegenden Statoren und dazwischen befindlichem Rotor ausgeführt. Dies gilt insbesondere für die Transversalflussmaschinen sowie den nachstehend beschriebenen Maschinentyp.
In der DE 639 09 444 T2 wird eine Maschine mit zwei Teilstatoren und einem zwischen den Teilstatoren angeordneten Rotor mit Permanentmagneten beschrieben. Jeder der Teilstatoren trägt eine einsträngige Wicklung mit sich nicht überlappenden Spulen, die Nutteilung entspricht der Rotorpolteilung, die Teilstatoren sind magnetisch miteinander gekoppelt. Die sich gegenüberliegenden Pole der Teilstatoren sind um eine halbe Polteilung gegeneinander versetzt, der Phasenversatz der Wicklungsströme beträgt 90°.
Die zu Anfang genannten Forderungen für langsamlaufende Torque-Motoren werden derzeit von keiner der bekannten Elektromotorentypen in idealer Weise erfüllt.
Die gängigen dreisträngigen Motoren benötigen mindestens drei Nuten je Pol und haben gekröpfte und sich überlappende Wickelköpfe sowie eine hohe Ankerrückwirkung.
Die erreichbare minimale Bemessungsdrehzahl ist damit begrenzt und die Wicklung ist relativ kostenaufwändig. Die langen Wickelköpfe verursachen zusätzliche Verluste und die Permanentmagnete des Rotors müssen häufig abhängig von der Ankerrückwirkung bzw. dem hohen Kurzschlussstrom bemessen werden und nicht nach der gewünschten Erregerfeldstärke.
Verbesserungen im Hinblick auf die Ankerrückwirkung, die Polteilung, und auf eine einfachere Wicklungsausführung werden bei den oben beschriebenen polyphasigen oder modularen Synchronmaschinen erzielt. Nachteilig ist bei diesen Maschinentypen jedoch, dass sich nur die zweite Oberwelle des Strombelages und der Induktion zur Kraftbildung nutzen lässt.
Das gleiche gilt für die Transversalflussmaschinen. Ihre spezielle Bauart ermöglicht jedoch die Verwendung von Ringspulen sehr hoher Durchflutung je Weicheisenpol und damit hohe Kraftdichten unter den Polen bei gleichzeitig geringen Wicklungsverlusten. Nachteilig ist dabei jedoch eine erhöhte magnetische Normalkraftanregung, die zu Geräuschbildungen führen kann. Aufgrund der ungewöhnlichen Maschinentopologie, d. h. der Verwendung von diskreten Polen und von Ringkernelementen sind die Herstellkosten vergleichsweise hoch. Bei Anwendung von magnetischen Sammlern im Rotor lässt sich die Kraftdichte weiter steigern. Damit sind jedoch weitere Herstellungskomplikationen sowie ein erhöhter Blindleistungsbedarf verbunden.
Die in der DE 639 09 444 T2 offenbarte Maschine erfüllt einen großen Teil der Wunschvorstellungen eines idealen Torquemotors. Nachteilig ist hier jedoch, daß diese Maschinen einen speziellen zweisträngigen Wechselrichter benötigen, also jeder Stator nur einsträngig (m = 1) ausgeführt werden kann. Ebenso sind diese Maschinen in ihrer konstruktiven Gestaltung stets auf gegenüberliegende Statoren beschränkt.
Aufgabe der Erfindung war es daher, eine verbesserte elektrische Maschine zu schaffen, die insbesondere kleine Gesamtabmessungen, eine hohe Drehmomentausnutzung, geringe Massenträgheitsmomente, eine geringe Drehmomentwelligkeit und geringe magnetische Normalkraftänderungen bei möglichst geringen Verlusten und niedrigen Herstellungskosten aufweist und die insbesondere an handelsüblichen dreisträngigen Wechselrichtern betreibbar ist.
Die Aufgabe wird mit der gattungsgemäßen elektrischen Maschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass

- der mindestens eine Stator aus einem einfachen oder ganzzahligen Vielfachen r der Strangzahl m von Segmenten besteht, wobei die Strangzahl m größer oder gleich drei ist;
- der Segmentabstand benachbarter Nutmitten von nebeneinander angeordneten Segmenten am Umfang des Stators jeweils ein gebrochenes Vielfaches der Polteilung τ_p beträgt,
- jedes Segment eine einsträngige Wicklung trägt, die in eine Anzahl von 2 k Nuten mit k größer oder gleich eins eingelegt ist, und
- die Spulen sich innerhalb eines Segmentes und zwischen den Segmenten nicht überlappen.

Mit der Erfindung wird eine neue Familie elektrischer Maschinen geschaffen, die aus mehreren Statorsegmenten als Doppelstator- oder als Einfachstatormaschine aufgebaut sind und nachfolgend als Segmentstatormaschinen bezeichnet werden.
Jeder Stator besteht hierbei aus einer Anzahl von m, 2m oder einem Vielfachen von m-Segmenten, von denen jedes Segment jeweils eine einsträngige Wicklung mit mindestens einer Spule trägt. Durch die Segmentierung können die Segmentstatormaschinen sehr einfach geteilt und damit etwaigen Transport- oder Montageanforderungen entsprechend ausgeführt werden. Die Segmentstatormaschinen haben zudem den Vorteil einer relativ hohen Kraftdichte und einer hohen Drehmomentausnutzung bei kleinen Gesamtabmessungen.
Der Segmentabstand benachbarter Nutmitten von nebeneinander angeordneten Segmenten beträgt vorzugsweise

mit der Polteilung τ_p und der Strangzahl m. Die benachbarten Pole zweier Segmente sind somit weiter voneinander beabstandet, als die Pole innerhalb eines Segments.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Segmentstatormaschine ist die Anzahl n_p der Pole auf dem Rotor bei einem Segmentabstand von

gleich 2r(mk + 1) mit dem Vielfachen r der Strangzahl m und der Nutenpaarzahl k pro Segment.
Bei einer anderen Ausführungsform der Segmentstatormaschine ist die Anzahl n_p der Pole auf dem Rotor bei einem Segmentabstand

gleich 2r(mk + 1) mit dem Vielfachen r, der Strangzahl m und der Nutenpaarzahl k pro Segment. Das Vielfache r ist hierbei geradzahlig.
In der Ausführungsform von Segment-Doppelstatormaschinen mit zwei magnetisch miteinander gekoppelten Teilstatoren ist es vorteilhaft, wenn die sich gegenüberliegenden Pole der Teilstatoren räumlich um einen Winkel von

versetzt angeordnet sind. Die Wicklungsströme in den gegenüberliegenden versetzten Polen sollten dann zeitlich um einen Phasenwinkel von

gegeneinander versetzt sein.
Die Wicklungen der Teilstatoren können hierbei in bekannter Weise in einer symmetrischen Stern- oder m-Eckschaltung miteinander verbunden werden, wobei sich die Statorspulen nicht überlappen und die Nutteilung innerhalb eines Segments der Rotorpolteilung entspricht. Dabei umfasst ein Segment mindestens eine Spule.
Bei einer größeren Anzahl von Spulen eines Strangs können diese entweder direkt oder nebeneinander als Segmentgruppe angeordnet oder als kurze Teilsegmente räumlich verteilt werden. Auf diese Weise kann auch eine Segmentstatormaschine mit nur einem Stator vorteilhaft ausgeführt werden.
Beispielsweise kann eine für einen 3-phasigen Wechselrichter geeignete Segmentstatormaschine drei oder sechs Segmente und einem Polyersatz der benachbarten Segmente von 4/3 oder 5/3 Polteilungen haben, wobei die Segmentströme elektrisch um 60° bzw. 120° phasenverschoben sind.
Bei Maschinen mit einfachem Stator und Luftspalt treten die Wechselfelder der einsträngigen Segmente räumlich und zeitlich zueinander versetzt auf, so dass auf den Rotor ein Drehmoment ausgeübt wird, das dem einer üblichen m-strängigen Maschine mit sich in üblicherweise überlappenden Wicklung entspricht. Die erfindungsgemäßen Segmentstatormaschinen haben daher den Vorteil, dass auf eine fertigungsaufwendige Überlappung der Wicklungen verzichtet werden kann.
Bei einer Segment-Doppelstatormaschine mit zwischen den Statoren liegendem Läufer sind die magnetisch gekoppelten Teilstatoren gegeneinander versetzt. Der Versatz der gegenüberliegenden Segmente entspricht dem Versatz zwischen den Segmenten eines Teilstators und die Ströme sind in den gegenüberliegenden Segmenten wiederum elektrisch um 60° bzw. 120° phasenverschoben.
Bei Segmentstatormaschinen mit zwei Teilstatoren und zwei Luftspalten sind die Pole und die Wicklungsströme der sich gegenüberliegenden Segmente räumlich und zeitlich gegeneinander versetzt. Dabei erzeugt jedes sich gegenüberliegende Segmentpaar für sich allein bereits ein Wanderfeld, das sich mit denen der übrigen Segmentpaare zu einem Drehfeld mit einer sehr geringen Welligkeit ergänzt. Gegenüber den Ausführungen mit nur einem Stator und Luftspalt wird die Ankerrückwirkung weiter reduziert.
Für rotierende Maschinen gilt einschränkend, dass die Gesamtzahl der Rotorpole eine gerade Zahl sein muss. Bei linearen Ausführungsformen besteht diese Einschränkung jedoch nicht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn jeder Zahn des Stators jeweils mit einer Spule bewickelt ist. Jede Nut des Stators nimmt hierbei jeweils eine Spulenseite auf. Auf diese Weise kann die Wicklung der Teilstatoren einfach und preiswert hergestellt werden.
Es kann aber auch jeder Zahn des Stators jeweils mit einer Spule bewickelt sein, wobei jede Nut des Stators mit Ausnahme der Endnuten der Segmente zwei Teilspulenseiten aufnimmt.
Auf diese Weise kann bei einfachem Wicklungsaufbau und den kleinen möglichen Polteilungen einsträngiger Maschinen bei gleichzeitig verringerter Ankerrückwirkung die Kraftwirkung üblicher mehrsträngiger Maschinen bei gleichzeitig hoher Überlastbarkeit erreicht werden.
Es ist weiterhin vorteilhaft, zwischen zwei in einer Nut liegenden Spulenseiten Kühlkanäle zur Kühlung der angrenzenden Spulen vorzusehen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, in den nebeneinander liegenden Statorpolen benachbarter Segmente eines Stators jeweils Kühlkanäle vorzusehen. Wenn nämlich bei Maschinenausführungen mit minimal möglichen Polzahlen die breiteren und magnetisch nur schwach belasteten Weicheisenzähne zwischen den Segmenten mit Kühlkanälen versehen werden, wird die magnetische Flußdichte in diesen Zähnen nicht unzulässig hoch.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Nuten eines Stators gleichverteilt auf dem Umfang angeordnet sind. Die Zähne zwischen den Nuten weisen hierbei die gleiche Breite auf. Der Abstand der Nutschlitze zwischen zwei aufeinanderfolgenden Polen benachbarter Segmente ist hierbei größer als der Abstand der Nutschlitze eines Pols. Auf diese Weise kann der größere erforderliche Abstand zwischen den benachbarten Polen zweier Segmente dazu genutzt werden, die Zahnbreite der Statorpole zu erhöhen und die Zähne damit magnetisch zu entlasten. Die Polteilungen werden hierbei allein durch die Nutschlitze bestimmt, die bei derartigen Ausführungsformen überwiegend nicht mittig in Bezug auf die zugehörigen Nuten angeordnet sind. Unabhängig von den Segmentteilungen sind die Zahnteilungen und Zahnbreiten jedoch konstant.
Die Pole des Rotors können entweder elektrisch oder permanentmagnetisch erregt sein. Die Magnetisierung kann hierbei senkrecht zur Bewegungsrichtung des Rotors ausgerichtet sein. In einer anderen Ausführungsform kann sie aber auch in Bewegungsrichtung des Rotors ausgerichtet sein. Hierbei sollte bei der Verwendung von Permanentmagneten vorzugsweise Weicheisenpole zwischen den Permanentmagneten vorgesehen sein, wobei die den mindestens einen Luftspalt zu dem mindestens einen Stator zugekehrten Flächen der Weicheisenpole vorzugsweise kleiner als die Flächen der Permanentmagnete in Bewegungsrichtung sein können. Dies führt zu einer Konzentration des magnetischen Flusses.
In der Ausführungsform einer Asynchronmaschine kann der Rotor als Kurzschluß- oder Schleifringläufer in bekannter Weise ausgeführt sein.
Die elektrische Maschine wird vorzugsweise mit einem m-phasigen, vorzugsweise 3- phasigen Wechselrichter gespeist und weist hierfür die erforderlichen Wicklungen und Anschlüsse auf. Als 3-strängige Maschine ist sie entweder im Stern oder Dreieck geschaltet.
Der mindestens eine Stator und der Rotor sind in einer Ausführungsform vorzugsweise zylinderförmig und rotationssymmetrisch auf einer Welle angeordnet. Sie können teilweise oder ganz als Hohlzylinder ausgeführt sein. Hierbei durchdringt der Magnetfluß die Luftspalte zwischen dem Rotor und dem mindestens einen Stator radial zu der Welle der elektrischen Maschine. Die Segmentstatormaschine wird als Radialfeldanordnung bezeichnet.
Alternativ hierzu kann der Stator oder die Teilstatoren und der Rotor aber auch im wesentlichen scheibenförmig sein, wobei die Scheiben parallel auf einer Welle angeordnet sind. Hierbei durchdringt der magnetische Fluß die Luftspalte zwischen dem Rotor und dem Stator oder den Teilstatoren parallel zur Welle. Diese Ausführungsform der Segmentstatormaschine wird als Axialfeldanordnung bezeichnet.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn mehrere der beschriebenen erfindungsgemäßen Maschinen auf einer Welle hintereinander oder koaxial zueinander zu einer Gesamtmaschine zusammengeschaltet sind. Bei diesen Ausführungsformen könnten die Pole der einzelnen elektrischen Maschinen zur Drehmomentglättung räumlich gegeneinander versetzt sein.
Die elektrische Maschine kann aber auch als Linearmaschine in bekannter Weise ausgebildet sein, in dem der Stator oder die Teilstatoren und der Rotor plan sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Bewegung des Ankerfeldes der Teilstatoren in Abhängigkeit von dem Strangstromverlauf in den Teilstatoren bei einer elektrischen Maschine mit räumlich um 2/3 einer Polteilung versetzten Teilstatoren und um 120° gegeneinander elektrisch versetzten Strangströmen;
Fig. 2a Ankerfeld bei einer drei-strängigen Maschine mit konventioneller Drehstromwicklung mit gegenüberliegenden Teilstatoren;
Fig. 2b Ankerfeld innerhalb eines Segmentes bei einer dreisträngigen Maschine mit gegeneinander um 2/3 einer Polteilung versetzten Teilstatoren;
Fig. 3 Perspektivische Ansicht einer elektrischen Maschine mit gegeneinander versetzten Teilstatoren in der Ausführungsform eines permanentmagneterregten Linearmotors;
Fig. 4a Querschnittsansicht einer dreisträngigen Maschine mit zwei Teilstatoren und drei Segmenten je Teilstator;
Fig. 4b Darstellung der Wicklungsachsen der Teilwicklungen und Zuordnung der Klemmen für die Ausführung nach Fig. 4a;
Fig. 5a Querschnittsansicht einer dreisträngigen Maschine mit zwei Teilstatoren und sechs Segmenten je Teilstator;
Fig. 5b Darstellung der Wicklungsachsen der Teilwicklungen und Zuordnung der Klemmen für die Ausführung nach Fig. 5a;
Fig. 6 Querschnittsansicht einer dreisträngigen Maschine mit einem Stator und drei Segmenten;
Fig. 7a Skizze eines Stator- oder Teilstatorausschnittes mit einer Spule je Zahn und zwischen den Spulenseiten angeordneten senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Kühlkanälen;
Fig. 7b Skizze einer alternativen Kühlanordnung;
Fig. 8 Skizze eines Stators oder Teilstators mit Kühlkanälen in den breiteren Zähnen zwischen zwei Segmenten;
Fig. 9 Skizze eines Stators oder Teilstators mit Zähnen gleicher Breite;
Fig. 10 Skizze einer elektrischen Maschine im Querschnitt mit senkrecht zur Bewegungsrichtung magnetisierten Polen im Rotor mit alternierend orientierter Polrichtung;
Fig. 11 Skizze einer elektrischen Maschine im Querschnitt mit in Bewegungsrichtung magnetisierten Polen im Rotor und dazwischen liegenden Weicheisenpolen;
Fig. 12 Skizze einer elektrischen Maschine im Querschnitt in der Ausführungsform einer Asynchronmaschine mit einem Rotor als Kurzschlussläufer oder als Schleifringläufer;
Fig. 13 Skizze einer elektrischen Maschine im Quer- und Längsschnitt mit zylindrischen Teilstatoren und Rotor;
Fig. 14 Skizze einer elektrischen Maschine im Quer- und Längsschnitt mit scheibenförmigen Teilstatoren und Rotor;
Fig. 15 Skizze der elektrischen Maschine aus Fig. 14 mit mehreren hintereinander geschalteten Teilmaschinen;
Fig. 16 Skizze einer elektrischen Maschine aus Fig. 13 mit koaxial zueinander angeordneten Teilmaschinen.
Fig. 17 Übersicht der Wicklungsgesetze für die erfindungsgemäßen Segmentstatormaschinen.
Die Fig. 1 lässt einen Ausschnitt eines Segmentes als Querschnittsskizze erkennen, wobei ein Teilstator 1 im Abstand zu einem Teilstator 2 angeordnet ist und die Wicklungen 3 des Teilstators 1 im Bezug auf die Wicklungen 4 des Teilstators 2 räumlich gegeneinander versetzt sind. In der dargestellten Ausführungsform beträgt der Versatzwinkel 2/3 einer Polteilung τ_p (120° elektrisch). Zwischen den Teilstatoren 1 und 2 ist ein Rotor 5 (auch Läufer genannt) mit elektrisch oder vorzugsweise permanentmagneterregten Polen 6 vorgesehen. Zwischen dem Rotor 5 und den Teilstatoren 1 und 2 befindet sich jeweils in bekannter Weise ein Luftspalt.
Die Wicklungen 3 und 4 der Teilstatoren 1 und 2 werden jeweils mit einem Wicklungsstrom I₁, I₂ beaufschlagt, wobei die Wicklungsströme I₁, I₂ der Teilstatoren 1 und 2 gegeneinander elektrisch versetzt sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der elektrische Versatzwinkel 120°.
In der dargestellten sogenannten 0°-Stellung ist die Nutdurchflutung der Nuten in dem Teilstator 1 maximal und es ergibt sich das skizzierte Ankerfeld.
Im weiteren zeitlichen Verlauf der Wicklungsströme bewegt sich das Ankerfeld in der skizzierten Weise.
Der Vorteil der jeweils gegeneinander versetzten Teilstatoren 1 und 2 bzw. Wicklungsströme lassen die Fig. 2a und b erkennen. Die Fig. 2a zeigt eine herkömmliche drei-strängige Maschine mit gegenüberliegenden nicht versetzten Teilstatoren 1 und 2 sowie die entsprechende Nutdurchflutung und das Ankerfeld.
Die Fig. 2b zeigt im Vergleich hierzu einen Ausschnitt aus einem Segment einer erfindungsgemäßen Maschine mit gegeneinander versetzten Teilstatoren 1 und 2. Der Maximalwert des Ankerfeldes ist bei gleichem Strombelag und bei gleicher Nutteilung τ_n und Nutdurchflutung im Vergleich zu der skizzierten herkömmlichen drei-strängigen Maschine um den Faktor 2,31 (idealisiert) kleiner. Hierbei sind gleiche Magnethöhen und Luftspalte vorausgesetzt.
Die versetzten Polteilungen τ_p und Wicklungsströme I₁, I₂ der Teilstatoren 1 und 2 reduzieren die Ankerrückwirkung. Dieser Effekt wird durch die kleinen Polteilungen τ_p weiterhin vorteilhaft beeinflusst. Die maximale elektrische Durchflutung je Polteilung τ_p als Summe beider magnetisch verketteter Teilstatoren 1 und 2 beträgt bei der dargestellten Ausführungsform mit einer Nut je Pol des Teilstators 1 und 2 nur das 1,73- fache der Maximaldurchflutung einer Nut. Dies ermöglicht kleinere Magnethöhen im Rotor 5, insbesondere bei Synchronmaschinen mit Permanenterregung und Flachmagnetanordnung im Rotor. Die kleineren Ankerrückwirkungen reduzieren wiederum die magnetischen Geräuschanregungen.
Die Teilstatoren 1 und 2 bei zylindrischen Maschinen können entsprechend der bei Synchron- und Asynchronmaschinen verwendeten ausgestanzten Blechronden oder Blechsegmenten mit den bekannten Technologien zusammengesetzt werden. Pro Polpaar eines Teilstators 1 oder 2 ist mindestens eine Spule erforderlich, wobei die Spulenweite einer Nutteilung τ_n entspricht.
Der Aufbau einer entsprechenden elektrischen Maschine ist in der Fig. 3 in der perspektivischen Ansicht anhand einer permanentmagneterregten Linearmaschine skizziert. Die Wicklungen 3 und 4 der Teilstatoren 1 und 2 sind relativ einfach ausgeführt und haben nur sehr kurze Wickelkopfausladungen und Wickelkopflängen. Sie brauchen daher nicht gekröpft zu werden und ermöglichen hohe Kupferfüllfaktoren der Nuten. Die dargestellte Verwendung von Einzelspulen hat den Vorteil, dass Isolationen der Wicklungen 3 und 4 gegeneinander und zwischen den einzelnen Phasen entfallen. Durch die kurzen Spulenkopflängen und die hohen Füllfaktoren werden die Stromwärmeverluste vorteilhafterweise verringert und die Kühlung erleichtert. Die Wicklungen 3 und 4 sind in Blechpakete 7 und 8 der Teilstatoren 1 und 2 eingelegt.
Die Fig. 4a lässt eine Querschnittsansicht einer 3-strängigen Maschine mit den Wicklungen 3 und 4 der Teilstatoren 1 und 2 erkennen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl der Teilstator 1 als auch der Teilstator 2 in je drei Segmente 1a-c und 2a-c aufgeteilt. Die Segmentgrenzen sind jeweils in der Mitte eines geeignet verbreiterten Zahns zu sehen und sind im Ausführungsbeispiel nur ideell vorhanden und nicht physisch durch Auftrennung der Blechpakete 1 und 2 ausgebildet. In jedem Segment 1a-c bzw. 2a-c sind die beteiligten und einen Teil der Wicklungen 3 und 4 bildenden Spulen jeweils hintereinander geschaltet. Die Zahl der pro Segment in Reihe geschalteten Spulen beträgt im Ausführungsbeispiel 2. Im überlappenden Bereich zweier radial gegenüberstehenden Segmente 1a-c und 2a-c ist das in Fig. 3 dargestellte Grundmuster von Wicklungen 3 und 4 und Blechpaketen 7 und 8 wieder verwirklicht, so dass die Teilstatoren 1, 2 in Bewegungsrichtung räumlich um 2/3 einer Polteilung τ_p gegeneinander versetzt angeordnet sind.
In der Fig. 4b sind die Achsen und die Zuordnung der Klemmen für die Wicklungen 3 und 4 der Teilstatoren 1 und 2 skizziert. Hieraus wird deutlich, dass die Wicklungsstrangströme der zu den sich jeweils gegenüberliegenden Polen zugeordneten Wicklungsstränge U, V und W elektrisch um einen Versatzwinkel gegeneinander versetzt sind.
Beispielsweise entspricht der Phasenwinkel des Wicklungsstroms in der Segmentwicklung U11-U12 dem Pfeil L1-N. Der Phasenwinkel der gegenüberliegenden Segmentwicklung W21-W22 in dem anderen Teilstator entspricht hingegen dem Pfeil L3-N. Der Versatzwinkel beträgt somit 120°.
Entsprechend beträgt der Versatzwinkel zwischen den benachbarten Wicklungen zweier Segmente ebenfalls 120°. Die Segmentwicklung U11-U12 entspricht dem Pfeil L1-N. Die Phase der benachbarten Segmentwicklung V11-V12 verläuft gemäß dem Pfeil L2-N, so daß sich die 120° Versatzwinkel ergeben.
Die Segmentwicklungen U11-U12 und U21-U22, V11-V12 und V21-V22 sowie W11-W12 und W21-W22 der Teilstatoren 1 und 2 können entweder parallel oder in Serie miteinander verbunden werden und bilden die drei Stränge einer dreisträngigen Maschine. Diese drei Stränge sind in bekannter Weise zu einer symmetrischen Stern- oder Dreieckschaltung zusammenschaltbar.
Die Fig. 5a zeigt die Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer dreisträngigen Maschine mit zwei Teilstatoren 1, 2. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4a ist diese in sechs anstatt drei Segmente je Teilstator 1, 2 aufgeteilt. Der Phasenwinkel zwischen den Wicklungsströmen zweier benachbarter Segmente beträgt wie auch der zwischen den Wicklungsströmen zweier sich gegenüberliegender Segmente 60° anstatt 120° entsprechend Fig. 4a und 4b. Der räumliche Versatz der sich gegenüberliegenden Pole beträgt 1/3 einer Polteilung statt 2/3.
In der Fig. 5b sind die Wicklungsachsen und die Zuordnung der Klemmen für die Wicklungen 3 und 4 der Teilstatoren 1 und 2 dargestellt. Beispielsweise entspricht der Wicklungsstrom der Segmentwicklung U11-U12 dem Pfeil L1-N, der der benachbarten Segmentwicklung W13-W14 dem umgedrehten Pfeil L3-N, so dass der gewünschte Phasenversatz von 60° auftritt. Entsprechend tritt der gleiche 60° Phasenversatz zwischen den übrigen benachbarten Segmentwicklungen der beiden Teilstatoren 1, 2 auf.
Die Fig. 5b zeigt weiterhin, dass der 60°-Phasenversatz zwischen zwei sich gegenüberliegenden Segmenten ebenfalls dadurch erreicht wird, dass z. B. die Segmentwicklung U11-U12 entsprechend dem Pfeil L1-N vom Strom durchflossen wird, während der Strom der gegenüberliegenden Segmentwicklung W23-W24 eine dem Pfeil L3-N entgegengesetzte Richtung aufweist. Entsprechendes gilt für die übrigen sich gegenüberliegenden Segmentpaare.
Die Segmentwicklungen, die von Strömen gleicher Richtung oder um 180° versetzter Richtung durchflossen werden, lassen sich zu einem Strang einer dreisträngigen Maschine zusammenschalten. Neben der in Fig. 5b dargestellten Reihen-Parallelschaltung sind auch reine Reihen- oder Parallelschaltungen ausführbar. Die drei sich ergebenden Wicklungsstränge können zu einer symmetrischen Stern- oder Dreieckschaltung verbunden werden.
Bei Maschinenausführungen mit nur einem Stator 1 wird der Phasenversatz zwischen den Wicklungsströmen benachbarter Statorsegmente genau so hergestellt, wie anhand der Fig. 4a, 4b, 5a und 5b dargestellt und erläutert ist.
Fig. 6 zeigt beispielhaft für Einstatormaschinen eine Querschnittsansicht einer dreisträngigen Maschine mit drei Statorsegmenten 1a, 1b, 1c und 120° Phasenversatz zwischen den Wicklungsströmen benachbarter Segmente. Die drei Segmentwicklungen lassen sich zu den bekannten symmetrischen Stern- oder Dreieckschaltungen zusammenschalten. Genau wie die Maschinen mit zwei Teilstatoren lassen sich auch die Einstatorausführungen in der dreisträngigen Version mit sechs Segmenten und entsprechendem 60° Phasenversatz ausführen.
In der Fig. 7a ist beispielhaft eine Wicklungsausführung mit einer Spule 9 je Zahn 10 dargestellt, die einen gewissen Abstand zwischen den in einer gemeinsamen Nut 11 befindlichen beiden Spulenseiten vorsieht. Im skizzierten Beispiel wird dieser Abstand zur Aufnahme von Profilrohren 12 genutzt, die unmittelbar an die Wicklungen der Spulen 9 angrenzen, so dass über das sie durchströmende Kühlmedium die Wicklungen effektiv gekühlt werden können. Eine noch bessere Kühlung kann ermöglicht werden, wenn keine Kühlrohre vorgesehen werden und das jeweilige Kühlmedium die Spulenseiten unmittelbar umströmt. Die Fig. 7b zeigt eine alternative Anordnung von Kühlkanälen 13.
In der Fig. 8 wird gezeigt, dass eine grössere Zahnbreite zwischen zwei benachbarten Statorsegmenten vorteilhaft zu einer verstärkten Kühlung der Maschine genutzt werden kann, indem der ansonsten magnetisch nur schwach belastete Zahn 10 mit Kühlkanälen 14 versehen wird.
Die Zahl, Form und Größe der Kühlkanäle 14 je Zahn 10 und deren radiale und umfangsmäßige Verteilung kann beliebig sein. Beispielhaft zeigt die Fig. 8 einen Teilstator 1 oder 2 mit je einem Kühlkanal 14 pro Zahn 10 mit größerer Breite.
Die Fig. 9 zeigt eine Lösung, wie der erforderliche grössere Abstand zwischen den Polmitten benachbarter Pole 15 zweier benachbarter Segmente vorteilhaft zur magnetischen Entlastung der Statorzähne 10 genutzt werden kann. Die Statorpolteilungen τ_p werden durch die Nutschlitze 16 markiert, wobei alle Zähne 10 die gleiche Breite haben und der Abstand zwischen den Nutmitten ungleich ist.
Die anhand der folgenden Fig. 10 bis 16 beschrieben Maschinenvarianten sind zwar als Maschinen mit zwei Teilstatoren 1, 2 dargestellt, wobei jeder Teilstator 1, 2 aus drei Segmenten besteht. Sie lassen sich aber ebenso als Maschinen mit größeren Segmentzahlen oder als Maschinen mit nur einem Stator und drei oder mehr Segmenten ausführen.
Nachstehend werden entsprechend den Fig. 10 bis 11 Ausführungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit unterschiedlichen Rotorausführungen skizziert.
In der Fig. 10 ist der Ausschnitt einer elektrischen Maschine im Querschnitt skizziert, bei der die Pole 6 des Rotors 5 entsprechend den Pfeilen senkrecht zur Bewegungsrichtung magnetisiert sind. Die Magnetisierungsrichtung der Pole 6 ist alternierend orientiert.
Alternativ hierzu können die Pole 6 des Rotors 5 auch in Bewegungsrichtung magnetisiert sein, wie in der Fig. 11 im Querschnitt skizziert ist. Zwischen den Polen 6 sind dann Weicheisenpole 9 vorgesehen.
Die Fig. 12 zeigt eine Asynchronmaschine im Querschnitt, wobei der Rotor 5 als Kurzschluss- oder Schleifringläufer ausgebildet ist. Auch hier sind die Pole der Teilstatoren räumlich gegeneinander versetzt und die Wicklungen werden mit elektrisch gegeneinander phasenverschobenen Wicklungsströmen I₁ und I₂ beaufschlagt.
Der Rotor 5 hat in bekannter Weise gradlinige leitende Stäbe 17, die an ihren Stirnseiten durch Kurzschlussringe 18 miteinander verbunden sind. Die Stäbe 17 sind in ein Läuferblechpaket 19 eingebaut.
Die Fig. 13 lässt eine elektrische Maschine im Querschnitt erkennen, wobei die Teilstatoren 1 und 2 und der Rotor 5 zylindrisch sind. Die Teilstatoren 1 und 2 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 20 befestigt, wobei die Teilstatoren 1 und 2 räumlich um 2/3 einer Polteilung τ_p versetzt sind. In dem Luftspalt zwischen den Teilstatoren 1 und 2 ist der Rotor 5 angeordnet. Der Rotor 5 ist an einer Seitenkante an einer Nabe 21 befestigt und auf der Welle 22 befestigt (beispielsweise durch einen Preßverband). In dieser Ausführungsform ist die Feldrichtung im Luftspalt radial zur Welle 22.
Die Fig. 14 lässt eine andere Ausführungsform im Querschnitt erkennen, bei der die Teilstatoren 1 und 2 sowie der Rotor 5 scheibenförmig ausgebildet sind. Der Rotor 5 ist wiederum mit einer Nabe 21 auf der Welle 22 befestigt. Im Gegensatz zu der Ausführungsform der Fig. 13 wird der Luftspalt parallel zur Achse der Welle 22 vom magnetischen Feld durchsetzt.
Die Fig. 15 lässt eine elektrische Maschine erkennen, bei der mehrere Teilmaschinen 23a, 23b auf der Welle 22 hintereinander angeordnet sind. Die Teilmaschinen 23a und 23b entsprechen der in der Fig. 14 skizzierten Ausführungsform.
Gleichermaßen kann, wie in der Fig. 16 skizziert, eine Gesamtmaschine aus mehreren koaxial zueinander angeordneten Teilmaschinen 24a und 24b gebildet werden. Die Teilmaschinen 24a und 24b der Ausführungsform der Fig. 16 entsprechen den in der Fig. 13 gezeigten Bauart.
Insbesondere die in der Fig. 15 skizzierte Gesamtmaschine hat den Vorteil, dass sie modular aus mehreren Teilmaschinen 23a und 23b entsprechend der geforderten mechanischen und elektrischen Randbedingungen aufgebaut werden kann.
Die Wicklungsgesetze für die erfindungsgemäßen Segmentstatormaschinen sind in der Fig. 17 zusammenfassend dargestellt. Hierbei bezeichnet m die Strangzahl, k die Anzahl der Nuten pro Segment, z_S die Anzahl der Segmente pro Stator, τ die Polteilung, p die Polpaarzahl, r ein ganzzahliges Vielfaches und n_p die Anzahl der Pole.

Claims

1. Elektrische Maschine zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische und umgekehrt mit mindestens einem Stator (1, 2) und mit einem rotationssymmetrisch zu dem Stator (1, 2) durch einen Luftspalt von dem mindestens einen Stator (1, 2) entfernt angeordneten Rotor (5), dadurch gekennzeichnet, dass
der mindestens eine Stator (1, 2) aus einem einfachen oder ganzzahligen Vielfachen (r) der Strangzahl (m) von Segmenten besteht, wobei die Strangzahl (m) größer oder gleich drei ist,
der Segmentabstand benachbarter Nutmitten von nebeneinander angeordneten Segmenten am Umfang des Stators (1, 2) jeweils ein gebrochens Vielfaches der Polteilung (τ_p) beträgt,
jedes Segment eine einsträngige Wicklung trägt, die in eine Anzahl von 2k Nuten mit k größer oder gleich eins eingelegt ist, und
die Spulen sich innerhalb eines Segmentes und zwischen den Segmenten nicht überlappen.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Segmentabstand benachbarter Nutmitten von nebeneinander angeordneten Segmenten

beträgt.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n_p) der Pole (6) auf dem Rotor (5) bei einem Segmentabstand von

gleich r.(2mk + 1) mit dem Vielfachen r, der Strangzahl m und der Nutenpaarzahl k pro Segment ist.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n_p) der Pole (6) auf dem Rotor (5) bei einem Segmentabstand von

gleich r.(2mk + 1) mit dem Vielfachen r, der Strangzahl m und der Nutenpaarzahl k pro Segment ist, wobei das Vielfache r geradzahlig ist.

5. Elektrische Maschine mit zwei magnetisch miteinander gekoppelten Teilstatoren (1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass die sich gegenüberliegenden Pole (6) der Teilstatoren (1, 2) räumlich um einen Winkel von

versetzt angeordnet und die Wicklungsströme in den gegenüberliegenden versetzten Polen (6) zeitlich um einen Phasenwinkel von

gegeneinander versetzt sind.

6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutteilung der Statoren (1, 2) der Polteilung des Rotors (6) entspricht.

7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder zweite Zahn des Stators (1, 2) jeweils mit einer Spule bewickelt ist, wobei jede Nut des Stators (1, 2) jeweils eine Spulenseite aufnimmt.

8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zahn des Stators (1, 2) jeweils mit einer Spule bewickelt ist, wobei jede Nut des Stators (1, 2) mit Ausnahme der Endnuten der Segmente zwei Spulenseiten aufnimmt.

9. Elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei in einer Nut liegenden Spulenseiten Kühlkanäle (12, 13) zur Kühlung der angrenzenden Spulen vorgesehen sind.

10. Elektrische Maschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den nebeneinander liegenden Statorpolen benachbarte Segmente eines Stators (1, 2) jeweils Kühlkanäle (14) vorgesehen sind.

11. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten eines Stators (1, 2) gleich verteilt auf dem Umfang angeordnet sind und die Zähne zwischen den Nuten die gleiche Breite aufweisen und der Abstand der Nutschlitze (16) zwischen aufeinanderfolgenden Polen (6) benachbarter Segmente größer als der Abstand der Nutschlitze (16) eines Pols (6) ist.

12. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole (6) des Rotors (5) elektrisch oder permanentmagnetisch erregt sind, wobei die Magnetisierung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Rotors (5) ausgerichtet ist.

13. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole (6) des Rotors (5) mit Permanentmagneten gebildet sind, wobei die Magnetisierung in Bewegungsrichtung des Rotors (5) ausgerichtet ist und zwischen den Permanentmagneten jeweils Weicheisenpole vorgesehen sind, und wobei die einem Luftspalt des mindestens einen Stators (1, 2) zugekehrten Flächen der Weicheisenpole kleiner als die Flächen der Permanentmagnete in Bewegungsrichtung des Rotors (5) sind.

14. Elektrische Maschinen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, als Asynchronmaschine, wobei der Rotor (5) als Kurzschlussläufer oder Schleifringläufer ausgeführt ist.

15. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen in symmetrischer Sternschaltung oder m- Eck-Schaltung miteinander verschaltet sind, wobei m die Strangzahl ist.

16. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Wechselrichter zur Speisung der elektrischen Maschine.

17. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Stator (1, 2) und der Rotor (5) zylinderförmig und rotationssymmetrisch auf einer Welle (22) angeordnet sind, wobei der magnetische Fluß den mindestens einen Luftspalt zwischen dem Rotor (5) und dem mindestens einen Stator (1, 2) radial zu der Welle (22) der elektrischen Maschine durchdringt.

18. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Stator (1, 2) und der Rotor (5) scheibenförmig und parallel auf einer Welle (22) angeordnet sind, wobei der magnetische Fluß den mindestens einen Luftspalt zwischen dem Rotor (5) und dem mindestens einen Stator (1, 2) parallel zu der Welle (22) der elektrischen Maschine durchdringt.

19. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische Maschinen mit jeweils einem Rotor (5) und mindestens einem Stator (1, 2) auf einer Welle (22) hintereinander und koaxial zueinander zu einer Gesamtmaschine zusammengeschaltet sind.

20. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Stator (1, 2) und der Rotor (5) plan sind und eine Linearmaschine bilden und die Anzahl der Segmente jeweils eines Stators ein Vielfaches (r) der Strangzahl (m) ist, wobei das Vielfache (r) eine ganze Zahl ist.