EP1611659A1 - Permanentmagnetisch erregte elektrische maschine - Google Patents

Permanentmagnetisch erregte elektrische maschine

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EP1611659A1
EP1611659A1 EP04724540A EP04724540A EP1611659A1 EP 1611659 A1 EP1611659 A1 EP 1611659A1 EP 04724540 A EP04724540 A EP 04724540A EP 04724540 A EP04724540 A EP 04724540A EP 1611659 A1 EP1611659 A1 EP 1611659A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
air gap
width
tooth
rotor
stator teeth
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04724540A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kurt Reutlinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1611659A1 publication Critical patent/EP1611659A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H02K1/146—Stator cores with salient poles consisting of a generally annular yoke with salient poles

Definitions

  • the invention relates to a permanent magnet-excited electrical machine with permanent magnetic poles arranged over the circumference of its rotor according to the preamble of claim 1.
  • the permanent magnetic poles with alternating polarity are often arranged on the circumference of the rotor of the machine, and the stator, which thus cooperates via a working air gap, consists of a laminated core with teeth aligned with the working air gap, which carry the coils of the stator winding.
  • the width of the teeth on the stator is relatively large in relation to the width of the rotor poles with> 50% of the pole pitch, which leads to a high harmonic content of the air gap field when the machine is operating with a constant air gap width.
  • the aim of the present solution is to minimize the harmonic content of the air gap induction in permanently magnetically excited electrical machines, in particular by designing the stator tooth end faces.
  • the electrical machine according to the invention with the characterizing feature of claim 1 has the advantage that a minimization of the harmonic content of the induction in the working air gap is achieved by the course of the air gap width on the end faces of the stator teeth according to a predetermined function, regardless of the size and power of the electrical machine.
  • the reduction in eddy current losses occurs both in the stator teeth and in the permanent magnets of the rotor.
  • this solution reduces the harmonic content of the torques acting on the rotor, which leads to a reduction in noise.
  • 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.
  • the air gap width ⁇ follows the function
  • x is the distance of the respective position from the tooth center in the working air gap
  • h was the magnet height of the permanent magnetic pole
  • ⁇ r the permeability of the magnetic poles
  • the pole pitch of the magnetic poles and ⁇ 0 is the air gap width in the center of the tooth.
  • the air gap width which is predetermined by the aforementioned function and is variable over the entire tooth width, is realized exclusively by an uneven curvature of the end faces of the teeth of the stator superimposed on the curvature of the working air gap, the end faces of the permanent magnetic poles having a uniformly flat, rotating direction of rotation of the rotor Form area.
  • the solution according to the invention can be implemented both with internal rotor machines, with external rotor machines and with axial field machines.
  • the permanent magnetic poles arranged on the outer circumference of the rotor interact with teeth of the stator directed radially inwards, the end face of which has an uneven curvature that follows the function 1 / cos over the tooth width.
  • the end faces of the teeth in a cylindrical working air gap with a diameter that is relatively small in relation to the pole pitch have a concave shape in their central region and a convex shape on both sides.
  • the cylindrical working air gap of which has an average diameter in relation to the pole pitch the end faces of the teeth have an almost flat course in the central area and a convex course on both sides.
  • the end faces of the teeth In the case of a cylindrical working air gap with a relatively large diameter in relation to the pole pitch, the end faces of the teeth have a convex course over the entire pole width.
  • the permanent magnetic poles on the inner circumference have a uniformly flat surface running in the direction of rotation of the rotor, uneven, convexly curved end faces of the teeth of an internal stator, which follow the function 1 / cos.
  • the end face of the permanent magnetic poles forms a flat surface that runs in the direction of rotation, whereby the specified air gap width, which varies over the tooth width, is exclusively due to an uneven function 1 / cos convex curvature of the end face of the teeth of the stator is realized.
  • the stator of the electrical machines is generally produced from a laminated core with stamped sheet metal parts, this manufacturing method allows the tooth heads to be shaped in any desired manner without further measures.
  • the contour of the tooth tips can be selected here for an air gap width that is optimized according to the invention, without this resulting in any appreciable additional outlay in production.
  • FIG. 1 shows the cross section of an electrical machine according to the invention as
  • FIG. 2 shows the course of the flow in the working air gap over a pole width
  • Figure 7 shows a section of an external rotor machine with an inventive
  • a permanently magnetically excited electrical machine is half shown in cross section and designated 10. It is an internal rotor machine, the rotor 11 of which has six uniformly distributed permanent magnetic poles 12 of alternating polarity on its circumference and which are preferably radially non-magnetized.
  • the poles 12 interact via a radially oriented working air gap 13 with six teeth 14 of a stator 15, which is designed as a laminated core and on whose magnetic yoke 16 the stator teeth 14 are directed radially inwards.
  • the stator teeth 14 each carry an electrical coil 17 which is linked to the magnetic flux ⁇ of the poles 12 in the stator teeth 14.
  • an air gap induction Bs is to be designed as sinusoidally as possible over the pole pitch of the poles 12 corresponding to a pole width.
  • the air gap induction B 5 is calculated approximately according to:
  • ⁇ is the air gap width
  • B r the remanence induction of the magnetic material of the poles
  • h OTlg the magnet height of the poles
  • ⁇ r the permeability of the magnetic poles.
  • ⁇ (x) Bs - cos where x is the distance of the respective location in the air gap from the center of the tooth and ⁇ p is the pole pitch.
  • ⁇ 0 is the minimum working air gap 13 in the center of the tooth.
  • FIG. 3 also shows that the end faces of the permanent-magnet poles 12 form a uniformly flat surface that runs in the direction of rotation according to arrow 19a of the rotor, and that the predetermined air gap width ⁇ , which varies over the tooth width, is exclusively due to an uneven curvature of the end face 18 of the stator teeth 14 is realized.
  • FIGS. 4 to 7 show different embodiments of end faces 18 on stator teeth 14 with the same tooth widths Zb, which, with unchanged permeability of the magnetic poles 12 and the magnet height according to the example according to FIG. 3, are caused by different pole pitches ⁇ p and air gap widths ⁇ 0 below the center of the tooth are.
  • the respective pole division results from the equation
  • the minimum air gap ⁇ 0 0.5 mm, as shown in FIG. 4a.
  • the end face 18a of the stator tooth 14a has a concave shape in the central region and a convex shape on both sides. According to FIG.
  • the end face 18 here has a concave course over the entire tooth width in the cylindrical working air gap 13 due to the relatively small diameter in relation to the pole pitch.
  • ⁇ 0 ⁇ 1.0 mm according to FIG. 5a
  • FIG. 6a and 6b show the tooth contours of an axial flow machine or a linear machine, in which the end face of the permanent magnetic poles 12b form a flat surface in the direction of rotation according to arrow 19b on one end face of a disk-shaped rotor 11b.
  • the curvature on the end face I8f of the stator teeth 14b would be flatter.
  • FIG. 7 shows a section of a permanently magnetically excited electrical machine 10c in the form of an external rotor machine.
  • the rotor 11c is formed in a ring shape, the permanent magnetic poles 12c being arranged on its inside and forming a uniformly flat surface 20 running in the direction of rotation of the arrow 19c on its inner circumference.
  • the magnetic poles 12c interact here via a cylindrical working air gap 13c with radially outwardly directed stator teeth 14c of an internally mounted stator 15c.
  • the end face 18g of the stator teeth 14c is curved in a non-uniformly convex manner, the curvature increasing from the center of the tooth X on both sides in the direction of rotation in order to achieve an air gap width ⁇ according to equation (1).

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 einen Arbeitsluftspalt (13) mit von elektrischen Spulen (17) eingefassten Zähnen (14) ihres Stators (15) zusammenwirken, wobei die Luftspaltweite (δ) des Arbeitsluftpaltes (13) unter der Stirnfläche (18) der Statorzähne (14) von der Zahnmitte in Umfangsrichtung zu beiden Seiten hin zunimmt. Zur Reduzierung des Oberwellenanteils der Luftspaltinduktion dieser Maschinen wird vorgeschlagen, dass die Lulftspaltweite (δ) über die Zahnbreite (Zb) der Statorzähne (14) von einer Luftspaltweitenfunktion abhängig ist, die umgekehrt proportional zu einer Kosinusfunktion ist.

Description

Permanentmagnetisch erregte elektrische Maschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine permanentmagnetisch erregte elektrische Maschine mit über den Umfang ihres Rotors angeordneten permanentmagnetischen Polen nach der Gattung des Anspruchs 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.
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 AI an den mit den Statorspulen versehenen Statorzähnen gleichmäßig konvex gekrümmte Stirnflächen vorgesehen. Ferner ist es gemäß der Patent-Abstrakt-Publikation JP 73 OSO 57 vom 21. November 1995 bekannt, zur Reduzierung der Zahnmomente den Arbeitsluftspalt durch eine entsprechend konvexe Wölbung der Zahnstimflächen in Umfangsnchtung 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.
Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, bei permanentmagnetisch erregten elektrischen Maschinen den Oberwellenanteil der Luftspaltinduktion zu minimieren, insbesondere durch die Gestaltung der Statorzahn-Stimflächen.
Vorteile der Erfindung
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.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.
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
wobei x der Abstand der jeweiligen Position von der Zahnmitte im Arbeitsluftspalt, hnlag die Magnethöhe des permanentmagnetischen Poles, μrdie Permeabilität der Magnetpole, die Polteilung der Magnetpole und δ0 die Luftspaltweite in der Zahnmitte ist.
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.
Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich sowohl bei Innenläufer-, bei Außenläufer- sowie bei Axialfeldmaschinen realisieren.
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.
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.
Bei einer Axial flussmaschine 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.
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.
Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 den Querschnitt einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine als
Innenpolläufer,
Figur 2 den Flussverlauf im Arbeitsluftspalt über eine Polbreite,
Figur 3 den Verlauf der Luftspaltweite δ über eine Polteilung,
Figur 4a und 4b Zahnkonturen einer vierpoligen elektrischen Maschine mit unterschiedlicher Luftspaltweite an der Zahnmitte,
Figur 5a und 5b Zahnkonturen einer zweipoligen elektrischen Maschine mit unterschiedlicher Arbeitsluftspaltweite an der Zahnmitte,
Figur 6a und 6b die Zahnkonturen einer Axialfeldmaschine mit unterschiedlicher
Luftspaltweite an der Zahnmitte und
Figur 7 zeigt einen Ausschnitt einer Außenläufermaschine mit einer erfindungsgemäßen
Zahnkontur eines innen gelagerten Stators. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist eine permanentmagnetisch erregte elektrische Maschine zur Hälfte im Querschnitt dargestellt und mit 10 bezeichnet. Es ist eine Innenläufermaschine, deren Rotor 1 1 an seinem Umfang sechs gleichmäßig verteilt angeordnete permanentmagnetische Pole 12 abwechselnder Polarität aufweist und die vorzugsweise radial inagnetisiert 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 16 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 Umfangsnchtung zunimmt.
Um die Wirbelstromverluste in der elektrischen Maschine 10 und die durch Schwingungsmomente erzeugten Geräusche zu minimieren, ist eine Luftspaltinduktion Bs über die eine Polbreite entsprechende Polteilung der Pole 12 möglichst sinusförmig auszubilden. Bei einem konstanten Arbeitsluftspalt errechnet sich die Luftspaltinduktion B5 näherungsweise nach:
Dabei ist δ die Luftspaltweite, Br die Remanenzinduktion des Magnetmaterials der Pole, hOTlg die Magnethöhe der Pole und μrdie Permeabilität der Magnetpole.
Ein sinusförmiger Verlauf der Luftspaltinduktion Bg ergibt sich aus
71 ■ X
(3) δ (x) = Bs - cos wobei x der Abstand des jeweiligen Ortes im Luftspalt von der Zahnmitte und τp die Polteilung ist.
Ein solcher sinusförmiger Induktionsverlauf ist in Figur 2 über einen Winkel Φ = 180° dargestellt, welcher einer Polteilung τp entspricht.
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 Figur 3 dargestellte Verlauf der Kontur an den Stirnflächen 18 der Statorzähne 14 ergibt sich schließlich aus der Gleichung (I)
wobei δ0 der minimale Arbeitsluftspalt 13 in der Zahnmitte ist.
Da die Zahnflanken der Statorzähne 14 nur einen relativ geringen Einfluss auf die Induktionsvεrteilung 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 Stimflächenkontur 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 Figur 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 Figur 3 liegt eine Maschine mit folgenden geometrischen Abmessungen zugrunde: Magnethöhe hmιg = 3 mm Permeabilität der Magnete μr = 1,05
Polteilung τp = 31 mm
Min. Luftspalt (Zahnmitte) δD = 1 mm.
In den Figuren 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 Magneihöhe nach dem Beispiel gemäß Figur 3 durch unterschiedliche Polteilungen τp und Luftspaltweiten δ0 unter der Zahnmitte bedingt sind. Dabei ergibt sich die jeweilige Pol teilung aus der Gleichung
Dπ
(4) TP = T 2p~
wobei p die Zahl der Polpaare des Rotors 11 ist.
In Figur 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 Figur 4a der minimale Luftspalt δ0 = 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 Figur 4b ergibt sich bei gleichen Maschinendaten jedoch mit vergrößertem Arbeitsluftspalt 13 bei einer minimalen Luftspaltweite δ0 = 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 δ0 = 0,5 mm der Rotor l ia im Verhältnis zur Polteilung einen mittelgroßen Durchmesser hat.
In Figur 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 Kurven Verlaufs aus Figur 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 δ0 = ■ 1,0 mm gemäß Figur 5a die Krümmung an der Stirnfläche 18c etwas stärker als an der Stirnfläche 18d nach Figur 5b mit einer größeren nainimalen Luftspaltweite δ0 = 2,0 mm.
Figur 6a und 6b zeigt die Zahnkonturen einer Axialflussmaschine oder einer Linearmaschine, bei der die Stirnfläche der permanentmagnetischen Pole 12b 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 mm 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 Figur 6a bei einer relativ kleinen minimalen Luftspaltweite δ0 = 0,5 mm die Stirnfläche 18e der Statorzähne 14b weniger stark gekrümmt als gemäß Figur 6b bei einer größeren minimalen Luftspaltweite von δ0 = 2,0 mm. Auch hier würde mit zunehmender Polteilung τp die Krümmung an der Stirnfläche I8f der Statorzähne 14b flacher verlaufen.
In Figur 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.

Claims

Ansprüche
1. Permanentmagnetisch erregte elektrische Maschine (10) mit über den Umfang ihres Rotors (11) angeordneten penrianentmagnetischen 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.
2. 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.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspaltweite (δ) der Luftspaltweitenfunktion
δ(x) = Ka + δ mag π - x cos- .
TP entspricht, wobei (x) der Abstand der jeweiligen Position von der Zahnmitte (X) im Arbeitsluftspalt (13), h∞,g die Magnethöhe des permanentmagnetischen Poles (12), μr die Permeabilität der Magnetpole (12), τp die Polteilung der Magnetpole (12) und δ0 die Luftspaltweite in der Zahnmitte ist.
4. Elektrische Maschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die permanentmagnetischen Pole (12) gleichmäßig ebene, in Drehrichtung {19) des Rotors (11) verlaufende Pol flächen (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.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Innenläufermaschine die permanentmagnetischen Pole (12) am Außεnumfang des Rotors (11) mit radial nach innen gerichteten Statorzähnen (14) zusammenwirken, deren Stirnfläche (18; 18a-f) über die Zahnbreite (Zb) eine ungleichmäßige Krümmung aufweisen.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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 Drehrichtμng (19c) des Rotors (1 ic) verlaufende Polfläche (20) bilden, welche mit ungleichmäßig konvex gekrümmten Stirnflächen ( 18g) der Statorzälme (14c) eines innen liegenden Stators (15c) zusammenwirken.
10. 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 (ISe) der Statorzähne (14b) realisiert ist.
EP04724540A 2003-03-31 2004-03-31 Permanentmagnetisch erregte elektrische maschine Withdrawn EP1611659A1 (de)

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