DE10355267A1

DE10355267A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE10355267A1
Application number: DE10355267A
Authority: DE
Inventors: Thilo Hoffmann; Andreas Dr. Jöckel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2005-06-30
Also published as: US7633205B2; CN1906825A; EP1687884A1; US20080036328A1; CN1906825B; WO2005053134A1

Abstract

Um bei beengten Bauvolumen, z. B. Triebfahrzeugen oder Werkzeugmaschinen, elektrische Antriebe einsetzen zu können, wird eine elektrische Maschine (1) vorgeschlagen mit einem Stator und einem Rotor (28), wobei die Bleche (2) des Stators axial verlaufende Nuten (4) aufweisen und sich zwischen den benachbarten Nuten (4) in Richtung Luftspalt Zähne erstrecken, wobei zumindest eine vorgebbare Anzahl der Zähne (5, 6) jeweils von Zahnspulen (7) umgeben sind und in Umfangsrichtung des Stators zumindest ein Abschnitt (3) vorgesehen ist, der nutenlos ausgeführt ist, jedoch am Luftspalt der Kontur der Statorbohrung (11) folgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine und deren Einsatz z.B. bei elektrischen Triebfahrzeugen.
Elektrische Maschinen, insbesondere permanentmagneterregte Synchronmaschinen werden unter anderem im Werkzeugmaschinenbau eingesetzt. Dabei, dies gilt auch für Schienenfahrzeuge, treten aufgrund des begrenzt verfügbaren Einbauraums bei Werkzeugmaschinen und insbesondere bei niederflurigen Schienenfahrzeugen Probleme bzgl. der Unterbringung leistungsfähiger Antriebe auf. So begrenzen die geforderte Bodenfreiheit und der Radverschleiß den Bauraum nach unten. Zusätzlich begrenzt bei sehr niederflurigen Fahrzeugen mit Radsätzen die Einfederung des Wagenkastens den Bauraum nach oben.

Aus der US 4,864,177 ist ein Stator für einen zweipoligen Einphaseninduktionsmotor bekannt, der aufgrund seines physikalischen Wirkungsprinzips unterschiedliche Längs- und Querabmessungen aufweist. Dabei sind bei jeweils gleicher Nuttiefe unterschiedliche Jochhöhen vorhanden.

Aus der US 3,783,318 ist ein Stator eines Induktionsmotors bekannt, der aufgrund unterschiedlicher Nuttiefen unterschiedliche Längs- und Querabmessungen aufweist.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde einen Antrieb zu schaffen, der bei vergleichsweise hohem Drehmoment geringem Energieverbrauch und geringer Wartung auch in beengte Bauräume einbaubar ist. Dabei soll er insbesondere auch einfach herstellbar sein.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei das Blechpaket des Stators axial verlaufende Nuten aufweist und sich zwischen den benachbarten Nuten in Richtung Luftspalt Zähne erstrecken, wobei zumindest eine vorgebbare Anzahl der Zähne jeweils von Zahnspulen umgeben sind und in Umfangsrichtung des Stators zumindest ein Abschnitt vorgesehen ist, der nutenlos ausgeführt ist, jedoch am Luftspalt der Kontur der Statorbohrung folgt.

Eine derartige erfindungsgemäße elektrische Maschine schafft bei einem Einsatz in einem elektrischen Fahrzeug bei reduzierten Geräuschen und Energieverbrauch ein ausreichendes Drehmoment um derartige Triebfahrzeuge zu beschleunigen. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass keine rotationssymmetrische am Umfang der elektrischen Maschine durchgehende verteilte Ständerwicklung vorhanden sein, sondern vielmehr einzelne Zahnspulen um die Zähnen eingesetzt werden.

Diese Zahnspulen sind vorteilhafterweise vorab gefertigt und müssen nunmehr lediglich auf die jeweiligen Zähne gesteckt werden. Die Zahnspulen können sich vorteilhafterweise auch auf Spulenträgern befinden, die dann am Zahn stoff-, form- oder reibschlüssig fixierbar sind.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine als Antrieb eines elektrischen Triebfahrzeugs erfüllt bei vergleichsweise höherem Drehmoment die Anforderungen an Bodenfreiheit und Begrenzungen von Einfederungen eines Wagenkastens. Besonders vorteilhaft ist diese elektrische Maschine als Direktantrieb ausführbar.

Unter einem Direktantrieb wird dabei ein Antrieb ohne Getriebe verstanden. Das Drehmoment kann dabei durch eine Kupplung an die Räder bzw. den Radsatz übertragen werden. Damit ist dann der Antrieb im Fahrwerk aufgehängt und somit abgefedert.

In einer weiteren Ausführung reitet der Antrieb ohne Kupplung direkt auf der Radsatzwelle; er ist damit ungefedert und ein Teil des Radsatzes. Der Rotor ist mit Permanentmagneten be stückt. Insbesondere bei der hochpoligen permanentmagneterregten Synchronmaschine weist der Rotor Permanentmagnete auf, die vorteilhafterweise in Flusskonzentrationsanordnung angeordnet sind, um im Luftspalt eine erhöhte Flussdichte zu erhalten.

Dabei beträgt vorteilhafterweise die Spulenweite ein Vielfaches der Polteilung

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die nutenlosen Abschnitte einander gegenüberliegen, da damit die Höhe des Bauraums reduziert wird und dies insbesondere Bodenfreiheit und Einfederung zugute kommt.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in der Zeichnung schematisch dargestellt. Dabei zeigen:

1 bis 3 Blechschnitte erfindungsgemäßer elektrischen Maschinen,

4, 5 Anordnung von Permanentmagneten in einem Läufer einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,

6 einen Rotor mit Permanentmagneten und Zumindest einem Kurzschlusskäfig,

7 und 8 eine elektrische Maschine nach dem Stand der Technik an einem Wagenkasten

9 und 10 eine erfindungsgemäßen elektrischen Maschine an einem Wagenkasten,

11 bis 18 grundsätzliche Anordnungen einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine an Radsätzen bzw. Einzelrädern,

19 Anordnung der elektrischen Maschine mit gegebenenfalls einem Getriebe in einem Fahrwerk,

20 Seitenansicht eines abgefederten Direktantriebs,

21 Querschnitt eines unabgefederten Direktantriebs,

1 zeigt ein Blech 2 eines Stators einer elektrische Maschine 1. Die Bleche 2 sind geschichtet und weisen zwei gegenüberliegenden Seiten auf, die nutenlos ausgeführt sind. Die dabei nutenlosen Abschnitte 3 sind in Umfangsrichtung jeweils durch ein Segment von ca. 60° gekennzeichnet. Der Rest der Querschnittsfläche des Blechs 2 zeigt Nuten 4, die Teil einer lückenden Zahnspulenwicklung 7 bilden. Dabei wechseln sich verhältnismäßig breite Zähne 6 mit schmalen Zähnen 5 ab, wobei die schmalen Zähne 5 unbewickelt sind, während die breiten Zähne 6 bewickelt sind. Als Wicklungsspulen sind dabei vorteilhafterweise vorgefertigte Zahnspulen 7 eingesetzt. In einer Nut 4 befindet sich somit lediglich ein Hin oder Rückleiter einer Zahnspule 7. Die elektrische Maschine 1 ist hochpolig ausgeführt, d.h. sie hat mehr als ca. zwanzig Pole.

2 zeigt wie 21 eine lückende Zahnspulenwicklung, jedoch lediglich mit einem nutenlosen Abschnitt 3. Dabei sind nur die breiten Zähne von Zahnspulen 7 umgeben.

Dieser außergewöhnliche Aufbau des Stators einer Synchronmaschine ist nur bei Zahnspulen 7 möglich. Es wird somit keine rotationssymmetrische am Umfang der Synchronmaschine durchgehend verteilte Statorwicklung benötigt. Damit lässt sich das Drehmoment einer derartigen erfindungsgemäßen Synchronmaschine bei gleicher Einbauhöhe (=Achshöhe), d.h. die Drehmomentausnutzung gegenüber rotationssymmetrischen Maschinen 1 deutlich steigern. Durch Anwendung derartiger elektrischer Maschinen 1 als Fahrmotoren bei Radsatzdirektantrieben für Schienenfahrzeuge kann z.B. der Motorisierungsgrad gesenkt und dadurch Kosten eingespart werden. Derartige elektrische Maschinen 1 benötigen einen vergleichsweise eingeschränkten Bauraum, so dass sie insbesondere bei niederflurigen Fahrzeugen, oder im Werkzeugmaschinenbau einsetzbar sind.

Trotz der lückenden Zahnspulenwicklung bleibt die Drehmomentenwelligkeit der elektrischen Maschine aufgrund der hohen Polzahl in einem für Traktionsbetrieb tolerierbaren Bereich.

Für den Einsatz im Werkzeugmaschinenbau oder anderen Produktionsmaschinen lässt sich z.B. durch Schrägung der Nuten der Bleche 2 des Stators und/oder Schrägung der Permanentmagnete 20 des Rotors 28 die erhöhten Anforderungen an die Drehmomentenwelligkeit im Werkzeugmaschinenbau erfüllen. Dabei weist die Synchronmaschine insbesondere eine Schrägung auf, die zwischen dem 0,4-fachen und 0,6-fachen einer Nutteilung liegt.

3 zeigt ein Blech 2 mit einer nichtlückenden Zahnspulenwicklung und zwei nutenlose Abschnitte 3.

4 und 5 zeigen jeweils einen Rotor 28. In 4 sind die Permanentmagnete 20 am Außenumfang des Rotors 28 angebracht und mit einer Bandage 19 fixiert. Gemäß 20 sind die Permanentmagnete 20 in Flusskonzentrationsrichtung in das Blechpaket des Rotors 28 eingefügt.

6 zeigt einen Rotor 28 mit am Außenumfang des Rotors 28 angebrachten Permanentmagneten 20, die durch eine Bandage fixiert sind. Zusätzlich befindet sich im Blechpaket des Rotors 28 zumindest in Induktionskäfig 21 zur zusätzlichen Drehmomentenausnutzung der Oberschwingungen.

7,8 zeigt in einer Vorderansicht eine prinzipielle Anordnung einer an sich bekannten elektrischen Maschine in einem Wagenkasten 11 als Antrieb eines nicht näher dargestellten Triebfahrzeugs. Dabei ist grundsätzlich zwischen der Oberkante der Schienen 12 und der Unterkante der elektrischen Maschine 1 eine vorgegebene Bodenfreiheit 13 beinzuhalten. Dies ist insbesondere bei Direktantrieben zu beachten. Bei elektrischen Maschinen 1 die z.B. einen Radsatz 10 über ein Getriebe 16 antreiben, kann die Maschinenachse 14 über der Radsatzwelle 15 angeordnet werden, um somit die erforderliche Bodenfreiheit 13 zu erhalten. Damit ist aber die Unterkante des Wagenkastens 11 hochzusetzen, womit sich u.a. Komforteinbußen ergeben.

9,10 zeigt bei identischer Ansicht die geometrischen Verhältnisse bei Verwendung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1, die vorzugsweise als permanenterregte Synchronmaschine ausgeführt ist. Die erforderlichen Bodenfreiheit wird bei gleichzeitiger Absenkung des Wagenkastens 11 eingehalten.

11 bis 18 zeigen weitere Anordnungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Maschine 1 als Fahrmotor von Triebfahrzeugen. Die elektrische Maschine 1 ist gemäß 11 dabei als ungefederter Radsatzantrieb koaxial um die Achse des Radsatzes 10 angeordnet. Es ergeben sich dadurch die oben genannten Vorteile, insbesondere für Niederflurfahrzeuge.

12 zeigt einen Radsatzantrieb, bei dem elektrische Maschine 1 und Getriebe 16 koaxial um die Achse des Radsatzes 10 angeordnet sind.

13 zeigt die elektrische Maschine als Direktantrieb eines Einzelrades 17.

14 zeigt die elektrische Maschine 1 und ein Getriebe 16 koaxial um die Achse des Einzelrades 17 angeordnet.

15 zeigt die elektrische Maschine 1 querliegend mit einem Getriebe 16 zum Antrieb des Radsatzes 10.

16 zeigt die elektrischen Maschine 1 querliegend mit einem Getriebe 16 zum Antrieb eines Einzelrades 17.

17 und 18 unterscheiden sich im wesentlichen von 15 und 16 dadurch, dass die elektrischen Maschine 1 längsliegend angeordnet ist.

19 zeigt beispielhaft die Anordnung einer Antriebsvariante nach 11 in einem Fahrmotorgestell 18, das u.a. nicht näher dargestellte Lagersysteme enthält.

20 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung einen Längsschnitt eines abgefederten Direktantriebs als Anwendung einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine. Dabei wird über eine Gelenkhebelkupplung 9 motorseitig eine Kardanhohlwelle 8 angetrieben, die mit einem Radsatz 10 gekoppelt ist.

21 zeigt einen Querschnitt eines unabgefederten Direktantriebs eines Radsatzes 10. Der Direktantrieb hält bei gleicher Ausgangsleistung der elektrischen Maschine 1 die erforderlichen Abstände zur Unterkante des Wagenkastens 11 als auch zur Oberkante der Schienen 12 ein. Die Bleche 2 des Stators sind mit Zahnspulen 7 versehen. Die nutenlosen Abschnitte 3 der Bleche 2 sind idealerweise der Schiene 12 bzw. dem Wagenkasten 11 zugewandt. Ein Rotor 28 umgibt die Radsatzwelle 15. Der Rotor 18 weist an seinem Außenumfang Permanentmagnete 20 auf, wie es in 19 und 20 näher dargestellt ist.

Bei Werkzeugmaschinen oder anderen Produktionsmaschinen ist es gegebenenfalls erforderlich, die nutenlosen Abschnitte 3 sowohl in Anzahl als auch bzgl. ihrer Lage zueinander an Blechen 2 den gegebenen Örtlichkeiten anzupassen.

Des Weiteren sind die Zahnflanken benachbarter Zähne parallel ausgeführt, so dass die Montage mit Zahnspulen 7 erleichtert wird.

Claims

Elektrische Maschine (1) mit einem Stator und einem Rotor (28), wobei die Bleche (2) des Stators axial verlaufende Nuten (4) aufweisen und sich zwischen den benachbarten Nuten (4) in Richtung Luftspalt Zähne erstrecken, wobei zumindest eine vorgebbare Anzahl der Zähne (5,6) jeweils von Zahnspulen (7) umgeben sind und in Umfangsrichtung des Stators zumindest ein Abschnitt (3) vorgesehen ist, der nutenlos ausgeführt ist, jedoch am Luftspalt der Kontur der Statorbohrung (11) folgt.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nutenlose Abschnitt 3 (3) 60 Grad der Umfangsfläche bedeckt.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nutenlosen Abschnitte (3) einander gegenüber liegen.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (28) Permanentmagnete (20) aufweist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (28) zumindest einen Induktionskäfig (21) aufweist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator eine lückende Zahnspulenwicklung aufweist.
Elektrisches Triebfahrzeug mit einer elektrischen Maschine (1) nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrisches Triebfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die nutenlosen Abschnitte (3) der elektrischen Maschine (1) sich zwischen Schiene (12) und Wagenkasten (11) befinden.
Elektrisches Triebfahrzeug nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschine (1) einen Radsatz (10) oder ein Einzelrad direkt oder über ein Getriebe antreibt.
Elektrisches Triebfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschine (1) den Radsatz (10) abgefedert insbesondere über eine Kupplung oder ungefedert achsreitend antreibt.
Werkzeugmaschine mit einer elektrischen Maschine (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6.