DE10314763A1 - Electrical machine excited by permanent magnet - Google Patents

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DE10314763A1 DE2003114763 DE10314763A DE10314763A1 DE 10314763 A1 DE10314763 A1 DE 10314763A1 DE 2003114763 DE2003114763 DE 2003114763 DE 10314763 A DE10314763 A DE 10314763A DE 10314763 A1 DE10314763 A1 DE 10314763A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine permanentmagnetisch erregte elektrische Maschine (10) mit über den Umfang ihres Rotors (11) angeordneten permanentmagnetischen Polen (12) abwechselnder Polarität, die über eine Arbeitsluftspalt (13) mit von elektrischen Spulen (17) eingefassten Zähnen (14) ihres Stators (15) zusammenwirken, wobei die Luftspaltweite (delta) des Arbeitsluftspaltes (13) unter der Stirnfläche (18) der Statorzähne (14) von der Zahnmitte in Umfangsrichtung zu beiden Seiten hin zunimmt. DOLLAR A Zur Reduzierung des Oberwellenanteils der Luftspaltinduktion dieser Maschinen wird vorgeschlagen, dass die Luftspaltweite (delta) über die Zahnbreite (Zb) der Statorzähne (14) von einer Luftspaltweitenfunktion abhängig ist, die umgekehrt proportional zu einer Kosinusfunktion ist.The invention relates to a permanently magnetically excited electrical machine (10) with permanent magnetic poles (12) of alternating polarity arranged over the circumference of its rotor (11), which has a stator (14) surrounded by electrical coils (17) and teeth (14) of its stator via a working air gap (13) (15) cooperate, the air gap width (delta) of the working air gap (13) under the end face (18) of the stator teeth (14) increasing from the center of the tooth in the circumferential direction on both sides. DOLLAR A To reduce the harmonic content of the air gap induction of these machines, it is proposed that the air gap width (delta) over the tooth width (Zb) of the stator teeth (14) be dependent on an air gap width function that is inversely proportional to a cosine function.

Description

Stand der TechnikState of technology

Die Erfindung betrifft eine permanentmagnetisch erregte elektrische Maschine mit über den Umfang ihres Rotors angeordneten permanentmagnetischen Polen nach der Gattung des Anspruchs 1.The The invention relates to a permanent magnet excited electrical Machine with over the circumference of their rotor arranged permanent magnetic poles according to the preamble of claim 1.

Bei permanentmagnetisch erregten elektrischen Maschinen werden häufig die permanentmagnetischen Pole mit abwechselnder Polarität am Umfang des Rotors der Maschine angeordnet und der damit über einen Arbeitsluftspalt zusammenwirkende Stator besteht aus einem Blechpaket mit zum Arbeitsluftspalt ausgerichteten Zähnen, welche die Spulen der Statorwicklung tragen. Dabei ist die Breite der Zähne am Stator im Verhältnis zur Breite der Pole des Läufers mit > 50% der Polteilung relativ groß, was im Betrieb der Maschine bei einer konstanten Luftspaltbreite zu einem hohen Oberwellenanteil des Lufspaltfeldes führt.at Permanent magnetically excited electrical machines are often the permanent magnetic poles with alternating polarity on the circumference arranged the rotor of the machine and thus over a The working air gap cooperating stator consists of a laminated core with teeth aligned to the working air gap, which the coils of the Wear stator winding. The width of the teeth on the stator in relation to to the width of the pole of the rotor with> 50% of the pole pitch relatively large, what in the operation of the machine with a constant air gap width leads to a high harmonic content of the air gap field.

Für Gleichstrom erregte elektrische Maschinen ist es zwar in der Fachliteratur (elektrische Maschinen von Rudolf Richter Band I, Springer-Verlag 1967, 3. Auflage, Seite 169) bekannt, im Hinblick auf eine möglichst geringe Wirbelstromerwärmung die Feldkurve im Arbeitsluftspalt im Bereich der Pole sinusförmig zu gestalten, in dem die Polschuhe der die Erregerspulen tragenden Pole auf ihrer Stirnfläche von der Polmitte aus entsprechend zu beiden Seiten hin abgeflacht beziehungsweise gewölbt sind. Derartige Lösungen sind jedoch bei permanentmagnetisch erregten Maschinen nicht bekannt. Vielmehr hat man hier gemäß der FR-PS 28 027 24 A1 an den mit den Statorspulen versehenen Statorzähnen gleichmäßig konvex gekrümmte Stirnflächen vorgesehen. Ferner ist es gemäß der Patent-Abstrakt-Publikation JP 73 080 57 vom 21. November 1995 bekannt, zur Reduzierung der Zahnmomente den Arbeitsluftspalt durch eine entsprechend konvexe Wölbung der Zahnstirnflächen in Umfangsrichtung sinusförmig auszubilden. Mit diesen bekannten Lösungen lässt sich jedoch das Problem der Verluste und Geräusche durch den Oberwellenanteil des Magnetflusses im Arbeitsluftspalt der Maschine nicht hinreichend lösen. Bei hochbelasteten elektrischen Maschinen, wie zum Beispiel für den Einsatz als Starter-Generator in Kraftfahrzeugen, sind solche Lösungen daher ungeeignet.For electrical machines excited by direct current, it is known in the specialist literature (electrical machines by Rudolf Richter Volume I, Springer-Verlag 1967, 3rd edition, page 169), with a view to minimizing eddy current heating, the field curve in the working air gap in the area of the poles is sinusoidal to design, in which the pole shoes of the poles carrying the excitation coils are flattened or arched on both sides from the center of the pole. However, such solutions are not known in machines with permanent magnet excitation. Rather, according to the FR-PS 28 027 24 A1 provided on the stator teeth provided with the stator coils evenly convexly curved end faces. It is also according to the Patent Abstract publication JP 73 080 57 from November 21, 1995 to reduce the tooth moments to form the working air gap by a correspondingly convex curvature of the tooth end faces in the circumferential direction sinusoidal. With these known solutions, however, the problem of losses and noises due to the harmonic component of the magnetic flux in the working air gap of the machine cannot be adequately solved. Such solutions are therefore unsuitable for highly loaded electrical machines, for example for use as a starter generator in motor vehicles.

Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, bei permanentmagnetisch erregten elektrischen Maschinen den Oberwellenanteil der Luftspaltinduktion zu minimieren, insbesondere durch die Gestaltung der Statorzahn-Stirnflächen.With of the present solution is aimed at with permanently magnetically excited electrical machines to minimize the harmonic content of the air gap induction, in particular through the design of the stator tooth end faces.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch den Verlauf der Luftspaltweite an den Stirnflächen der Statorzähne nach einer vorgegebenen Funktion unabhängig von der Größe und Leistung der elektrischen Maschine eine Minimierung des Oberwellenanteils der Induktion im Arbeitsluftspalt erzielt wird. Daraus ergibt sich als weiterer Vorteil eine erhebliche Reduzierung der Wirbelstromverluste und damit eine bevorzugte Anwendung der Lösung bei hochbelasteten elektrischen Maschinen wie zum Beispiel bei Starter-Generatoren in Kraftfahrzeugen. Die Verringerung der Wirbelstromverluste tritt dabei sowohl in den Statorzähnen als auch in den Permanentmagneten des Rotors auf. Des weiteren wird durch diese Lösung der Oberwellenanteil der am Rotor wirksamen Drehmomente reduziert, was eine Geräuschminderung bewirkt.The electrical according to the invention Machine with the characterizing feature of claim 1 has the Advantage that the course of the air gap width on the end faces of the stator teeth according to a given function regardless of size and performance minimizing the harmonic content of the electrical machine induction in the working air gap is achieved. This results in Another advantage is a significant reduction in eddy current losses and thus a preferred application of the solution for highly stressed electrical Machines such as starter generators in motor vehicles. The Reduction in eddy current losses occurs both in the stator teeth and also in the permanent magnets of the rotor. Furthermore, through this solution the harmonic component of the torques acting on the rotor is reduced, what a noise reduction causes.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.By those in the subclaims listed activities there are advantageous refinements and developments of the features specified in the main claim.

Da zum Anbringen der elektrischen Spule an den Statorzähnen des Stators die Zahnkopfbreite oft geringer ist als die Polteilung der mit ihnen zusammenwirkenden Permanentpole, folgt der Verlauf der Luftspaltweite unter der Stirnfläche der Statorzähne von der Zahnmitte aus der Funktion 1/cos in einem beidseitigen Winkelbereich von zweckmäßigerweise mindestens 25%, vorzugsweise etwa 40% einer Polteilung. Zur Erzielung eines minimalen Oberwellenanteils der Induktion folgt die Luftspaltweite δ der Funktion

Figure 00030001
wobei x der Abstand der jeweiligen Position von der Zahnmitte im Arbeitsluftspalt, hmag die Magnethöhe des permanentmagnetischen Poles, μr die Permeabilität der Magnetpole, τp die Polteilung der Magnetpole und δo die Luftspaltweite in der Zahnmitte ist.Since the tooth head width is often smaller than the pole pitch of the permanent poles interacting with them for attaching the electrical coil to the stator teeth of the stator, the course of the air gap width under the end face of the stator teeth follows from the center of the tooth from the function 1 / cos in a bilateral angular range of expedient at least 25%, preferably about 40% of a pole pitch. To achieve a minimal harmonic content of the induction, the air gap width δ follows the function
Figure 00030001
where x is the distance of the respective position from the center of the tooth in the working air gap, h mag the magnet height of the permanent magnetic pole, μ r the permeability of the magnetic poles, τ p the pole pitch of the magnetic poles and δ o the air gap width in the center of the tooth.

In einfachster Weise wird die durch die vorgenannte Funktion vorgegebene, über die ganze Zahnbreite veränderliche Luftspaltweite ausschließlich durch eine dem Krümmumngsverlauf des Arbeitsluftspaltes überlagerte ungleichmäßige Krümmung der Stirnflächen der Zähne des Stators realisiert, wobei die Stirnflächen der permanentmagnetischen Pole eine gleichmäßig ebene, in Drehrichtung des Rotors verlaufende Fläche bilden.In The simplest way is that specified by the aforementioned function, via the entire tooth width variable Air gap width only through a curve of the working air gap uneven curvature of the faces the teeth realized the stator, the end faces of the permanent magnetic Pole an even plane, Form surface running in the direction of rotation of the rotor.

Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich sowohl bei Innenläufer-, bei Außenläufer- sowie bei Axialfeldmaschinen realisieren.The solution according to the invention can be both with internal rotor, for outside runners as well in axial field machines.

Bei Innenläufermaschinen wirken die am Außenumfang des Rotors angeordneten permanentmagnetischen Pole mit radial nach innen gerichteten Zähnen des Stators zusammen, deren Stirnfläche über die Zahnbreite eine ungleichmäßige, der Funktion 1/cos folgende Krümmung aufweisen. Dabei haben die Stirnflächen der Zähne bei einem zylindrischen Arbeitsluftspalt mit einem im Verhältnis zur Polteilung relativ kleinem Durchmesser in ihrem mittleren Bereich einen konkaven und zu beiden Seiten hin einen konvexen Verlauf. Bei elektrischen Maschinen, deren zylindrischer Arbeitsluftspalt einen im Verhältnis zur Polteilung mittleren Durchmesser aufweisen, haben die Stirnflächen der Zähne im mittleren Bereich einen nahezu ebenen und zu beiden Seiten hin einen konvexen Verlauf. Bei einem zylindrischen Arbeitsluftspalt mit einem im Verhältnis zur Polteilung relativ großen Durchmesser haben die Stirnflächen der Zähne über die ganze Polbreite einen konvexen Verlauf.at Internal rotor machines act on the outer circumference of the rotor arranged permanent magnetic poles with radial internal teeth of the stator together, the end face across the tooth width an uneven, the Function 1 / cos following curvature exhibit. The end faces of the teeth are cylindrical Working air gap with a relative to the pole pitch small diameter in its central area a concave and a convex course on both sides. With electrical machines, whose cylindrical working air gap in relation to Have pole pitch medium diameter, have the end faces of the Teeth in middle area almost flat and one on both sides convex course. With a cylindrical working air gap with a in relation to relatively large for pole pitch The end faces have diameters of teeth over the whole pole width a convex course.

Bei einer Außenläufermaschine haben die permanentmagnetischen Pole am Innenumfang eine gleichmäßig ebene, in Drehrichtung des Rotors verlaufende Fläche, welche mit ungleichmäßigen, der Funktion 1/cos folgenden konvex gekrümmten Stirnflächen der Zähne eines innen liegenden Stators zusammenwirken.at an external rotor machine the permanent magnetic poles on the inner circumference have an even, surface running in the direction of rotation of the rotor, which with uneven, the Function 1 / cos following convexly curved faces of the Teeth one inside stator interact.

Bei einer Axialflussmaschine mit einem scheibenförmigen Rotor und einem senkrecht zur Maschinenachse liegenden axialen Arbeitsluftspalt bildet die Stirnfläche der permanentmagnetischen Pole eine plane, in Drehrichtung verlaufende Fläche, wobei die vorgegebene, über die Zahnbreite veränderliche Luftspaltweite ausschließlich durch eine ungleichmäßige, der Funktion 1/cos folgende konvexe Krümmung der Stirnfläche der Zähne des Stators realisiert ist.at an axial flow machine with a disc-shaped rotor and a vertical one The axial working air gap lying to the machine axis forms the face the permanent magnetic pole has a flat, rotating direction Area, being the given, about the tooth width variable Air gap width only through an uneven, the Function 1 / cos following convex curvature of the face of the Teeth of Stator is realized.

Da der Stator der elektrischen Maschinen in der Regel aus einem Blechpaket mit gestanzten Blechteilen hergestellt ist, erlaubt dieses Herstellungsverfahren ohne weitere Maßnahmen eine beliebige Formgebung der Zahnköpfe. Somit kann hier die Kontur der Zahnköpfe für eine erfindungsgemäß optimierte Luftspaltweite gewählt werden, ohne dass dadurch ein nennenswerter Mehraufwand in der Fertigung entsteht.There the stator of the electrical machines usually from a laminated core is made with stamped sheet metal parts, this manufacturing process allows without further action any shape of the tooth heads. So here the contour the tooth heads for one optimized according to the invention Air gap width selected without any significant additional effort in production arises.

Zeichnungdrawing

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:The The invention is explained in more detail below by way of example with reference to the figures. It demonstrate:

1 den Querschnitt einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine als Innenpolläufer, 1 the cross section of an electrical machine according to the invention as an internal pole rotor,

2 den Flussverlauf im Arbeitsluftspalt über eine Polbreite, 3 den Verlauf der Luftspaltweite δ über eine Polteilung, 2 the course of the flow in the working air gap over a pole width, 3 the course of the air gap width δ over a pole pitch,

4a und 4b Zahnkonturen einer vierpoligen elektrischen Maschine mit unterschiedlicher Luftspaltweite an der Zahnmitte, 4a and 4b Tooth contours of a four-pole electrical machine with different air gap width at the center of the tooth,

5a und 5b Zahnkonturen einer zweipoligen elektrischen Maschine mit unterschiedlicher Arbeitsluftspaltweite an der Zahnmitte, 5a and 5b Tooth contours of a two-pole electrical machine with different working air gap width at the center of the tooth,

6a und 6b die Zahnkonturen einer Axialfeldmaschine mit unterschiedlicher Luftspaltweite an der Zahnmitte und 6a and 6b the tooth contours of an axial field machine with different air gap width at the center of the tooth and

7 zeigt einen Ausschnitt einer Außenläufermaschine mit einer erfindungsgemäßen Zahnkontur eines innen gelagerten Stators. 7 shows a section of an external rotor machine with a tooth contour according to the invention of an internally mounted stator.

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription of the embodiments

In 1 ist eine permanentmagnetisch erregte elektrische Maschine zur Hälfte im Querschnitt dargestellt und mit 10 bezeichnet. Es ist eine Innenläufermaschine, deren Rotor 11 an seinem Umfang sechs gleichmäßig verteilt angeordnete permanentmagnetische Pole 12 abwechselnder Polarität aufweist und die vorzugsweise radial magnetisiert sind. Die Pole 12 wirken über einen radial ausgerichteten Arbeitsluftspalt 13 mit sechs Zähnen 14 eines Stators 15 zusammen, der als Blechpaket ausgebildet ist und an dessen Magnetjoch 1G die Statorzähne 14 radial nach innen gerichtet sind. Die Statorzähne 14 tragen jeweils eine elektrische Spule 17, welche mit dem Magnetfluss Φ der Pole 12 in den Statorzähnen 14 verkettet ist. Im Generatorbetrieb wird in diesen Spulen 17 aufgrund des angetriebenen Rotors 11 eine Wechselspannung induziert und im Motorbetrieb werden die elektrischen Spulen 17 an eine Wechselspannung gelegt, deren im Stator 15 erzeugtes Magnetfeld den Rotor 11 dreht. Der Arbeitsluftspalt 13 unter den Stirnflächen 18 der Statorzähne 14 ist derart ausgebildet, dass die Luftspaltweite δ jeweils von der Zahnmitte X aus zu beiden Seiten in Umfangsrichtung zunimmt.In 1 half of a permanently magnetically excited electrical machine is shown in cross-section and designated by 10. It is an internal rotor machine whose rotor 11 six in size moderately distributed permanent magnetic poles 12 has alternating polarity and which are preferably radially magnetized. The poles 12 act through a radially aligned working air gap 13 with six teeth 14 a stator 15 together, which is designed as a laminated core and on the magnetic yoke 1G the stator teeth 14 are directed radially inwards. The stator teeth 14 each carry an electrical coil 17 which are related to the magnetic flux Φ of the poles 12 in the stator teeth 14 is chained. In generator mode, these coils 17 due to the driven rotor 11 an alternating voltage is induced and in motor operation the electrical coils 17 applied to an alternating voltage, the one in the stator 15 generated magnetic field the rotor 11 rotates. The working air gap 13 under the end faces 18 the stator teeth 14 is designed such that the air gap width δ increases from the center of the tooth X on both sides in the circumferential direction.

Um die Wirbelstromverluste in der elektrischen Maschine 10 und die durch Schwingungsmomente erzeugten Geräusche zu minimieren, ist eine Luftspaltinduktion Bδ über die eine Polbreite entsprechende Polteilung der Pole 12 möglichst sinusförmig auszubilden. Bei einem konstanten Arbeitsluftspalt errechnet sich die Luftspaltinduktion Bδ näherungsweise nach:

Figure 00050001
The eddy current losses in the electrical machine 10 and to minimize the noise generated by vibrational moments is an air gap induction B δ over the pole pitch of the poles corresponding to a pole width 12 as sinusoidal as possible. With a constant working air gap, the air gap induction B δ is calculated approximately according to:
Figure 00050001

Dabei ist δ die Luftspaltweite, Br die Remanenzinduktion des Magnetmaterials der Pole, hmag die Magnethöhe der Pole und μr die Permeabilität der Magnetpole.Here δ is the air gap width, B r the remanence induction of the magnetic material of the poles, h mag the magnet height of the poles and μ r the permeability of the magnetic poles.

Ein sinusförmiger Verlauf der Luftspaltinduktion Bδ ergibt sich aus

Figure 00050002
wobei x der Abstand des jeweiligen Ortes im Luftspalt von der Zahnmitte und τp die Polteilung ist.A sinusoidal course of the air gap induction B δ results from
Figure 00050002
where x is the distance of the respective location in the air gap from the center of the tooth and τ p is the pole pitch.

Ein solcher sinusförmiger Induktionsverlauf ist in 2 über einen Winkel Φ = 180° dargestellt, welcher einer Polteilung τp entspricht.Such a sinusoidal induction curve is in 2 represented by an angle Φ = 180 °, which corresponds to a pole pitch τ p .

Um zur Reduzierung der Verluste in den Magnetpolen 12 und in den Statorzähnen 14 den Oberwellenanteil der Luftspaltinduktion zu minimieren, lässt sich aus der Gegenüberstellung der Gleichung (2) mit der Gleichung (3) ableiten, dass die Luftspaltweite δ über die Zahnbreite der Statorzähne 14 einer Luftspaltweitenfunktion zu folgen hat, die umgekehrt proportional zu einer Kosinusfunktion ist (Funktion 1/cos). Der in 3 dargestellte Verlauf der Kontur an den Stirnflächen 18 der Statorzähne 14 ergibt sich schließlich aus der Gleichung (1)

Figure 00060001
wobei δo der minimale Arbeitsluftspalt 13 in der Zahnmitte ist.To reduce losses in the magnetic poles 12 and in the stator teeth 14 To minimize the harmonic content of the air gap induction, it can be derived from the comparison of equation (2) with equation (3) that the air gap width δ over the tooth width of the stator teeth 14 has to follow an air gap width function that is inversely proportional to a cosine function (function 1 / cos). The in 3 shown course of the contour on the end faces 18 the stator teeth 14 finally results from equation (1)
Figure 00060001
where δ o is the minimum working air gap 13 is in the middle of the tooth.

Da die Zahnflanken der Statorzähne 14 nur einen relativ geringen Einfluss auf die Induktionsverteilung im Arbeitsluftspalt 13 haben, wird zur Anbringung ausreichend großer Spulen 17 an den Statorzähnen 14 bei einer realen Zahnform nur ein mittlerer Ausschnitt aus der Idealkurve der Stirnflächenkontur verwendet. Dazu wird zweckmäßigerweise der Verlauf der Luftspaltweite δ beidseitig von der Zahnmitte X aus nach der Funktion 1/cos in einem Winkelbereich Φ von mindestens +/–45°, vorzugsweise von +/–72° bis 80° einer Polteilung τp = 180° begrenzt. Dies entspricht einer Zahnbreite von mindestens 50%, vorzugsweise etwa 80% einer Polteilung τp. In 3 ist ferner dargestellt, dass die Stirnflächen der permanentmagnetischen Pole 12 eine gleichmäßig ebene, in Drehrichtung gemäß Pfeil 19a des Rotors verlaufende Fläche bilden und dass die vorgegebene, über die Zahnbreite veränderliche Luftspaltweite δ ausschließlich durch eine ungleichmäßige Krümmung der Stirnfläche 18 der Statorzähne 14 realisiert ist. Dem Ausführungsbeispiel nach 3 liegt eine Maschine mit folgenden geometrischen Abmessungen zugrunde:
Magnethöhe hmag = 3 mm
Permeabilität der Magnete μr = 1,05
Polteilung τp = 31 mm
Min. Luftspalt (Zahnmitte) δo = 1 mm.Because the tooth flanks of the stator teeth 14 only a relatively small influence on the induction distribution in the working air gap 13 have sufficiently large coils 17 on the stator teeth 14 In the case of a real tooth shape, only a middle section from the ideal curve of the end face contour is used. For this purpose, the profile of the air gap width δ is expediently limited on both sides from the center of the tooth X according to the function 1 / cos in an angle range Φ of at least +/- 45 °, preferably +/- 72 ° to 80 °, of a pole pitch τ p = 180 ° , This corresponds to a tooth width of at least 50%, preferably about 80% of a pole pitch τ p . In 3 it is also shown that the end faces of the permanent magnetic poles 12 an evenly level, in the direction of rotation according to the arrow 19a form surface of the rotor and that the predetermined air gap width δ, which is variable over the tooth width, is caused exclusively by an uneven curvature of the end face 18 the stator teeth 14 is realized. According to the embodiment 3 is based on a machine with the following geometric dimensions:
Magnet height h mag = 3 mm
Permeability of the magnets μ r = 1.05
Pole pitch τ p = 31 mm
Min. Air gap (center of tooth) δ o = 1 mm.

In den 4 bis 7 sind verschiedene Ausführungsformen von Stirnflächen 18 an Statorzähnen 14 mit gleichen Zahnbreiten Zb dargestellt, die bei unveränderter Permeabilität der Magnetpole 12 und der Magnethöhe nach dem Beispiel gemäß 3 durch unterschiedliche Polteilungen τp und Luftspaltweiten δo unter der Zahnmitte bedingt sind. Dabei ergibt sich die jeweilige Polteilung aus der Gleichung

Figure 00070001
wobei p die Zahl der Polpaare des Rotors 11 ist.In the 4 to 7 are different embodiments of end faces 18 on stator teeth 14 shown with the same tooth widths Zb, the unchanged permeability of the magnetic poles 12 and the magnet height according to the example 3 are caused by different pole pitches τ p and air gap widths δ o below the center of the tooth. The respective pole pitch results from the equation
Figure 00070001
where p is the number of pole pairs of the rotor 11 is.

In 4a und 4b ist eine permanentmagnetisch erregte elektrische Maschine mit einer Polzahl 2p = 4; einem Rotordurchmesser D = 50 mm und einer Zahnbreite Zb = 28 mm skizziert. Bei dieser Innenläufermaschine ist gemäß 4a der minimale Luftspalt δo = 0,5 mm. Bei diesem zylindrischen Arbeitsluftspalt 13 mit einem im Verhältnis zur Polteilung τp relativ kleinen Durchmesser D hat die Stirnfläche 18a des Statorzahns 14a im mittleren Bereich einen konkaven und zu beiden Seiten hin einen konvexen Verlauf. Gemäß 4b ergibt sich bei gleichen Maschinendaten jedoch mit vergrößertem Arbeitsluftspalt 13 bei einer minimalen Luftspaltweite δo = 2,0 mm an dem Statorzahn 14a eine Stirnfläche 18b, die im mittleren Bereich einen ebenen und zu beiden Seiten hin einen konvexen Verlauf hat. Ein zumindest ähnlicher Verlauf ergibt sich auch , wenn bei einer Luftspaltweite δo = 0,5 mm der Rotor 11a im Verhältnis zur Polteilung einen mittelgroßen Durchmesser hat.In 4a and 4b is a permanent magnet excited electrical machine with a number of poles 2p = 4; a rotor diameter D = 50 mm and a tooth width Zb = 28 mm. This internal rotor machine is in accordance with 4a the minimum air gap δ o = 0.5 mm. With this cylindrical working air gap 13 with a relatively small diameter D in relation to the pole pitch τ p has the end face 18a of the stator tooth 14a a concave course in the middle and a convex course on both sides. According to 4b results with the same machine data but with an enlarged working air gap 13 with a minimum air gap width δ o = 2.0 mm on the stator tooth 14a an end face 18b , which has a flat course in the middle and a convex course on both sides. A course that is at least similar also results if the rotor has an air gap width δ o = 0.5 mm 11a has a medium diameter in relation to the pole pitch.

In 5a und 5b sind die Zahnkonturen einer Innenläufermaschine dargestellt, die eine Polzahl 2p = 2; einen Durchmesser D = 50 mm und eine Zahnbreite Zb = 28 mm aufweist, durch die größere Polbreite ist hier an der Stirnfläche 18c bzw. d der Statorzähne 14a nur ein relativ kleiner Abschnitt des Kurvenverlaufs aus 3 realisiert. Die Stirnfläche 18 hat hier bei dem zylindrischen Arbeitsluftspalt 13 aufgrund des im Verhältnis zur Polteilung relativ kleinen Durchmessers einen konkaven Verlauf über die ganze Zahnbreite. Dabei ist bei einer kleineren minimalen Luftspaltweite δo = 1,0 mm gemäß 5a die Krümmung an der Stirnfläche 18c etwas stärker als an der Stirnfläche 18d nach 5b mit einer größeren minimalen Luftspaltweite δo = 2,0 mm.In 5a and 5b the tooth contours of an internal rotor machine are shown which have a number of poles 2p = 2; has a diameter D = 50 mm and a tooth width Zb = 28 mm, due to the larger pole width here on the end face 18c or d of the stator teeth 14a only a relatively small section of the curve 3 realized. The face 18 has here with the cylindrical working air gap 13 due to the relatively small diameter in relation to the pole pitch, a concave course over the entire tooth width. With a smaller minimum air gap width δ o = 1.0 mm 5a the curvature on the face 18c somewhat stronger than on the face 18d to 5b with a larger minimum air gap width δ o = 2.0 mm.

6a und 6b zeigt die Zahnkonturen einer Axialflussmaschine oder einer Linearmaschine, bei der die Stirnfläche der permanentmagnetischen Pole 126 auf einer Stirnseite eines scheibenförmigen Rotors 11b eine plane, in Drehrichtung gemäß Pfeil 19b verlaufende Fläche bilden. Auch dort ist folglich die vorgegebene, über die Zahnbreite Zb = 28 nun veränderliche Luftspaltweite ausschließlich durch eine ungleichmäßige konvexe Krümmung der Stirnfläche 18 der Statorzähne 14b des Stators realisiert. Bei einer gleichen Polteilung τp = 50 mm ist dort gemäß 6a bei einer relativ kleinen minimalen Luftspaltweite δo = 0,5 mm die Stirnfläche 18e der Statorzähne 14b weniger stark gekrümmt als gemäß 6b bei einer größeren minimalen Luftspaltweite von δo = 2,0 mm. Auch hier würde mit zunehmender Polteilung τp die Krümmung an der Stirnfläche 18f der Statorzähne 14b flacher verlaufen. 6a and 6b shows the tooth contours of an axial flow machine or a linear machine, in which the end face of the permanent magnetic poles 126 on one end of a disc-shaped rotor 11b a flat, in the direction of rotation according to the arrow 19b form a running surface. There, too, the predetermined air gap width, which can now be changed over the tooth width Zb = 28, is exclusively due to an uneven convex curvature of the end face 18 the stator teeth 14b of the stator realized. With the same pole pitch τ p = 50 mm there according to 6a with a relatively small minimum air gap width δ o = 0.5 mm the end face 18e the stator teeth 14b less curved than according to 6b with a larger minimum air gap width of δ o = 2.0 mm. Here too, with increasing pole pitch τ p, the curvature on the end face would 18f the stator teeth 14b run flatter.

In 7 ist ein Ausschnitt einer permanentmagnetisch erregten elektrischen Maschine 10c in der Bauform einer Außenläufermaschine dargestellt. Dort ist der Rotor 11c ringförmig ausgebildet, wobei die permanentmagnetischen Pole 12c auf seiner Innenseite angeordnet sind und an ihrem Innenumfang eine gleichmäßig ebene, in Drehrichtung des Pfeiles 19c verlaufene Fläche 20 bilden. Die Magnetpole 12c wirken hier über einen zylindrischen Arbeitsluftspalt 13c mit radial nach außen gerichteten Statorzähnen 14c eines innen gelagerten Stators 15c zusammen. Dort ist die Stirnfläche 18g der Statorzähne 14c ungleichmäßig konvex gekrümmt, wobei die Krümmung von der Zahnmitte X aus zu beiden Seiten in Drehrichtung zur Erzielung einer Luftspaltweite δ nach der Gleichung (1) zunimmt.In 7 is a section of a permanent magnet excited electrical machine 10c shown in the design of an external rotor machine. The rotor is there 11c ring-shaped, the permanent magnetic poles 12c are arranged on its inside and on its inner circumference a uniformly flat, in the direction of rotation of the arrow 19c gradient area 20 form. The magnetic poles 12c act here via a cylindrical working air gap 13c with radially outward stator teeth 14c an internal stator 15c together. There is the face 18g the stator teeth 14c non-uniformly convex, the curvature increasing from the center of the tooth X on both sides in the direction of rotation to achieve an air gap width δ according to equation (1).

Claims (10)

Permanentmagnetisch erregte elektrische Maschine (10) mit über den Umfang ihres Rotors (11) angeordneten permanentmagnetischen Polen (12) abwechselnder Polarität, die über einen Arbeitsluftspalt (13) mit von elektrischen Spulen (17) eingefassten Statorzähnen (14) ihres Stators (15) zusammenwirken, wobei die Luftspaltweite (δ) des Arbeitsluftspaltes unter der Stirnfläche (18) der Statorzähne (14) von der Zahnmitte in Umfangsrichtung zu beiden Seiten hin zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspaltweite (δ) über die Zahnbreite (Zb) der Statorzähne (14) von einer Luftspaltweitenfunktion abhängig ist, die umgekehrt proportional zu einer Kosinusfunktion ist.Permanently magnetically excited electrical machine ( 10 ) with the circumference of your rotor ( 11 ) arranged permanent magnetic poles ( 12 ) alternating polarity, which over a working air gap ( 13 ) with of electrical coils ( 17 ) stator teeth ( 14 ) of your stator ( 15 ) cooperate, the air gap width (δ) of the working air gap below the end face ( 18 ) of the stator teeth ( 14 ) increases from the center of the tooth in the circumferential direction to both sides, characterized in that the air gap width (δ) over the tooth width (Zb) of the stator teeth ( 14 ) depends on an air gap width function that is inversely proportional to a cosine function. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Luftspaltweite (δ) beidseitig von der Zahnmitte (X) aus der Luftspaltweitenfunktion in einem Winkelbereich (Φ) von mindestens 25%, vorzugsweise etwa 40% einer Polteilung (τp) folgt.Electrical machine according to claim 1, characterized in that the course of the air gap width (δ) on both sides of the center of the tooth (X) follows the air gap width function in an angular range (Φ) of at least 25%, preferably about 40%, of a pole pitch (τ p ). Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspaltweite (δ) der Luftspaltweitenfunktion
Figure 00090001
entspricht, wobei (x) der Abstand der jeweiligen Position von der Zahnmitte (X) im Arbeitsluftspalt (13), hmag die Magnethöhe des permanentmagnetischen Poles (12), μr die Permeabilität der Magnetpole (12), τp die Polteilung der Magnetpole (12) und δo die Luftspaltweite in der Zahnmitte ist.Electrical machine according to claim 1 or 2, characterized in that the air gap width (δ) of the air gap width function
Figure 00090001
corresponds, where (x) the distance of the respective position from the tooth center (X) in the working air gap ( 13 ), h likes the magnet height of the permanent magnetic pole ( 12 ), μ r the permeability of the magnetic poles ( 12 ), τ p the pole pitch of the magnetic poles ( 12 ) and δ o is the air gap width in the middle of the tooth. Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die permanentmagnetischen Pole (12) gleichmäßig ebene, in Drehrichtung (19) des Rotors (11) verlaufende Polflächen (20) bilden und dass die vorgegebene, über die ganze Zahnbreite (Zb) veränderliche Luftspaltweite (δ) ausschließlich durch eine ungleichmäßige Krümmung der Stirnflächen (18) der Statorzähne (14) realisiert ist.Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the permanent magnetic poles ( 12 ) evenly level, in the direction of rotation ( 19 ) of the rotor ( 11 ) running pole faces ( 20 ) and that the specified air gap width (δ), which can be changed over the entire tooth width (Zb), is caused solely by an uneven curvature of the end faces ( 18 ) of the stator teeth ( 14 ) is realized. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Innenläufermaschine die permanentmagnetischen Pole (12) am Außenumfang des Rotors (11) mit radial nach innen gerichteten Statorzähnen (14) zusammenwirken, deren Stirnfläche (18; 18a–f) über die Zahnbreite (Zb) eine ungleichmäßige Krümmung aufweisen.Electrical machine according to claim 4, characterized in that in an internal rotor machine, the permanent magnetic poles ( 12 ) on the outer circumference of the rotor ( 11 ) with radially inward stator teeth ( 14 ) interact, the end face ( 18 ; 18a-f ) have an uneven curvature over the tooth width (Zb). Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen (18a) der Statorzähne (14a) bei einem zylindrischen Arbeitsluftspalt (13) mit relativ kleinem Durchmesser (D) im mittleren Bereich einen konkaven und zu beiden Seiten hin einen konvexen Verlauf haben.Electrical machine according to claim 5, characterized in that the end faces ( 18a ) of the stator teeth ( 14a ) with a cylindrical working air gap ( 13 ) with a relatively small diameter (D) have a concave shape in the central area and a convex shape on both sides. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen (18b) der Statorzähne (14a) bei einem zylindrischen Arbeitsluftspalt (13) mittleren Durchmessers (D) im mittleren Bereich einen ebenen und zu beiden Seiten hin einen konvexen Verlauf haben.Electrical machine according to claim 5, characterized in that the end faces ( 18b ) of the stator teeth ( 14a ) with a cylindrical working air gap ( 13 ) mean diameter (D) in the middle area have a flat and on both sides a convex course. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen der Statorzähne bei einem zylindrischen Arbeitsluftspalt (13) mit einem relativen großen Durchmesser (D) über die ganze Zahnbreite (Zb) einen konvexen Verlauf haben.Electrical machine according to claim 5, characterized in that the end faces of the stator teeth with a cylindrical working air gap ( 13 ) with a relatively large diameter (D) over the entire tooth width (Zb) have a convex shape. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Außenläufermaschine die permanentmagnetischen Pole (12c) am Innenumfang eine gleichmäßig ebene, in Drehrichtung (19c) des Rotors (11c) verlaufende Polfläche (20) bilden, welche mit ungleichmäßig konvex gekrümmten Stirnflächen (18g) der Statorzähne (14c) eines innen liegenden Stators (15c) zusammenwirken.Electrical machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the case of an external rotor machine, the permanent magnetic poles ( 12c ) on the inner circumference evenly, in the direction of rotation ( 19c ) of the rotor ( 11c ) running pole face ( 20 ) form, which with unevenly convex curved end faces ( 18g ) of the stator teeth ( 14c ) of an internal stator ( 15c ) work together. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Axialflussmaschine die permanentmagnetischen Pole (12b) auf einer Stirnseite ihres scheibenförmigen Rotors (11b) eine plane, in Drehrichtung (19b) verlaufende Polfläche (20) bilden und dass die vorgegebene, über die Zahnbreite (Zb) veränderliche Luftspaltweite (δ) ausschließlich durch eine ungleichmäßige konvexe Krümmung der Stirnfläche (18e) der Statorzähne (14b) realisiert ist.Electrical machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that in an axial flux machine, the permanent magnetic poles ( 12b ) on one end of their disc-shaped rotor ( 11b ) a flat, in the direction of rotation ( 19b ) running pole face ( 20 ) and that the specified air gap width (δ), which is variable over the tooth width (Zb), is only due to an uneven convex curvature of the end face ( 18e ) of the stator teeth ( 14b ) is realized.
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