DE29712973U1 - Electrical machine - Google Patents

Electrical machine

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Description

Dr. rer. nat. Rolf Strothmann, 66123 SaarbrückenDr. rer. nat. Rolf Strothmann, 66123 Saarbrücken

„Elektrische Maschine""Electrical Machine"

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer fremderregten Feldmagnetanordnung für die Erzeugung von in der Läuferbewegungsrichtung aufeinanderfolgenden, jeweils ganzen magnetischen Perioden entsprechenden Magnetfeldern und mit entlang der Feldmagnetanordnung angeordneten, jeweils eine Polwicklung und einen die Polwicklung tragenden Polkopf aufweisenden Magnetpolen, wobei auf eine magnetische Periode eine von einer ganzen Zahl abweichende Zahl von Magnetpolen entfällt.The invention relates to an electrical machine with an externally excited field magnet arrangement for generating magnetic fields that follow one another in the direction of movement of the rotor and each correspond to whole magnetic periods, and with magnetic poles arranged along the field magnet arrangement, each having a pole winding and a pole head carrying the pole winding, with a number of magnetic poles that differs from a whole number being allocated to one magnetic period.

Aus der WO 96/27940 ist eine derartige elektrische Maschine bekannt, bei der die Symmetrie zwischen Läufer und Stator in der oben beschriebenen Weise gebrochen ist. Dabei kann der Läufer die Feldmagnetanordnung und der Stator die Magnetpole oder umgekehrt enthalten. Im Unterschied zu einer herkömmlichen elektrischen Maschine wechselt in einer solchen Maschine mit gebrochener Symmetrie die Phasenposition der Magnetpole zu den einzelnen Magnetfeldern von Periode zu Periode. Durch diese Aufhebung der Symmetrie, bei der sich keine Phasenposition zwischen einem Magnetpol und einer Magnetfeldperiode wiederholt, ist gegenüber herkömmlichen symmetrischen Maschinen das Rastmoment wesentlich verringert. Such an electrical machine is known from WO 96/27940, in which the symmetry between the rotor and stator is broken in the manner described above. The rotor can contain the field magnet arrangement and the stator the magnetic poles, or vice versa. In contrast to a conventional electrical machine, in such a machine with broken symmetry the phase position of the magnetic poles to the individual magnetic fields changes from period to period. Due to this abolition of symmetry, in which no phase position repeats between a magnetic pole and a magnetic field period, the cogging torque is significantly reduced compared to conventional symmetrical machines.

Die in der obengenannten WO 96/27940 beschriebene elektrische Maschine weist Polköpfe mit einem in Richtung der Hauptfeldlinien des Poles T-förmigen Querschnitt auf, wodurch an dem der Feldmagnetanordnung zugewandten Ende des Polkopfes ein Absatz gebildet ist, an welchen die auf dem Polkopf sitzende Polwicklung mit einer Stirnseite angrenzt.The electrical machine described in the above-mentioned WO 96/27940 has pole heads with a T-shaped cross-section in the direction of the main field lines of the pole, whereby a shoulder is formed at the end of the pole head facing the field magnet arrangement, to which the pole winding sitting on the pole head adjoins with one end face.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine derartige Maschine dahingehend zu verbessern, daß bei erhöhtem Wirkungsgrad der zu ihrer Herstellung erforderliche AufwandIt is the object of the present invention to improve such a machine so that, with increased efficiency, the effort required for its manufacture

verringert ist.is reduced.

Die diese Aufgabe lösende elektrische Maschine nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Polköpfe eine zur Bildung der Magnetpole durch Aufstecken der Polwicklungen auf die Polköpfe geeignete Form aufweisen.The electrical machine according to the invention which solves this problem is characterized in that the pole heads have a shape suitable for forming the magnetic poles by plugging the pole windings onto the pole heads.

Gegenüber dem Stand der Technik wird durch die Möglichkeit zum Aufstecken vorgefertigter Polwicklungen eine wesentliche Herstellungsvereinfachung mit dem zusätzlichen Vorteil erreicht, daß durch den Wegfall der T-förmigen Querschnittsform der Polköpfe in einer Maschine der obengenannten Art keine merkliche Verschlechterung des EMK- bzw. Drehmomentenverlaufs der elektrischen Maschine auftritt, wie ersieh in diesem Fall bei einer herkömmlichen, symmetrischen Maschine ergeben würde. Im Falle einer Maschine der eingangs erwähnten Art erfolgt durch den Symmetriebruch eine geeignete Mittelung, so daß sich ohne T-Querschnitt der Polköpfe ein annähernder Sinusverlauf der EMK bzw. des Motordrehmoments ergibt, der bei symmetrischen Maschinen durch T-förmige Querschnitte oder Schrägung der Polköpfe erreicht werden kann. Da die Polwicklungen extern herstellbar sind, können sie im Hinblick auf die Polgeometrie und eine weitgehend vollständige Ausfüllung von zwischen den Polköpfen vorhandenen Zwischenräumen optimal gewickelt werden, woraus eine Erhöhung des Motorwirkungsgrades resultiert.Compared to the state of the art, the possibility of attaching prefabricated pole windings results in a significant simplification of production with the additional advantage that the elimination of the T-shaped cross-section of the pole heads in a machine of the type mentioned above does not result in any noticeable deterioration of the EMF or torque curve of the electrical machine, as would be the case with a conventional, symmetrical machine. In the case of a machine of the type mentioned at the beginning, the symmetry break results in a suitable averaging, so that without a T-shaped cross-section of the pole heads, an approximately sinusoidal curve of the EMF or motor torque results, which can be achieved in symmetrical machines by T-shaped cross-sections or slanting the pole heads. Since the pole windings can be manufactured externally, they can be wound optimally with regard to the pole geometry and a largely complete filling of the gaps between the pole heads, which results in an increase in motor efficiency.

Mit dem nachteilslosen Wegfall der T-förmigen Polköpfe wird auch die damit verbundene Tendenz zum Kurzschließen des Flusses benachbarter Magnete gemindert.The disadvantageous elimination of the T-shaped pole heads also reduces the associated tendency to short-circuit the flux of neighboring magnets.

Zur Erleichterung des Aufsteckens können sich die Polköpfe in Richtung zu der Feldmagnetanordnung zumindest geringfügig verjüngen, wobei selbst dann wegen des Symmetriebruchs keine merkliche Beeinträchtigung des EMK- bzw. Drehmomentenverlaufs eintritt.To facilitate insertion, the pole heads can taper at least slightly in the direction of the field magnet arrangement, although even then there is no noticeable impairment of the EMF or torque curve due to the symmetry break.

Als weitere, das Aufstecken der Polwicklungen erleichternde Maßnahme kann vorgesehen sein, daß die Polköpfe am Rand ihrer der Feldmagnetanordnung zugewandten Stirnfläche abgeschrägt oder/und abgerundet sind. Auch durch diese Maßnahme ergibt sich aus den genannten Gründen keine weitere Verschlechterung des EMK- bzw. Drehmomentenveriaufs.As a further measure to make it easier to attach the pole windings, the pole heads can be bevelled and/or rounded at the edge of their front surface facing the field magnet arrangement. For the reasons mentioned above, this measure does not result in any further deterioration of the EMF or torque curve.

Zur Stabilisierung einer insbesondere als Läufer verwendeten Magnetpolanordnung können die Polwicklungen gegen Verschiebung auf den Polköpfen gesichert und daran befestigt sein, z.B. durch eine Verklebung oder einen Preßsitz.To stabilize a magnetic pole arrangement used in particular as a rotor, the pole windings can be secured against displacement on the pole heads and attached to them, e.g. by gluing or a press fit.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die Polwicklungen einen röhrenförmigen, auf die Polköpfe aufsteckbaren Trägerkern aufweisen, welcher insbesondere aus einem hochpermeablen Material besteht. Durch einen solchen röhrenförmigen hochpermeablen Trägerkern läßt sich unter weiterer Erhöhung des Motorwirkungsgrades eine optimale Polgeometrie erzielen, wobei Kern- und Spulenmaterial zueinander in optimalem Verhältnis stehen.In a further advantageous embodiment of the invention, the pole windings can have a tubular carrier core that can be plugged onto the pole heads and is made in particular of a highly permeable material. Such a tubular, highly permeable carrier core makes it possible to achieve an optimal pole geometry while further increasing the motor efficiency, with the core and coil material being in an optimal ratio to one another.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß ein durch die Abweichung von der ganzen Zahl variierender Versatz zwischen den Magnetfeldperioden und den Polen wenigstens teilweise durch eine entsprechend zeitversetzte Speisung der Polwicklungen ausgeglichen ist. Damit werden bei wesentlich verbessertem Rastverhalten durch den Symmetriebruch bedingte Beeinträchtigungen der Motorlaufeigenschaften weitgehend aufgehoben.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that an offset between the magnetic field periods and the poles, which varies due to the deviation from the whole number, is at least partially compensated by a correspondingly time-delayed supply of the pole windings. This largely eliminates any impairment of the motor running properties caused by the symmetry break, while significantly improving the locking behavior.

Zur zeitversetzten Speisung können Schaltungen vorgesehen sein, die aus einer mehrphasigen Speisespannung weitere Speisespannungen erzeugen, wobei diese Schaltungen durch geeignete Schaltung von Statorpolwicklungen z.B. in Stern- oder/und Dreiecksschaltungen gebildet sein können.For time-delayed feeding, circuits can be provided that generate additional supply voltages from a multi-phase supply voltage, whereby these circuits can be formed by suitable connection of stator pole windings, e.g. in star and/or delta connections.

Entsprechend einem anderen Konzept kann eine zeitverzögerte Speisung basierend auf einer Bestimmung der momentanen Position von Läufer und Stator vorgesehen sein, wobei eine solche Positionen verarbeitende Antriebssteuerung geeignet zeitversetzte Antriebsspannungen für die elektrische Maschine bereitstellt.According to another concept, a time-delayed supply can be provided based on a determination of the current position of the rotor and stator, whereby a drive control processing such positions provides suitably time-delayed drive voltages for the electrical machine.

Vorzugsweise ist die Feldmagnetanordnung durch Permanentmagnete gebildet.Preferably, the field magnet arrangement is formed by permanent magnets.

Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf dieses Ausfuhrungsbeispiel beziehenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben werden. Es zeigen:The invention will now be explained and described in more detail using embodiments and the accompanying drawings relating to this embodiment. They show:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer schematischen Seitenansicht,Fig. 1 shows a section of an electrical machine according to the invention in a schematic side view,

Fig. 2 die elektrische Maschine von Fig. 1 in einer Draufsicht, Fig. 3 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Polkopfform, und Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Polkopfform.Fig. 2 shows the electrical machine of Fig. 1 in a plan view, Fig. 3 shows a further exemplary embodiment of a pole head shape according to the invention, and Fig. 4 shows a third exemplary embodiment of a pole head shape according to the invention.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist in der Fig. 1 eine als Läufer dienende Feldmagnetanordnung bezeichnet, welche durch in Läuferbewegungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnete Permanentmagnete 2 und 3 gebildet sind, wobei sich ein einen Nordpol bildender Permanentmagnet 2 einer magnetischen Periode und ein einen Südpol bildender Permanentmagnet 3 einer magnetischen Periode einander abwechseln.The reference number 1 in Fig. 1 designates a field magnet arrangement serving as a rotor, which is formed by permanent magnets 2 and 3 arranged one after the other in the direction of rotor movement, with a permanent magnet 2 forming a north pole of a magnetic period and a permanent magnet 3 forming a south pole of a magnetic period alternating with one another.

Mit dem Bezugszeichen 4 ist in den Fig. 1 und 2 eine an einem Stator vorgesehene Polanordnung mit Polköpfen 5 bezeichnet, welche in zueinander gleichen Abständen entlang der Feldmagnetanordnung 1 angeordnet sind. In der in den Fig. 1 und 2 ausschnittsweise dargestellten Maschine stehen insgesamt neun, jeweils einen Permanentmagneten 2 und 3 aufweisenden magnetischen Perioden siebenundzwanzig Statorpole gegenüber, wobei anhand der Fig. 1 und 2 zu erkennen ist, daß in jeder der drei dort sichtbaren magnetischen Perioden eine andere räumliche Konstellation zwischen den Permanentmagneten 2, 3 und den Statorpolköpfen 5 vorliegt.The reference number 4 in Fig. 1 and 2 designates a pole arrangement provided on a stator with pole heads 5, which are arranged at equal distances from one another along the field magnet arrangement 1. In the machine shown in detail in Fig. 1 and 2, a total of nine magnetic periods, each with a permanent magnet 2 and 3, are opposite twenty-seven stator poles, whereby it can be seen from Fig. 1 and 2 that in each of the three magnetic periods visible there is a different spatial constellation between the permanent magnets 2, 3 and the stator pole heads 5.

Mit dem Bezugszeichen 6 sind in den Fig. 1 und 2 Polwicklungen bezeichnet, wobei in der Reihe von Statorpolen jeweils jede dritte Polwicklung mit der gleichen Phase einer dreiphasigen Speisespannung verbunden und diese Polwicklungen untereinander in Reihe geschaltet sind. Die Poiwicklungen 6 sind mit den Polköpfen 5 jeweils verklebt.In Fig. 1 and 2, reference numeral 6 designates pole windings, whereby in the row of stator poles every third pole winding is connected to the same phase of a three-phase supply voltage and these pole windings are connected in series with one another. The pole windings 6 are each glued to the pole heads 5.

Im Unterschied zu der gezeigten Linearanordnung von Rotor und Stator könnte auch eine Rotationsanordnung vorgesehen sein.In contrast to the linear arrangement of rotor and stator shown, a rotational arrangement could also be provided.

Zur Herstellung der in den Fig. 1 und 2 gezeigten elektrischen Maschine werden die Polwicklungen 6 komplett vorgefertigt und auf die Polköpfe 5 aufgesteckt, wobei ein in der Papierebene und senkrecht dazu jeweils rechteckiger Querschnitt gegenüber einem herkömmlichen T-förmigen Querschnitt ein solches Aufstecken zuläßt. Mit dieser Gestaltung der Polköpfe ist in der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Maschine keine Beeinträchtigung des EMK- oder Drehmomentenverlaufs verbunden, da durch die erwähnte Ungleichmäßigkeit der Anordnung der Polköpfe in bezug auf die magnetischen Perioden des Feldes, insbesondere die unterschiedliche Position der durch die gleiche Phase gespeisten Polköpfe, eine entsprechende Mittelung erfolgt.To produce the electrical machine shown in Fig. 1 and 2, the pole windings 6 are completely prefabricated and plugged onto the pole heads 5, whereby a rectangular cross-section in the plane of the paper and perpendicular to it allows such plugging in compared to a conventional T-shaped cross-section. This design of the pole heads does not affect the EMF or torque curve in the machine shown in Fig. 1 and 2, since the aforementioned irregularity in the arrangement of the pole heads in relation to the magnetic periods of the field, in particular the different position of the pole heads fed by the same phase, results in a corresponding averaging.

Durch die Möglichkeit der Vorfertigung der Polwicklungen unabhängig von den Polköpfen können die Polwicklungen unter Erhöhung des Wirkungsgrades der elektrischen Maschine optimal hergestellt werden. Insbesondere lassen sich Zwischenräume zwischen den Polköpfen nahezu vollständig für die Unterbringung von Polwicklungen nutzen.The possibility of prefabricating the pole windings independently of the pole heads means that the pole windings can be manufactured optimally, increasing the efficiency of the electrical machine. In particular, the spaces between the pole heads can be used almost entirely to accommodate pole windings.

Wie in der Fig. 3 etwas übertrieben dargestellt ist, könnten die Polköpfe in einem Schnitt in der Papierebene und/oder einer dazu senkrechten Ebene eine Trapezform derart aufweisen, daß sich die Poiköpfe in Richtung zu der Feldmagnetanordnung hin verjüngen, wodurch das Aufstecken der Polwicklungen erleichtert wird. Eine solche Erleichterung ergäbe sich auch durch eine in der Fig. 4 gezeigte Abschrägung 7 am Stimflächenrand eines Polkopfes 5b.As shown somewhat exaggeratedly in Fig. 3, the pole heads could have a trapezoidal shape in a section in the plane of the paper and/or a plane perpendicular to it, such that the pole heads taper in the direction of the field magnet arrangement, which makes it easier to attach the pole windings. Such an simplification would also be achieved by a bevel 7 shown in Fig. 4 on the end face edge of a pole head 5b.

Claims (10)

Ansprüche:Expectations: 1. Elektrische Maschine, mit einer fremderregten Feldmagnetanordnung (2,3) für die Erzeugung von in Läuferbewegungsrichtung aufeinanderfolgenden, jeweils ganzen magnetischen Perioden entsprechenden Magnetfeldern und mit entlang der Feldmagnetanordnung (2,3) angeordneten, jeweils eine Polwicklung (6) und einen die Polwicklung (6) tragenden Polkopf (5) aufweisenden Magnetpolen, wobei auf eine magnetische Periode eine von einer ganzen Zahl abweichende Zahl von Magnetpolen entfällt, dadurch gekennzeichnet, daß die Polköpfe (5) eine zur Bildung der Magnetpole durch Aufstecken der Polwicklungen (6) auf die Polköpfe (5) geeignete Form aufweisen.1. Electrical machine, with an externally excited field magnet arrangement (2, 3) for generating magnetic fields which follow one another in the direction of movement of the rotor and each correspond to whole magnetic periods, and with magnetic poles arranged along the field magnet arrangement (2, 3), each having a pole winding (6) and a pole head (5) carrying the pole winding (6), wherein a number of magnetic poles other than a whole number is allocated to a magnetic period, characterized in that the pole heads (5) have a shape suitable for forming the magnetic poles by plugging the pole windings (6) onto the pole heads (5). 2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Polköpfe (5a) in Richtung zu der Feldmagnetanordnung (2,3) zumindest geringfügig verjüngen.2. Electrical machine according to claim 1, characterized in that the pole heads (5a) taper at least slightly in the direction of the field magnet arrangement (2, 3). 3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polköpfe (5b) am Rand ihrer der Feldmagnetanordnung zugewandten Stirnfläche abgeschrägt oder/und abgerundet sind.3. Electrical machine according to claim 1 or 2, characterized in that the pole heads (5b) are bevelled and/or rounded at the edge of their end face facing the field magnet arrangement. 4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polwicklungen (6) gegen Verschiebung auf den Polköpfen (5), insbesondere durch eine Befestigung an den Polköpfen, gesichert sind.4. Electrical machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the pole windings (6) are secured against displacement on the pole heads (5), in particular by fastening to the pole heads. 5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen an den Polköpfen durch Verklebung oder Preßsitz befestigt sind.5. Electrical machine according to claim 4, characterized in that the coils are attached to the pole heads by gluing or press fitting. 6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polwicklungen einen röhrenförmigen, auf die Polköpfe aufsteckbaren Trägerkern, insbesondere aus einem hochpermeablen Material, aufweisen.6. Electrical machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the pole windings have a tubular carrier core, which can be plugged onto the pole heads, in particular made of a highly permeable material. 7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Abweichung von der ganzen Zahl variierender Versatz zwischen den Magnetfeldperioden und den Polen wenigstens teilweise durch eine entsprechend zeitversetzte Speisung der Polwicklungen (6) ausgeglichen ist.7. Electrical machine according to one of claims 1 to 6, characterized in that an offset between the magnetic field periods and the poles, which varies due to the deviation from the whole number, is at least partially compensated by a correspondingly time-delayed supply of the pole windings (6). 8. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zurzeitversetzten Speisung Schaltungen zur Erzeugung weiterer Speisespannungsphasen aus einer mehrphasigen Speisespannung vorgesehen sind.8. Electrical machine according to claim 7, characterized in that for the time-shifted supply, circuits are provided for generating further supply voltage phases from a multi-phase supply voltage. 9. Elektrische Maschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zeitversetzte Speisung basierend auf einer Bestimmung der momentanen Position von Läufer und Stator vorgesehen ist.9. Electrical machine according to claim 7 or 8, characterized in that a time-delayed supply is provided based on a determination of the current position of the rotor and stator. 10. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldmagnetanordnung durch Permanentmagnete (2,3) gebildet ist.10. Electrical machine according to one of claims 1 to 9, characterized in that the field magnet arrangement is formed by permanent magnets (2, 3).
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R207 Utility model specification

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R150 Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years

Effective date: 20001219

R151 Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years

Effective date: 20030910

R152 Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years

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R071 Expiry of right