DE112013007001T5

DE112013007001T5 - Stator und Elektromotor mit diesem Stator

Info

Publication number: DE112013007001T5
Application number: DE112013007001.4T
Authority: DE
Inventors: Kentaro Horisaka; Koki Naka; Shinichi Yamaguchi; Masaya Harakawa; Kazuaki Ando; Kenta Ozaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2033-05-21
Also published as: JPWO2014188466A1; KR20150136139A; TW201445855A; US9413200B2; KR101642243B1; JP5708880B1; WO2014188466A1; DE112013007001B4; TWI515999B; CN105229899A; CN105229899B; US20160105061A1

Abstract

Es wird ein Aufbau angegeben, der eine Verringerung eines Wicklungswiderstands ermöglicht, wenn für die Wicklung Werkstoffe mit unterschiedlichen spezifischen elektrischen Widerständen verwendet werden. Ein Stator gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen zylindrischen Statorkern (2), mehrere Zahnabschnitte (3), die entlang einer Umfangsrichtung des Statorkerns (2) ausgebildet sind, und Wicklungen (6), die in mehreren zwischen den Zahnabschnitten (3) ausgebildeten Nuten (4) angeordnet und um die Zahnabschnitte (3) herum gewickelt sind. Die Wicklungen (6) bestehen aus Materialien unterschiedlicher spezifischer elektrischer Widerstände. Ein Verhältnis einer Schnittfläche eines Materials hohen spezifischen elektrischen Widerstands zu einer Schnittfläche eines Materials niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands ist in der Nut (4) größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich einem Verhältnis des spezifischen elektrischen Widerstands des Materials hohen spezifischen elektrischen Widerstands zum spezifischen elektrischen Widerstand des Materials niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor und einen Stator, der bei dem Elektromotor verwendet wird.
Hintergrund
Bei einem herkömmlichen Stator ist der Statorkern aus geschichteten Stahlplatten gefertigt. In dem Statorkern ist ein Isolator eingebettet. Bei dem Isolator handelt es sich um einen aus einem synthetischen Harz gefertigten Isolator. Der ringförmige Statorkern ist mit Zahnabschnitten ausgebildet, die an mehreren gleichmäßig zueinander beabstandeten Punkten vom inneren Umfang aus diametral nach innen ragen. Um die jeweiligen Zahnabschnitte herum ist durch den Isolator hindurch Drahtmaterial zur Ausbildung mehrerer Wicklungslagen gewickelt. Bei den die Wicklungen bildenden Drahtmaterialien besteht eine ganz innen gelegene Lage aus einem Aluminiumdraht und die anderen fünf Lagen an der äußeren Seite bestehen aus Kupferdrähten (siehe Patentdokument 1).
Bei einem anderen herkömmlichen Stator ist in einer Statornut eines Statoreisenkerns ein Isolator angeordnet. An einer Innenseite des Isolators sind die Hauptwicklungen angeordnet. Zur Ausbildung der Hauptwicklungen werden Hauptmagnetdrähte zu einer ungleichförmigen Wicklung gewickelt. Die Anzahl der Magnetdrähte beträgt beispielsweise 34. Hilfswicklungen sind in zwischen nebeneinander angeordneten Hauptwicklungen gebildeten Zwischenräumen aufgenommen. Die Hilfswicklungen werden durch Wickeln von Hilfsmagnetdrähten gebildet, deren Anzahl der Anzahl der Hauptwicklungen entspricht. Der Drahtdurchmesser eines Hilfsmagnetdrahts beträgt 154/1000 des Hauptmagnetdrahts.
Bei einem weiteren herkömmlichen Stator wird für den Hilfsmagnetdraht, aus dem die Hilfswicklungen gebildet sind, Aluminium verwendet. Für den Magnetdraht der Hauptwicklungen wird Kupfer verwendet (siehe Patentdokument 2).
Dokumente des Stands der Technik
Patentdokumente

Patendokument 1: JP-A-2010-183788 (zum Beispiel Absatz [0028],[0030] und [0032] sowie 1)
Patendokument 2: JP-A-H10-174330 (zum Beispiel Absatz [0009] und [0018] sowie 1)

Kurzbeschreibung der Erfindung
Von der Erfindung zu lösende Problemstellungen
Bei der in den Patentdokumenten 1 und 2 offenbarten Technologie werden für die Wicklungen des Stators Kupferdraht und Aluminiumdraht verwendet. Die Patentdokumente 1 und 2 offenbaren jedoch keine Ausgestaltung zur Verringerung des Wicklungswiderstands, wenn für die Wicklung Werkstoffe mit unterschiedlichen spezifischen elektrischen Widerständen verwendet werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Angabe einer Ausgestaltung, die sich zur Verringerung eines Wicklungswiderstands eignet, wenn für die Wicklung Werkstoffe mit unterschiedlichen spezifischen elektrischen Widerständen verwendet werden.
Wege zur Lösung der Problemstellungen
Ein Stator gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen zylindrischen Statorkern, mehrere entlang einer Umfangsrichtung des Statorkerns ausgebildete Zahnabschnitte und Wicklungen, die in mehreren zwischen den Zahnabschnitten ausgebildeten Nuten angeordnet und um die Zahnabschnitte herum gewickelt sind. Die Wicklungen erfüllen die folgenden Bedingungen:

(1) sie bestehen aus Materialien mit unterschiedlichen spezifischen elektrischen Widerständen,
(2) in der Nut ist ein Verhältnis einer Schnittfläche eines Materials hohen spezifischen elektrischen Widerstands zu einer Schnittfläche eines Materials niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands größer oder gleich 1, und
(3) kleiner oder gleich einem Verhältnis des spezifischen elektrischen Widerstands des Materials hohen spezifischen elektrischen Widerstands zu dem spezifischen elektrischen Widerstand des Materials niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands.

Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Verringerung des Wicklungswiderstands, wenn für die Wicklung Materialien mit unterschiedlichen spezifischen elektrischen Widerständen verwendet werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 veranschaulicht einen Elektromotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt einen Stator gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittansicht.
3 zeigt ein Detail des Stators gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittansicht.
4 zeigt ein Detail des Stators gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittansicht.
5 zeigt ein Detail des Stators gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittansicht.
6 zeigt ein Detail des Stators gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittansicht.
7 zeigt ein Detail des Stators gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittansicht.
8 zeigt eine Tabelle, in der Kombinationen elektrischer Drahtmaterialien mit den Verhältnissen der spezifischen elektrischen Widerstände gemäß der ersten bis fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt sind.
Ausführungsformen der Erfindung
Erste Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Aufbau eines Elektromotors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 veranschaulicht einen Aufbau eines Elektromotors gemäß der ersten Ausführungsform.
Wie in 1 dargestellt umfasst der Elektromotor einen Läufer, bei dem es sich um ein rotierendes Teil handelt (in der nachfolgenden Beschreibung als Rotor bezeichnet), und einen Ständer, bei dem es sich um ein Teil handelt, das eine Drehkraft für den Rotor erzeugt (in der nachfolgenden Beschreibung als Stator 1 bezeichnet). Das diametrale Zentrum des Rotors ist an einer Welle befestigt. Der Rotor ist mit mehreren Permanentmagneten ausgebildet. Der Stator 1 weist eine zylindrische Form auf und ist so ausgebildet, dass er den Rotor an der umfänglichen Außenseite umhüllt. Der Stator 1 ist so gestaltet, dass mehrere Spulen in Umfangsrichtung um eine Welle herum angeordnet sind. In die Spulen des Stators 1 wird Wechselstrom aus einer Wechselstromversorgung eingespeist. Die Welle ist ferner mit einer Last verbunden.
Wenn Strom durch die Spulen fließt, erzeugen die Spulen des Stators 1 einen wie in 1 gezeigten magnetischen Fluss (ϕ). Auf die Permanentmagnete des Rotors wirkt eine in Richtung des magnetischen Flusses (ϕ) gerichtete magnetische Kraft ein. Die auf die Permanentmagnete einwirkende magnetische Kraft dreht den Rotor.
Nachfolgend wird die Betriebsweise des Elektromotors beschrieben. Beim Drehen des Rotors bewegt sich die Ausrichtung eines von den Spulen erzeugten magnetischen Feldes fortlaufend in Umfangsrichtung. Dies kann durch Einspeisen eines Wechselstroms in die Spulen des Stators 1 bewirkt werden. Die Spulen des Stators 1 erzeugen ein sich im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn drehendes magnetisches Feld (nachfolgend als magnetisches Drehfeld bezeichnet). Bei dem Beispiel von 1 erzeugen die Spulen ein sich im Uhrzeigersinn drehendes magnetisches Feld. Auf die Permanentmagnete wirkt eine sich in Richtung des magnetischen Drehfeldes drehende Kraft ein. Die Permanentmagnete werden zu dem magnetischen Drehfeld gezogen, sodass sich der Rotor in dieselbe Richtung wie das magnetische Drehfeld dreht.
Beim Drehen des Rotors dreht sich die Welle mit diesem zusammen. Die Drehkraft der Welle wird an die Last übertragen. Anders ausgedrückt wird die an dem Rotor erzeugte Drehkraft über die Welle an die Last übertragen.
Im Folgenden wird ein Aufbau eines Stators 1 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. 2 zeigt eine Schnittansicht des Stators 1 gemäß der ersten Ausführungsform. Wie aus 2 ersichtlich ist der Stator 1 hauptsächlich aus einem Statorkern 2 aufgebaut, der eine zylindrische Form und Zahnabschnitte 3 aufweist. Wie in 2 zu sehen befinden sich die Zahnabschnitte 3 am inneren Umfang des Statorkerns 2. Bei der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform sind 12 Zahnabschnitte 3 entlang der Umfangsrichtung des Stators 1 angeordnet.
Zwischen den jeweiligen Zahnabschnitten 3 befinden sich Nuten 4. Eine Nut stellt einen sich zwischen den jeweiligen Zahnabschnitten 3 befindenden Zwischenraum dar. Bei der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform sind die 12 Nuten 4 entlang der Umfangsrichtung des Stators 1 angeordnet.
3 zeigt eine Detailansicht eines Stators 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittdarstellung, bei der Teil C von 2 vergrößert dargestellt ist. Der Statorkern 2 von 3 weist Zahnabschnitte 3 auf. Die Nuten 4 sind zwischen den jeweiligen Zahnabschnitten 3 angeordnet. Die Nut 4 ist entlang der Kontur der Nut 4 mit einem Isolierpapier 5 ausgekleidet.
Wie in 3 zu sehen befinden sich in derselben Nut 4 sowohl ein Kupferdraht 6a als auch ein Aluminiumdraht 6b. Der Kupferdraht 6a wie auch der Aluminiumdraht 6b sind um die Zahnabschnitte 3 gewickelt. Nachstehend werden der Kupferdraht 6a und der Aluminiumdraht 6b zusammen als Wicklungen 6 bezeichnet.
Im Folgenden wird das Prinzip der ersten Ausführungsform beschrieben. Der Widerstand einer Wicklung 6 wird als Wicklungswiderstand R bezeichnet. Der Wicklungswiderstand R wird bei Verwendung von elektrischen Drähte A und B für die Wicklungen 6 durch folgende Gleichung 1 ausgedrückt: [Mathematischer Ausdruck 1]
In Gleichung 1 geben ρ_A und ρ_B die spezifischen elektrischen Widerstände der elektrischen Drähte A bzw. B, n_A und n_B die Anzahl der Windungen der elektrischen Drähte A bzw. B, L die durchschnittliche Umfangslänge und S_A und S_B die Querschnitte der elektrischen Drähte A bzw. B an. 'a' ist eine Konstante, die durch die Anzahl der Nuten und das für die Wicklungen 6 verwendete Drahtverbindungsverfahren bestimmt ist.
Die Beziehung zwischen der Fläche A_s der Nut 4 und den Schnittflächen S_A und S_B der elektrischen Drähte A und B wird ferner durch die folgende Gleichung 2 ausgedrückt:
[Mathematischer Ausdruck 2]

As × η = S_A × n_A + S_B × n_B (Gleichung 2)

In Gleichung 2 gibt η einen Füllfaktor an. Der Füllfaktor gibt das Verhältnis der von den Wicklungen 6 belegten Fläche zur Fläche A_s der Nut 4 an.
Die Gesamtanzahl der Windungen des elektrischen Drahts A und des elektrischen Drahts B wird ferner mit N bezeichnet. Der Anteil des elektrischen Drahts A an der Gesamtsumme N der Anzahl der Windungen wird als 'x' bezeichnet. Ferner wird die Schnittfläche S_B des elektrischen Drahts B als 'y'-mal größer als die Schnittfläche S_A des elektrischen Drahts A angegeben. Damit kann Gleichung 2 durch die folgende Gleichung 3 ausgedrückt werden:
[Mathematischer Ausdruck 3]

S_A = As × η / N{x + y(1 – x)} (Gleichung 3)

Mithilfe der Gleichungen 1 und 3 kann der Wicklungswiderstand R_(x,y) daher durch folgende Gleichung 4 ausgedrückt werden: [Mathematischer Ausdruck 4]
Bei gleichen Schnittflächen S_A, S_B der elektrischen Drähte A und B ist der Wicklungswiderstand R_(x,1). Eine Bedingung zur Verringerung des Wicklungswiderstands R_(x,y) so, dass er kleiner ist als R_(x,1), wird durch die folgende Gleichung 5 ausgedrückt: [Mathematischer Ausdruck 5]
Aus Gleichung 5 lässt sich die folgende Gleichung 6 ableiten: [Mathematischer Ausdruck 6]
Im Vergleich zu dem Fall, bei dem die elektrischen Drähte A und B dieselben Schnittflächen S_A und S_B aufweisen, wird, wie aus Gleichung 6 ersichtlich ist, der Wicklungswiderstand R_(x,y) der gleichzeitig in der Nut angeordneten elektrischen Drähte A und B im Falle von 1 < y < ρ_B/ρ_A, kleiner. Aus der mathematischen Ungleichung 1 < y < ρ_B/ρ_A lassen sich ferner die zwei nachfolgend angeführten Punkte ableiten. Der erste Punkt betrifft eine Konfiguration, bei der in der Nut 4 das Verhältnis der Schnittfläche eines Materials hohen spezifischen elektrischen Widerstands zur Schnittfläche eines Materials niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands größer oder gleich 1 ist. Der zweite Punkt betrifft eine Konfiguration, bei der dieses Verhältnis kleiner oder gleich dem Verhältnis des spezifischen elektrischen Widerstands des Materials hohen spezifischen elektrischen Widerstands zu dem spezifischen elektrischen Widerstand des Materials niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands ist.
Aus Gleichung 6 lässt sich auch ersehen, dass der Wicklungswiderstand R_(x,y) der gemeinsam in der Nut 4 angeordneten Drähte A und B im Falle von y = ρ_B/ρ_A gleich dem des Falles ist, bei dem die elektrischen Drähte A und B dieselben Schnittflächen S_A und S_B aufweisen.
Als Nächstes wird ein Aufbau eines Stators 1 gemäß der ersten Ausführungsform ausführlich beschrieben. Bei der ersten Ausführungsform wird für den elektrischen Draht A wie in 3 gezeigt ein Kupferdraht 6a und für den elektrischen Draht B ein Aluminiumdraht 6b verwendet. 3 kann ferner entnommen werden, dass es sich bei der Wicklungsart für den Kupferdraht 6a und den Aluminiumdraht 6b um eine konzentrierte Wicklung handelt.
Die Fläche D in 3 gibt eine Fläche an, die von dem in der Nut 4 angeordneten Kupferdraht 6a belegt ist. Anders ausgedrückt stellt die Fläche D die Gesamtsumme aller Schnittflächen des Kupferdrahts 6a in der Nut 4 dar. Die Fläche E in 3 gibt eine Fläche an, die von dem in der Nut 4 angeordneten Aluminiumdraht 6b belegt ist. Anders ausgedrückt stellt die Fläche E die Gesamtsumme aller Schnittflächen des Aluminiumdrahts 6b in der Nut 4 dar. Das Anteil der von dem Aluminiumdraht 6b eingenommenen Fläche E zur Summe aus Fläche D und Fläche E ist größer als 50% und kleiner als 61%.
Der spezifische elektrische Widerstand ρ_A des Kupfers beträgt hier 16,8 nΩ·m. Der spezifische elektrische Widerstand ρ_B des Aluminiums beträgt 26,5 nΩ·m. Ferner wird die Schnittfläche des Kupferdrahts 6a als S_Cu und die Schnittfläche des Aluminiumdrahts 6b als S_Al angegeben.
Wie oben angegeben ist y: (Schnittfläche des elektrischen Drahts B) zur (Schnittfläche des elektrischen Drahts A). Es kann somit gezeigt werden, dass y = S_Al/S_Cu. Der Term '1 < y < ρ_B/ρ_A' von Gleichung 6 kann somit durch die folgende Gleichung 7 ersetzt werden. [Mathematischer Ausdruck 7]
Auch die folgende Gleichung 8 wird erfüllt. [Mathematischer Ausdruck 8]
Aus den Gleichungen 7 und 8 lässt sich die folgende Gleichung 9 ableiten: [Mathematischer Ausdruck 9]
Wie aus Gleichung 9 ersichtlich ist, bedeutet dies, dass das Verhältnis der in der Nut 4 von dem Aluminiumdraht 6b eingenommenen Fläche zu der in der Nut 4 von den Wicklungen 6 eingenommenen Fläche so festgelegt wird, dass es größer als 50% und kleiner als 61% ist. Die eingenommene Fläche ergibt sich hierbei aus dem Produkt der Schnittfläche des elektrischen Drahts und der Anzahl von Windungen.
Mit anderen Worten ausgedrückt beträgt in 3 das Flächenverhältnis der von dem Aluminiumdraht 6b eingenommenen Fläche E zur der von der Fläche D und der Fläche E gebildeten Gesamtfläche mehr als 50% und weniger als 61%. Dadurch kann der Wicklungswiderstand R, wie unter Bezug auf Gleichung 6 ausgeführt wurde, gegenüber einem Fall, bei dem die Schnittfläche S_Cu des Kupferdrahts 6a gleich der Schnittfläche S_Al des Aluminiumdrahts 6b ist, verringert werden.
Eine Ausgestaltung, bei der die innerhalb derselben Nut 4 von dem Kupferdraht 6a und von dem Aluminiumdraht 6b eingenommenen Flächen gleich sind, kann hierbei möglich sein. Ferner kann das Verhältnis der in der Nut 4 von dem Aluminiumdraht 6b eingenommenen Fläche zu der Fläche, die in der Nut 4 von den Wicklungen 6 eingenommen wird, auf 61% festgelegt werden.
Zweite Ausführungsform
Nachfolgend werden Ausgestaltungen eines Stators 1 und eines Elektromotors gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Denen der ersten Ausführungsform entsprechende oder äquivalente Einrichtungen oder Ausgestaltungen werden mit denselben Begriffen und Bezugszeichen bezeichnet, wobei deren Erläuterung unterlassen wird.
Bei der zweiten Ausführungsform wird insbesondere ein Stator beschrieben, bei dem das Verhältnis der Schnittfläche eines Materials hohen spezifischen elektrischen Widerstands zur Schnittfläche eines Materials niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands innerhalb der Nut gleich der Quadratwurzel des Verhältnisses des spezifischen elektrischen Widerstands des Materials hohen spezifischen elektrischen Widerstands zum spezifischen elektrischen Widerstand des Materials niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands ist.
4 zeigt eine Detailansicht eines Stators 1 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittdarstellung mit einer vergrößerten Darstellung des Bereichs C von 2.
Der Kupferdraht 6a und der Aluminiumdraht 6b befinden sich wie in 4 gezeigt in derselben Nut 4. Der Kupferdraht 6a und der Aluminiumdraht 6b sind um die Zahnabschnitte 3 des Statorkerns 2 herumgewickelt. Ferner handelt es sich bei der in 4 gezeigten Wicklungsart für den Kupferdraht 6a und den Aluminiumdraht 6b um eine konzentrierte Wicklung.
Bei den in 4 in derselben Nut 4 angeordneten Wicklungen 6 beträgt die Anzahl der Windungen 20. Ferner nimmt die von den in derselben Nut 4 angeordneten Wicklungen 6 eingenommene Fläche 55% der Fläche der Nut 4 ein.
Bei der in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform beträgt die Anzahl der Windungen des Kupferdrahts 6a wie die des Aluminiumdrahts 6b jeweils 10. Der Drahtdurchmesser des Kupferdrahts 6a beträgt 0,45 mm, der Drahtdurchmesser des Aluminiumdrahts 6b beträgt 0,55 mm.
Als Nächstes wird das Prinzip der zweiten Ausführungsform erläutert. Zum Erhalt des minimalen Wicklungswiderstands R_(x,y) wird Gleichung 4 der ersten Ausführungsform partiell nach y abgeleitet. Hieraus ergibt sich die folgende Gleichung 10: [Mathematischer Ausdruck 10]
Der minimale Wicklungswiderstand R_(x,y), ergibt sich aus Gleichung 10, wenn die folgende Gleichung 11 erfüllt ist:
[Mathematischer Ausdruck 11]

∂∂ / yR(x,y) = 0 (Gleichung 11)

Aus den Gleichung 10 und 11 erhält man die folgende Gleichung 12: [Mathematischer Ausdruck 12]
Wenn die nachfolgende Gleichung 13 erfüllt ist, ergibt sich aus Gleichung 12 der kleinste Wicklungswiderstand [Mathematischer Ausdruck 13]
Als Nächstes wird der Aufbau des Stators 1 der zweiten Ausführungsform ausführlich beschrieben. Bei der in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform werden für den elektrischen Draht A ein Kupferdraht 6a und für den elektrischen Draht B ein Aluminiumdraht 6b verwendet.
Bei der zweiten Ausführungsform wird das Verhältnis der die Schnittfläche der Nut 4 belegenden Schnittflächen des Kupferdrahts 6a zu denen des Aluminiumdrahts 6b auf 1,26 festgelegt. Dies entspricht der Quadratwurzel des Verhältnisses des spezifischen elektrischen Widerstands von 16,8 nΩ·m für Kupfer zum spezifischen elektrischen Widerstand von 25,5 nΩ·m für Aluminium.
Die Anzahl der Windungen des Kupferdrahts 6a und der des Aluminiumdrahts 6b beträgt jeweils 10. Der Drahtdurchmesser des Kupferdrahts 6a beträgt hierbei 0,45 mm. Der Drahtdurchmesser des Aluminiumdrahts 6b beträgt 0,55 mm. Somit wird das Schnittflächenverhältnis von 1,26 erfüllt. Somit kann der Wicklungswiderstand in diesem Falle minimiert werden.
Elektrische Drähte sind im Handel im Allgemeinen nur mit abgestuften Durchmessern erhältlich. Ferner sind die Windungszahlen natürliche Zahlen. Aus diesem Grunde ist es normalerweise schwierig, das Verhältnis der Schnittflächen des Kupferdrahts 6a zu denen des Aluminiumdrahts 6b so zu gestalten, dass es der Quadratwurzel aus dem Verhältnis der spezifischen elektrischen Widerstände entspricht. Daher werden die Durchmesser der elektrischen Drähte so gewählt, dass sich statt einem Schnittflächenverhältnis von 1,26 ein Schnittflächenverhältnis von 1,3 ergibt. Damit kann der Wicklungswiderstand verringert werden.
Die Durchmesser der elektrischen Drähte können ferner so gewählt werden, dass das Schnittflächenverhältnis innerhalb eines Bereichs von 1,2 bis 1,4 hegt. Das Schnittflächenverhältnis, bei dem der Wicklungswiderstand minimiert werden kann liegt im Bereich von 1,2 bis 1,4. Aus diesem Grund kann der Wicklungswiderstand, wenn die Durchmesser der elektrischen Drähte so gewählt werden, dass das Schnittflächenverhältnis im Bereich von 1,2 bis 1,4 liegt, minimiert werden. Ein im Bereich von 1,2 bis 1,4 liegendes Schnittflächenverhältnis bedeutet hierbei, dass das Verhältnis in einem Bereich liegt, in dem die Verhältnisse als äquivalent angesehen werden können.
Dritte Ausführungsform
Nachfolgend werden Ausgestaltungen eines Stators 1 und eines Elektromotors gemäß einer dritten Ausführungsform beschrieben. Denen der ersten und zweiten Ausführungsform entsprechende oder äquivalente Einrichtungen oder Ausgestaltungen werden mit denselben Begriffen und Bezugszeichen bezeichnet, wobei deren Erläuterung unterlassen wird.
5 zeigt eine Detailansicht eines Stators 1 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittdarstellung mit einer vergrößerten Darstellung des Bereichs C von 2.
Der Kupferdraht 6a und der Aluminiumdraht 6b befinden sich wie in 5 gezeigt in derselben Nut 4. Der Kupferdraht 6a und der Aluminiumdraht 6b sind um die Zahnabschnitte 3 des Statorkerns 2 herumgewickelt. Ferner handelt es sich bei der in 5 gezeigten Wicklungsart für den Kupferdraht 6a und den Aluminiumdraht 6b um eine konzentrierte Wicklung.
Bei den in 5 in derselben Nut 4 angeordneten Wicklungen 6 beträgt die Anzahl der Windungen 20. Ferner nimmt die von den in derselben Nut angeordneten Wicklungen 6 eingenommene Fläche 55% der Fläche der Nut 4 ein.
Bei der in 5 gezeigten dritten Ausführungsform beträgt die Anzahl der Windungen des Kupferdrahts 6a 8. Die Anzahl der Windungen des Aluminiumdrahts 6b ist 12. Der Drahtdurchmesser des Kupferdrahts 6a beträgt hierbei 0,4 mm, der Drahtdurchmesser des Aluminiumdrahts 6b 0,55 mm. Somit beträgt das Verhältnis der die Schnittfläche der Nut belegenden Schnittflächen von Kupferdraht 6a zu Aluminiumdraht 6b 1,26. In diesem Fall kann der Wicklungswiderstand wie bei der zweiten Ausführungsform beschrieben minimiert werden.
Da die Ausgestaltung ein Verhältnis der Schnittflächen von 1,26 ermöglicht, bedeutet dies, dass der Wicklungswiderstand auch dann minimiert werden kann, wenn sich die Anzahl der Windungen des Kupferdrahts 6a von der des Aluminiumdrahts 6b unterscheidet.
Elektrische Drähte sind im Handel im Allgemeinen nur mit abgestuften Durchmessern erhältlich. Ferner sind die Windungszahlen natürliche Zahlen. Aus diesem Grunde ist es normalerweise schwierig, das Verhältnis der Schnittflächen des Kupferdrahts 6a zu denen des Aluminiumdrahts 6b so zu gestalten, dass es der Quadratwurzel aus dem Verhältnis der spezifischen elektrischen Widerstände entspricht. Daher werden die Durchmesser der elektrischen Drähte so gewählt, dass sich statt einem Schnittflächenverhältnis von 1,26 ein Schnittflächenverhältnis von 1,3 ergibt. Damit kann der Wicklungswiderstand verringert werden.
Die Durchmesser der elektrischen Drähte können ferner so gewählt werden, dass das Schnittflächenverhältnis innerhalb eines Bereichs von 1,2 bis 1,4 liegt. Das Schnittflächenverhältnis, bei dem der Wicklungswiderstand minimiert werden kann liegt im Bereich von 1,2 bis 1,4. Aus diesem Grund kann der Wicklungswiderstand, wenn die Durchmesser der elektrischen Drähte so gewählt werden, dass das Schnittflächenverhältnis im Bereich von 1,2 bis 1,4 liegt, minimiert werden. Ein im Bereich von 1,2 bis 1,4 liegendes Schnittflächenverhältnis bedeutet hierbei, dass das Verhältnis in einem Bereich liegt, in dem die Verhältnisse als äquivalent angesehen werden können.
Vierte Ausführungsform
Nachfolgend werden Ausgestaltungen eines Stators 1 und eines Elektromotors gemäß einer vierten Ausführungsform beschrieben. Denen der ersten bis dritten Ausführungsform entsprechende oder äquivalente Einrichtungen oder Ausgestaltungen werden mit denselben Begriffen und Bezugszeichen bezeichnet, wobei deren Erläuterung unterlassen wird.
6 zeigt eine Detailansicht eines Stators 1 gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittdarstellung mit einer vergrößerten Darstellung des Bereichs C von 2.
Wie in 6 zu sehen befinden sich in derselben Nut 4 sowohl ein Kupferdraht 6a als auch ein Aluminiumdraht 6b. Der Kupferdraht 6a wie auch der Aluminiumdraht 6b sind um die Zahnabschnitte 3 des Statorkerns gewickelt. Ferner handelt es sich bei der in 6 gezeigten Wicklungsart für den Kupferdraht 6a und den Aluminiumdraht 6b um eine konzentrierte Wicklung.
Bei den in 6 in derselben Nut 4 angeordneten Wicklungen 6 beträgt die Anzahl der Windungen 20. Ferner nimmt die von den in derselben Nut angeordneten Wicklungen 6 eingenommene Fläche 55% der Fläche der Nut 4 ein.
Bei der in 6 gezeigten vierten Ausführungsform beträgt die Anzahl der Windungen des Kupferdrahts 6a und der des Aluminiumdrahts 6b ferner jeweils 10. Der Drahtdurchmesser des Kupferdrahts 6a beträgt hierbei 0,4 mm. Der Drahtdurchmesser des Aluminiumdrahts 6b beträgt 0,6 mm.
Als Nächstes wird das Prinzip der vierten Ausführungsform beschrieben. Bei der vierten Ausführungsform werden die spezifischen Gewichte der elektrischen Drähte A und B als δ_A bzw. δ_B bezeichnet. Hiermit wird das Gewicht m der Wicklung 6 durch die folgende Gleichung 14 ausgedrückt: [Mathematischer Ausdruck 14]
Aus Gleichung 3 der ersten Ausführungsform und Gleichung 14 lässt sich die folgende Gleichung 15 ableiten: [Mathematischer Ausdruck 15]
Aus Gleichung 15 lässt sich demnach erkennen, dass das Gewicht m der Wicklung mit zunehmendem y monoton abnimmt. Daher ist das Gewicht m der Wicklung innerhalb des Bereichs 1 ≤ y ≤ ρ_B/ρ_A am geringsten, wenn y = ρ_B/ρ_A ist.
Als Nächstes wird die Ausgestaltung eines Stators 1 gemäß der vierten Ausführungsform ausführlich erläutert. Bei der in 6 gezeigten vierten Ausführungsform werden für den elektrischen Draht A ein Kupferdraht 6a und für den elektrischen Draht B ein Aluminiumdraht 6b verwendet.
Bei der vierten Ausführungsform wird das Verhältnis der die Schnittfläche der Nut 4 belegenden Schnittflächen des Kupferdrahts 6a zu denen des Aluminiumdrahts 6b, auf 1,58 festgelegt. Dies entspricht dem Verhältnis des spezifischen elektrischen Widerstands von 16,8 nΩ·m für Kupfer zum spezifischen elektrischen Widerstand von 26,5 nΩ·m für Aluminium.
Die Anzahl der Windungen des Kupferdrahts 6a und der des Aluminiumdrahts 6b beträgt jeweils 10. Als Drahtdurchmesser des Kupferdrahts 6a werden hierbei 0,4 mm gewählt. Als Drahtdurchmesser des Aluminiumdrahts 6b werden 0,6 mm gewählt. Damit wird ein Verhältnis der Schnittflächen von 1,58 erzielt. Das bedeutet, dass im Vergleich zu einem Fall, bei dem die Schnittflächen des Kupferdrahts 6a und des Aluminiumdrahts 6b gleich sind, in diesem Falle der Wicklungswiderstand äquivalent und das Gewicht der Wicklungen 6 am leichtesten gemacht werden können.
Elektrische Drähte sind im Handel im Allgemeinen nur mit abgestuften Durchmessern erhältlich. Ferner sind die Windungszahlen natürliche Zahlen. Aus diesem Grunde ist es normalerweise schwierig, das Verhältnis der Schnittflächen des Kupferdrahts 6a zu denen des Aluminiumdrahts 6b so zu gestalten, dass es dem Verhältnis der spezifischen elektrischen Widerstände entspricht. Daher werden die Durchmesser der elektrischen Drähte so gewählt, dass sich statt einem Schnittflächenverhältnis von 1,58 ein Schnittflächenverhältnis von 1,6 ergibt. Damit können im Vergleich zu einem Fall, bei dem die Schnittflächen des Kupferdrahts 6a und des Aluminiumdrahts 6b gleich sind, der Wicklungswiderstand äquivalent und das Gewicht der Wicklungen 6 am leichtesten gemacht werden.
Die Durchmesser der elektrischen Drähte können ferner so gewählt werden, dass das Schnittflächenverhältnis innerhalb eines Bereichs von 1,5 bis 1,7 liegt. Im Vergleich zu einem Fall, bei dem die Schnittflächen des Kupferdrahts 6a und des Aluminiumdrahts 6b gleich sind, liegt das Schnittflächenverhältnis, bei dem der Wicklungswiderstand äquivalent und das Gewicht der Wicklungen 6 am leichtesten ist, im Bereich von 1,5 bis 1,7. Aus diesem Grunde können, im Vergleich zu einem Fall, bei dem die Schnittflächen des Kupferdrahts 6a und des Aluminiumdrahts 6b gleich sind, der Wicklungswiderstand äquivalent und das Gewicht der Wicklungen 6 am leichtesten gestaltet werden, wenn die Durchmesser der elektrischen Drähte so gewählt werden, dass das Schnittflächenverhältnis im Bereich von 1,5 bis 1,7 liegt. Ein im Bereich von 1,5 bis 1,7 liegendes Schnittflächenverhältnis bedeutet hierbei, dass das Verhältnis in einem Bereich liegt, in dem die Verhältnisse als äquivalent angesehen werden können.
Fünfte Ausführungsform
Nachfolgend werden Ausgestaltungen eines Stators 1 und eines Elektromotors gemäß einer fünften Ausführungsform beschrieben. Denen der ersten bis vierten Ausführungsform entsprechende oder äquivalente Einrichtungen oder Ausgestaltungen werden mit denselben Begriffen und Bezugszeichen bezeichnet, wobei deren Erläuterung unterlassen wird.
7 zeigt eine Detailansicht eines Stators 1 gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittdarstellung mit einer vergrößerten Darstellung des Bereichs C von 2.
Wie in 7 zu sehen befinden sich in derselben Nut 4 sowohl ein Kupferdraht 6a als auch ein Aluminiumdraht 6b. Der Kupferdraht 6a wie auch der Aluminiumdraht 6b sind um die Zahnabschnitte 3 des Statorkerns 2 gewickelt. Ferner handelt es sich bei der in 7 gezeigten Wicklungsart für den Kupferdraht 6a und den Aluminiumdraht 6b um eine konzentrierte Wicklung.
Bei den in 7 in derselben Nut 4 angeordneten Wicklungen 6 beträgt die Anzahl der Windungen 20. Ferner nimmt die von den in derselben Nut angeordneten Wicklungen 6 eingenommene Fläche 55% der Fläche der Nut 4 ein.
Bei der in 7 gezeigten fünften Ausführungsform beträgt die Anzahl der Windungen des Kupferdrahts 6a 8. Die Anzahl der Windungen des Aluminiumdrahts 6b ist 12. Der Drahtdurchmesser des Kupferdrahts 6a beträgt hierbei 0,35 mm, der Drahtdurchmesser des Aluminiumdrahts 6b 0,55 mm. Damit beträgt das Verhältnis der die Schnittfläche der Nut 4 belegenden Schnittflächen von Kupferdraht 6a zu Aluminiumdraht 6b 1,58. Im Vergleich zu einem Fall, bei dem die Schnittflächen des Kupferdrahts 6a und des Aluminiumdrahts 6b gleich sind, können in diesem Fall, wie bei der vierten Ausführungsform erläutert wurde, der Wicklungswiderstand äquivalent und das Gewicht der Wicklungen 6 am leichtesten gemacht werden.
Da die Ausgestaltung ein Schnittflächenverhältnis von 1,58 ermöglicht, bedeutet dies, dass, im Vergleich zu einem Fall, bei dem die Schnittflächen von Kupferdraht 6a und Aluminiumdraht 6b gleich sind, auch dann der Wicklungswiderstand äquivalent und das Gewicht der Wicklungen 6 am leichtesten gemacht werden können, wenn die Anzahl der Windungen von Kupferdraht 6a und Aluminiumdraht 6b verschieden sind.
Die Durchmesser der elektrischen Drähte können ferner so gewählt werden, dass das Schnittflächenverhältnis innerhalb eines Bereichs von 1,5 bis 1,7 liegt. Im Vergleich zu einem Fall, bei dem die Schnittflächen des Kupferdrahts 6a und des Aluminiumdrahts 6b gleich sind, liegt das Schnittflächenverhältnis, bei dem der Wicklungswiderstand äquivalent und das Gewicht der Wicklungen 6 am leichtesten ist, im Bereich von 1,5 bis 1,7. Aus diesem Grunde können, im Vergleich zu einem Fall, bei dem die Schnittflächen des Kupferdrahts 6a und des Aluminiumdrahts 6b gleich sind, der Wicklungswiderstand äquivalent und das Gewicht der Wicklungen 6 am leichtesten gestaltet werden, wenn die Durchmesser der elektrischen Drähte so gewählt werden, dass das Schnittflächenverhältnis im Bereich von 1,5 bis 1,7 liegt. Ein in im Bereich von 1,5 bis 1,7 liegendes Schnittflächenverhältnis bedeutet hierbei, dass das Verhältnis in einem Bereich liegt, in dem die Verhältnisse als äquivalent angesehen werden können.
Elektrische Drähte sind im Handel im Allgemeinen nur mit abgestuften Durchmessern erhältlich. Ferner sind die Windungszahlen natürliche Zahlen. Aus diesem Grunde ist es normalerweise schwierig, das Verhältnis der Schnittflächen des Kupferdrahts 6a zu denen des Aluminiumdrahts 6b so zu gestalten, dass es dem Verhältnis der spezifischen elektrischen Widerstände entspricht. Daher werden die Durchmesser der elektrischen Drähte so gewählt, dass sich statt einem Schnittflächenverhältnis von 1,58 ein Schnittflächenverhältnis von 1,6 ergibt. Damit können im Vergleich zu einem Fall, bei dem die Schnittflächen des Kupferdrahts 6a und des Aluminiumdrahts 6b gleich sind, der Wicklungswiderstand äquivalent und das Gewicht der Wicklungen 6 am leichtesten gemacht werden.
Bei der ersten bis fünften Ausführungsform handelt es sich bei der für den Kupferdraht 6a und den Aluminiumdraht 6b verwendeten Wicklungsart um eine konzentrierte Wicklung. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise kann es sich bei der Wicklungsart von Kupferdraht 6a und Aluminiumdraht 6b um eine verteilte Wicklung handeln.
Bei der ersten bis fünften Ausführungsform weist der Stator 1 ferner 12 Zahnabschnitte 3 und 12 Nuten 4 auf. Die vorliegende Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt. Die Anzahl der Zahnabschnitte 3 und Nuten 4 kann beispielsweise drei, sechs, neun oder mehr betragen.
Bei der ersten bis fünften Ausführungsform werden für den elektrischen Draht A ein Kupferdraht 6a und für den elektrischen Draht B ein Aluminiumdraht 6b verwendet. Der Kupferdraht 6a weist einen niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand auf, wodurch die Energieverluste gering sind. Dagegen ist der Aluminiumdraht 6a im Vergleich zu einem Kupferdraht 6a leichter und billiger. Bei der ersten bis fünften Ausführungsform werden der Kupferdraht 6a und der Aluminiumdraht 6b daher eingesetzt, damit der Stator leichter gemacht und die Kosten gesenkt werden können.
Bei der ersten bis fünften Ausführungsform werden für den elektrischen Draht A ein Kupferdraht 6a und für den elektrischen Draht B ein Aluminiumdraht 6b verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Für den elektrischen Draht A und den elektrischen Draht B können beispielsweise Silber, Kupfer, Gold, Aluminium und dergleichen gewählt und verwendet werden.
In der Tabelle von 8 sind Kombinationen elektrischer Drahtmaterialien mit den Verhältnissen der spezifischen elektrischen Widerstände gemäß der ersten bis fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Beim Verhältnis spezifischer elektrischer Widerstände handelt es sich um ein Verhältnis eines auf ein Metall hohen spezifischen elektrischen Widerstands bezogenen spezifischen elektrischen Widerstands zu einem auf ein Metall niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands bezogenen spezifischen elektrischen Widerstands. Um ferner auf den spezifischen elektrischen Widerstand eines jeden Werkstoffs bei 20°C einzugehen: Silber besitzt einen spezifischen elektrischen Widerstand von 15,9 nΩ·m, Kupfer besitzt einen spezifischen elektrischen Widerstand von 16,8 nΩ·m, Gold besitzt einen spezifischen elektrischen Widerstand von 22,1 nΩ·m und Aluminium besitzt einen spezifischen elektrischen Widerstand von 26,5 nΩ·m.
In 8 handelt es sich bei dem in den Spalten angegeben elektrischen Draht A um ein Metall niedrigen spezifischen Widerstands und bei dem in den Zeilen angegeben elektrischen Draht B um ein Metall hohen spezifischen Widerstands. Die in 8 angegebenen numerischen Werte geben das Verhältnis ρ_B/ρ_A der spezifischen elektrischen Widerstände der elektrischen Drähte A und B an. Beispielsweise ergibt sich aus 8, dass das Verhältnis des spezifischen elektrischen Widerstands des für den elektrischen Draht B verwendeten Aluminiums zum spezifischen elektrischen Widerstand des für den elektrischen Draht A verwendeten Kupfers bei 20°C 1,58 beträgt. Bei den in 8 angegebenen Werten handelt es sich um Werte, die bei 20°C gültig sind, wobei sich die Werte mit einer Änderung der Temperatur ändern.
Als Werkstoffe für die elektrischen Drähte gemäß der ersten bis fünften Ausführungsform werden unter Silber, Kupfer, Gold und Aluminium zwei verschiedene Metalle ausgewählt. Das bedeutet, dass als Werkstoff für den elektrischen Draht A Silber, Kupfer oder Gold und für den elektrischen Draht B anschließend ein Werkstoff gewählt wird, dessen spezifischer elektrischer Widerstand höher als der des Werkstoffs für Draht A ist. Wird als Werkstoff für den elektrischen Draht A konkret Silber gewählt, dann wird als Werkstoff für den elektrischen Draht B Kupfer, Gold oder Aluminium gewählt. Wird als Werkstoff für den elektrischen Draht A Kupfer gewählt, dann wird als Werkstoff für den elektrischen Draht B Gold oder Aluminium gewählt. Wird als Werkstoff für den elektrischen Draht A Gold gewählt, dann wird als Werkstoff für den elektrischen Draht B Aluminium gewählt. Selbstverständlich treten bei einem Stator und einem Elektromotor gemäß der ersten bis fünften Ausführungsform die Wirkungen auch dann ein, wenn für den elektrischen Draht A und den elektrischen Draht B eine Kombination dieser Werkstoffe gewählt wird.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Statorkern
3: Zahnabschnitt
4: Nut
5: Isolierpapier
6a: Kupferdraht
6b: Aluminiumdraht

Claims

Stator der aufweist: einen zylindrischen Statorkern, mehrere Zahnabschnitte, die entlang einer Umfangsrichtung des Statorkerns ausgebildet sind, und Wicklungen, die in mehreren zwischen den Zahnabschnitten ausgebildeten Nuten angeordnet und um die Zahnabschnitte herum gewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen aus Materialien mit unterschiedlichen spezifischen elektrischen Widerständen bestehen und ein Verhältnis einer Schnittfläche eines Materials hohen spezifischen elektrischen Widerstands zu einer Schnittfläche eines Materials niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands in der Nut größer oder gleich 1 und kleiner oder gleich einem Verhältnis des spezifischen elektrischen Widerstands des Materials hohen spezifischen elektrischen Widerstands zum spezifischen elektrischen Widerstand des Materials niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands ist.
Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Schnittfläche des Materials hohen spezifischen elektrischen Widerstands zur Schnittfläche des Materials niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands in der Nut in einem Bereich liegt, in dem das Verhältnis als äquivalent zur Quadratwurzel des Verhältnisses des spezifischen elektrischen Widerstands des Materials hohen spezifischen elektrischen Widerstands zum spezifischen elektrischen Widerstand des Materials niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands angesehen werden kann.
Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Schnittfläche des Materials hohen spezifischen elektrischen Widerstands zur Schnittfläche des Materials niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands in der Nut in einem Bereich liegt, in dem das Verhältnis als äquivalent zum Verhältnis des spezifischen elektrischen Widerstands des Materials hohen spezifischen elektrischen Widerstands zum spezifischen elektrischen Widerstand des Materials niedrigen spezifischen elektrischen Widerstands angesehen werden kann.
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Wicklungen das Material geringen spezifischen elektrischen Widerstands Kupfer und das Materials hohen spezifischen elektrischen Widerstands Aluminium ist.
Elektromotor, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aufweist: einen Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, einen Rotor, der sich auf Grundlage eines von dem Stator erzeugten magnetischen Feldes dreht, und eine Welle, die an dem Rotor befestigt ist und eine Drehkraft des Rotors an ein externes Element überträgt.