EP1882293A1 - Elektrische maschine mit einem wicklungssystem mit spulengruppen - Google Patents

Elektrische maschine mit einem wicklungssystem mit spulengruppen

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Publication number
EP1882293A1
EP1882293A1 EP06755200A EP06755200A EP1882293A1 EP 1882293 A1 EP1882293 A1 EP 1882293A1 EP 06755200 A EP06755200 A EP 06755200A EP 06755200 A EP06755200 A EP 06755200A EP 1882293 A1 EP1882293 A1 EP 1882293A1
Authority
EP
European Patent Office
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winding
coils
stator
machine according
electrical machine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06755200A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rolf Vollmer
Holger Schunk
Albrecht Storath
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1882293A1 publication Critical patent/EP1882293A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H02K21/16—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having annular armature cores with salient poles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings

Definitions

  • the invention relates to an electric machine with a stator, which comprises a winding system with three winding strands, and with a Nutzpolpocress.
  • Synchronma ⁇ running electrical machine often comprises operating ⁇ times on a certain torque ripple.
  • various measures are known.
  • the DE is given 199 61 760 Al that special winding factors result in the slots of the stator arranged winding system and a skew of the slots to a Redu ⁇ cation of the torque ripple.
  • DE 101 14 014 A1 discloses a permanent-magnet induction machine whose stator has beveled slots for receiving the winding system.
  • the special Ausure ⁇ tion of the stator and the winding system leads to a substantial suppression of Nutrastens and the fifth harmonic.
  • each winding strand contains at least one group of coils
  • each coil group comprises an even number of electrically he in Rei ⁇ connected individual coils, in each case a one cause ⁇ zelmagnetfeld
  • two of the individual coils of a coil group are staggered so in a circumferential direction of the stator against one another in each case that the corresponding individual magnetic fields of having an electrical offset angle at the sixth harmonic of the pole pair number gegeneinan ⁇ equal to a is an odd multiple of 180 °.
  • a cause of the torque ripple is a fluctuation of the magnetic conductance caused by saturation phenomena.
  • locally limited regions can form in the stator, in which the magnetic material of the stator laminated core temporarily saturates.
  • the position of these saturation regions within the stator also changes.
  • the influence of these virtual teeth can be suppressed by providing mutual compensation of the peripheral regions with local saturation.
  • This is achieved by means of the winding system according to the invention and in this respect particularly advantageous.
  • the individual magnetic fields thus cancel each other out at the sixth harmonic and thus precisely in their due to the virtual teeth adverse effect on the torque, so that a total of a greatly improved torque behavior results in a reduced ripple.
  • Toothed coils are formed and in particular each enclose a tooth disposed between adjacent grooves. Tooth coils simplify the production of the electric machine considerably.
  • the stand for receiving the tooth coils may have grooves with side walls, wherein the side walls of the grooves, which are associated with a tooth coil, are parallel to each other.
  • the respective grooves and also the tooth surrounded by the toothed coil are thus formed parallel flanked.
  • the electric machine is a permanent-magnet machine in which a runner equipped with permanent magnets is provided. Permanent magnet machines, motors into ⁇ special permanent magnet synchronous machine as Synchronmo-, today are often mass-produced, which is a small
  • the space-saving tooth coils preferably used take the bill.
  • the achievable low torque ripple offers a cost advantage that has particular relevance for mass products.
  • the stator for receiving the individual coils has a total of twenty-four slots.
  • a Nutzpolcruplast p N is provided in particular seven. This calculates a Rastpolcruress p R according to:
  • the Rastpolschreibiere p R describes a caused by reluctance forces between the permanent magnet of Läu ⁇ fers and teeth of the stator Nutrasten.
  • the Rastpolschreibiere p R of 168 leads to a Oberfeldanteil with a very high order. Consequently, this Oberfeldanteil already heavily attenuated, and the associated Nutrasten falls practically negligible. Separate suppression measures, such as a skew in the stand and / or in the runner, are therefore not required. This has a favorable effect on the production costs.
  • the coil groups of each of the Wicklungssträn ⁇ ge electrically connected in series. This is favorable for e lectric machines out for a low speed ⁇ sets are.
  • the coil groups of each of the winding strands are electrically connected in parallel. This is favorable for electric machines which are designed for a high speed. Also favorable is a variant in which a rotor designed as an external rotor or as an internal rotor is provided.
  • the favorable winding system described above can be used in both embodiments with the advantages mentioned.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an electrical machine with parallel-sided stator slots in cross-sectional illustration
  • FIG. 2 shows an enlarged detail of a stator slot of the electric machine of FIG. 1 equipped with a toothed coil
  • FIG. 3 shows a first exemplary embodiment of a winding diagram of the electric machine of FIG. 1 and FIG
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a winding diagram of the electric machine of FIG. 1
  • an embodiment of an electric Ma ⁇ machine 1 is shown in cross-sectional view. It is designed as per ⁇ manenterregter synchronous motor and includes a stator 2 and a rotor 3, which is mounted around a rotation axis 4 rotatable ⁇ bar.
  • the rotor 3 is an internal rotor, which is provided in the exemplary embodiment with a total of fourteen permanent magnets 5, so that there is a Nutzpolzipiere p N of Sie ⁇ ben.
  • the stator 2 contains on its inner wall facing the rotor 3 several, in the embodiment of FIG.
  • each of the toothed coils 11 surrounds one of the parallel-sided teeth 7.
  • the two adjacent grooves 6 and the enclosed tooth 7 each have parallel side walls, so that the prefabricated toothed coil 11 easily fits into the laminated core of the stand 2 can be used.
  • This he ⁇ facilitates the production of the electric machine 1 considerably.
  • such a high groove filling can be achieved, and the electric machine 1 can be realized very compact and with low material costs.
  • the tooth coils 11 are single-layered.
  • the electrical conductor ⁇ rule 9 of the respective tooth coil windings fill the grooves 6, in which they are laid, substantially completely.
  • FIGS. 3 and 4 Details of the winding system 10 can be taken from the two simplified winding schemes according to FIGS. 3 and 4.
  • two embodiments of a coil system 12 or 13, which generally prepared according to the same principle ⁇ builds are, however, contain a different interconnection in the region of a winding head fourteenth
  • an area for a winding head 14 and 15 is provided in the axial direction, ie in the direction of the axis of rotation 4, on both end sides of the actual active part of the stator 2. While diverted only the conductor 9 of the tooth coil windings in the area of the winding head 15 ⁇ to, occurs in the region of the winding head 14 and a electrical interconnection see the tooth coils. 11
  • the individual coils forming tooth coils 11 are in the two embodiments to a total of six coil groups 16 to 21, of which two are assigned to one of three winding strands 22 to 24, respectively.
  • the two to one of the coil groups 16 are arranged to 21 combined tooth coils 11 in the circumferential direction next to one another and on the other offset by an angle at circumference ⁇ m ech of 30 ° gegenein ⁇ . They are also electrically connected in series, wherein both tooth coils 11 are gewi ⁇ ckelt in opposite directions.
  • the coil groups 16 and 17, 18 and 19 or 20 and 21 assigned to one of the winding phases 22 to 24 are electrically connected in series, whereas they are electrically connected in parallel in the winding system 13 according to FIG.
  • the first winding strand 22 is shown with a solid line, the second winding strand 23 with dashed lines and the third winding strand 24 with dash-dotted lines.
  • the first winding strand 22 contains the first coil group 16 with two toothed coils 11, whose conductors 9 extend in the first and second or in the third and fourth groove 6, and the second coil group 17 with two toothed coils 11, the Lei ⁇ ter 9 in the thirteenth and fourteenth or run in the five ⁇ tenth and sixteenth groove 6.
  • the second winding strand 23 contains the third coil group 18 with two toothed coils 11, the conductors 9 of which run in the ninth and tenth and eleventh and twelfth grooves 6, and the fourth coil group 19 with two toothed coils 11, whose conductors 9 in the twenty-first and twenty-second resp Twenty-third and Twenty-fourth Grove 6 are
  • the third winding strand 24 contains the fifth coil group 20 with two toothed coils 11, whose conductors 9 in the seventeen ten and eighteenth or in the nineteenth and twentieth groove 6, and the sixth coil group 21 with two tooth coils 11, whose conductors 9 in the fifth and sixth and in the seventh and eighth groove 6 run.
  • Each of the winding strands 22 to 24 includes pairs of toothed coils 11 which are offset from each other by half a circumferential turn.
  • these are, for example, the two toothed coils 11, whose conductors 9 run in the first and second or in the thirteenth and fourteenth grooves 6.
  • the two tooth coils 11 such Paa ⁇ re are each wound in opposite directions to prevent mutual compensation of the individual magnetic fields generated by two tooth coils 11 at the Nutzpolzipiere p N.
  • the electric machine 1 may have an un ⁇ desired torque ripple, come for the different causes in question.
  • reluctance forces between the permanent magnets 5 and the teeth 7 and 8 cause a cogging with a Rastpolfunction uncomfortable p R.
  • the latter is determined by the Nutzpolpressiere p N and the number N of the grooves 6 in the stator 2.
  • p N has a value of seven and N a value of twenty-four.
  • the Rastpolfunctioniere p R assumes a high value of 168, so that the associated Feldan ⁇ part is strongly attenuated and the cogging can be virtually ruled out as the cause of the torque ripple.
  • the special winding systems 12 and 13 largely suppress the formation of the saturation regions and thus of the virtual teeth, resulting in a very low torque ripple.
  • the tooth coils 11 each generate a single magnetic field.
  • ⁇ on the circumferentially offset arrangement fundamentally have the individual magnetic fields of the one of the coil groups 16 to 21 associated with tooth coils 11 an electrical offset angle ⁇ e i on.
  • the latter is at the decisive for the influence of the virtual teeth sixth harmonic Nutzpolzipress p N equal to an odd multiple of 180 °, so that cancel these individual magnetic fields at the sixth harmonic each other.
  • the Einzelmag- have netfelder in the sixth harmonic of the pole pair number p N an electrical offset angle ⁇ e i of an odd-numbered ⁇ gen multiple of 180 °.
  • this condition is to be met with coil groups having an even number of individual coils.
  • the electric machine 1 offers the option of using tooth coils 11 from a manufacturing point of view. It can be dispensed with otherwise customary costly measures such as skewing or staggering of the grooves 6 or the Perma ⁇ nentmagnete 5. Nevertheless, results due to the favorable properties of the winding system 10, 12 or 13, a very low torque ripple. In particular, the winding system suppresses 10, so that they do not contribute to Drehmo ⁇ mentwelltechnik afford 12 or 13 the influence of the virtual teeth.

Abstract

Die elektrische Maschine (1) hat einen Ständer (2), der ein Wicklungssystem (10) mit drei Wicklungssträngen umfasst, und eine Nutzpolpaarzahl. Jeder Wicklungsstrang enthält mindestens eine Spulengruppe. Jede Spulengruppe enthält eine gerade Anzahl an elektrisch in Reihe geschalteter Einzelspulen (11), die jeweils ein Einzelmagnetfeld hervorrufen. Jeweils zwei der Einzelspulen (11) einer Spulengruppe sind so in einer Umfangsrichtung des Ständers (2) gegeneinander versetzt angeordnet, dass die zugehörigen Einzelmagnetfelder bei der sechsten Oberwelle der Nutzpolpaarzahl gegeneinander einen elektrischen Versatzwinkel aufweisen, der gleich einem unge- radzahligen Vielfachen von 180° ist.

Description

Elektrische Maschine mit einem Wicklungssystem mit Spulen¬ gruppen
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer, der ein Wicklungssystem mit drei Wicklungssträngen umfasst, und mit einer Nutzpolpaarzahl.
Eine derartige, insbesondere als permanenterregte Synchronma¬ schine ausgeführte elektrische Maschine weist im Betrieb oft¬ mals eine gewisse Drehmomentwelligkeit auf. Zur Reduzierung dieser Drehmomentwelligkeit sind verschiedene Maßnahmen bekannt .
So ist der DE 199 61 760 Al zu entnehmen, dass spezielle Wicklungsfaktoren des in Nuten des Ständers angeordneten Wicklungssystems und eine Schrägung der Nuten zu einer Redu¬ zierung der Drehmomentwelligkeit führen.
Weiterhin ist aus der DE 101 14 014 Al eine permanenterregte Drehfeldmaschine bekannt, deren Ständer geschrägte Nuten zur Aufnahme des Wicklungssystems aufweist. Die spezielle Ausfüh¬ rung des Ständers und des Wicklungssystems führt zu einer weitgehenden Unterdrückung des Nutrastens und der fünften Oberwelle .
Trotz dieser bekannten Maßnahmen besteht ein Bedarf zur weiteren Reduzierung der Drehmomentwelligkeit. Dies gilt insbe- sondere dann, wenn die elektrische Maschine sehr kostengüns¬ tig herzustellen sein soll.
Die Aufgabe der Erfindung liegt deshalb darin, eine elektri¬ sche Maschine der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die ein weiter verbessertes Drehmomentverhalten mit möglichst niedriger Welligkeit aufweist . Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist dadurch gekennzeichnet dass, a) jeder Wicklungsstrang mindestens eine Spulengruppe ent- hält, b) jede Spulengruppe eine gerade Anzahl an elektrisch in Rei¬ he geschalteter Einzelspulen enthält, die jeweils ein Ein¬ zelmagnetfeld hervorrufen, und c) jeweils zwei der Einzelspulen einer Spulengruppe so in ei- ner Umfangsrichtung des Ständers gegeneinander versetzt angeordnet sind, dass die zugehörigen Einzelmagnetfelder bei der sechsten Oberwelle der Nutzpolpaarzahl gegeneinan¬ der einen elektrischen Versatzwinkel aufweisen, der gleich einem ungeradzahligen Vielfachen von 180° ist.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass eine Ursache der Drehmomentwelligkeit eine durch Sättigungserscheinungen hervorgerufene Schwankung des magnetischen Leitwerts ist. Je nach aktueller Drehstromeinprägung in das Wicklungssystem des Ständers können sich im Ständer örtlich begrenzte Bereiche ausbilden, in denen das magnetische Material des Ständer- Blechpakets vorübergehend in Sättigung geht. Entsprechend der zeitlich sich ändernden Drehstromeinprägung ändert sich auch die Position dieser Sättigungsbereiche innerhalb des Stän- ders.
Insbesondere anhand der einfachsten Ausführungsform einer dreiphasigen Synchronmaschine, die zwei Pole und ein in insgesamt sechs Ständer-Nuten angeordnetes dreisträngiges Wick- lungssystem umfasst, lässt sich veranschaulichen, dass jede Strombelag-Konstellation der Drehstromeinprägung insgesamt sechsmal pro Umfang auftaucht. Die genannten Sättigungseffek¬ te führen deshalb zu einer Drehmomentwelligkeit mit der sechsten Oberwelle. Der Einfluss dieser Sättigungseffekte lässt sich erfassen, indem dem Ständer zusätzliche virtuelle Zähne zugewiesen werden. Bei der genannten zweipoligen Drehstrom-Synchronmaschine wären zwei zusätzliche virtuelle Zähne vorzusehen, die fiktiv in gleichmäßigem Abstand über den Umfang des Ständers verteilt angeordnet sind.
Erfindungsgemäß lässt sich der Einfluss dieser virtuellen Zähne unterdrücken, indem eine wechselseitige Kompensation der umlaufenden Bereiche mit lokaler Sättigung vorgesehen wird. Dies wird mittels des erfindungsgemäßen und diesbezüglich besonders vorteilhaften Wicklungssystems erreicht. Die von den beiden Einzelspulen erzeugten Einzelmagnetfeldern ha- ben bei der Nutzpolpaarzahl einen elektrischen Versatzwinkel (= Phasenverschiebung) von einem ungeradzahligen Vielfachen von 30° und bei der sechsten Oberwelle der Nutzpolpaarzahl einen elektrischen Versatzwinkel von einem ungeradzahligen Vielfachen von 180°. Die Einzelmagnetfelder heben sich also bei der sechsten Oberwelle und damit gerade in ihrer durch die virtuellen Zähne bedingten nachteiligen Wirkung auf das Drehmoment gegenseitig auf, so dass insgesamt ein stark verbessertes Drehmomentverhalten mit einer verringerten Welligkeit resultiert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektri¬ schen Maschine ergeben sich aus den Merkmalen der von An¬ spruch 1 abhängigen Ansprüche.
Günstig ist eine Variante, bei der die Einzelspulen als
Zahnspulen ausgebildet sind und insbesondere jeweils einen zwischen benachbarten Nuten angeordneten Zahn umschließen. Zahnspulen vereinfachen die Herstellung der elektrischen Maschine erheblich.
Weiterhin kann der Ständer zur Aufnahme der Zahnspulen Nuten mit Seitenwänden aufweisen, wobei die Seitenwände der Nuten, die einer Zahnspule zugeordnet sind, parallel zueinander sind. Die jeweiligen Nuten und auch der von der Zahnspule um- schlossene Zahn sind also parallelflankig ausgebildet. Dies vereinfacht die Fertigung weiter. Dann lassen sich vorgefertigte und deshalb sehr kostengünstige Zahnspulen problemlos in den Ständer einsetzen. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine eine permanenterregte Maschine, bei der ein mit Permanentmagneten ausgestatteter Läufer vorgesehen ist. Permanenterregte Maschinen, ins¬ besondere permanenterregte Synchronmaschinen wie Synchronmo- toren, sind heute oftmals Massenprodukte, die eine kleine
Baugröße haben. Die vorzugsweise eingesetzten platzsparenden Zahnspulen tragen dem Rechnung. Die darüber hinaus erzielbare niedrige Drehmomentwelligkeit bietet einen Kostenvorteil, der gerade bei Massenprodukten besondere Relevanz hat.
Gemäß einer anderen Variante weist der Ständer zur Aufnahme der Einzelspulen insgesamt vierundzwanzig Nuten auf. Außerdem ist eine Nutzpolpaarzahl pN von insbesondere sieben vorgesehen. Damit errechnet sich eine Rastpolpaarzahl pR gemäß:
pR=kqv(N,2-pN)
zu 168, wobei kgV für das kleinste gemeinsame Vielfache und N für eine Nutanzahl steht. Die Rastpolpaarzahl pR beschreibt ein durch Reluktanzkräfte zwischen Permanentmagneten des Läu¬ fers und Zähnen des Ständers verursachtes Nutrasten. Die Rastpolpaarzahl pR von 168 führt zu einem Oberfeldanteil mit einer sehr hohen Ordnung. Folglich ist dieser Oberfeldanteil bereits stark gedämpft, und das zugehörige Nutrasten fällt praktisch kaum ins Gewicht. Gesonderte Unterdrückungsmaßnahmen, wie beispielsweise eine Schrägung im Ständer und/oder im Läufer, sind damit nicht erforderlich. Dies wirkt sich günstig auf die Herstellungskosten aus.
Vorzugsweise sind die Spulengruppen jedes der Wicklungssträn¬ ge elektrisch in Reihe geschaltet. Dies ist günstig für e- lektrische Maschinen, die für eine niedrige Drehzahl ausge¬ legt sind.
Bei einer weiteren Ausgestaltung sind die Spulengruppen jedes der Wicklungsstränge elektrisch parallel geschaltet. Dies ist günstig für elektrische Maschinen, die für eine hohe Drehzahl ausgelegt sind. Günstig ist weiterhin eine Variante, bei der ein als Außenläufer oder als Innenläufer ausgebildeter Läufer vorgesehen ist. Das vorstehend beschriebene günstige Wicklungssystem kann bei beiden Ausführungsformen mit den genannten Vorteilen eingesetzt werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung er¬ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh¬ rungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
FIG 1 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit parallelflankigen Ständer-Nuten in Querschnittsdarstel¬ lung,
FIG 2 eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung einer mit einer Zahnspule bestückten Ständer-Nut der elektrischen Maschine von FIG 1, FIG 3 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Wicklungsschema der elektrischen Maschine von FIG 1 und
FIG 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für ein Wicklungsschema der elektrischen Maschine von FIG 1.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In FIG 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Ma¬ schine 1 in Querschnittsdarstellung gezeigt. Sie ist als per¬ manenterregter Synchronmotor ausgebildet und enthält einen Ständer 2 sowie einen Läufer 3, der um eine Drehachse 4 dreh¬ bar gelagert ist. Der Läufer 3 ist ein Innenläufer, der im Ausführungsbeispiel mit insgesamt vierzehn Permanentmagneten 5 versehen ist, so dass sich eine Nutzpolpaarzahl pN von sie¬ ben ergibt. Der Ständer 2 enthält an seiner dem Läufer 3 zugewandten inneren Wandung mehrere, im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 insgesamt vierundzwanzig, gleichmäßig über den Umfang verteilte Nuten 6, zwischen denen jeweils ein parallelflanki- ger Zahn 7 oder ein nicht-parallelflankiger Zahn 8 angeordnet ist. In Umfangsrichtung wechseln sich die Zähne 7 und 8 ab. Sie sind durch ein außen umlaufendes Joch miteinander verbun- den. Innerhalb der Nuten 6 verlaufen elektrische Leiter 9 ei¬ nes dreisträngigen Wicklungssystems 10. Das Wicklungssystem 10 ist mittels Zahnspulen 11 realisiert, von denen aus Gründen einer besseren Übersichtlichkeit in der Querschnittsdar- Stellung gemäß Fig. 1 nur zwei eingetragen sind.
Wie aus der vergrößerten Ausschnittsdarstellung gemäß FIG 2 ersichtlich, umschließt jede der Zahnspulen 11 einen der pa- rallelflankigen Zähne 7. Die beiden angrenzenden Nuten 6 und der umschlossene Zahn 7 weisen jeweils parallele Seitenwände auf, so dass sich die vorgefertigte Zahnspule 11 problemlos in das Blechpaket des Ständers 2 einsetzen lässt. Dies er¬ leichtert die Herstellung der elektrischen Maschine 1 erheblich. Außerdem lässt sich so eine hohe Nutfüllung erreichen, und die elektrische Maschine 1 kann sehr kompakt sowie mit geringem Materialaufwand realisiert werden.
Die Zahnspulen 11 sind einschichtig ausgebildet. Die elektri¬ schen Leiter 9 der jeweiligen Zahnspulenwindungen füllen die Nuten 6, in denen sie verlegt sind, im Wesentlichen vollständig aus .
Details des Wicklungssystems 10 sind den beiden vereinfachten Wicklungsschemata gemäß FIG 3 und 4 zu entnehmen. Dargestellt sind zwei Ausführungsbeispiele für ein Wicklungssystem 12 bzw. 13, die grundsätzlich nach dem gleichen Prinzip aufge¬ baut sind, aber eine unterschiedliche Verschaltung im Bereich eines Wickelkopfs 14 enthalten. Wie in den FIG 3 und 4 angedeutet ist in axialer Richtung, also in Richtung der Drehach- se 4, auf beiden Stirnseiten des eigentlichen aktiven Teils des Ständers 2 jeweils ein Bereich für einen Wickelkopf 14 und 15 vorgesehen. Während im Bereich des Wickelkopfs 15 lediglich die Leiter 9 der Zahnspulenwindungen umgelenkt wer¬ den, erfolgt im Bereich des Wickelkopfs 14 auch eine elektri- sehe Zusammenschaltung der Zahnspulen 11.
Die Einzelspulen bildenden Zahnspulen 11 sind in den beiden Ausführungsbeispielen zu insgesamt sechs Spulengruppen 16 bis 21 zusammengefasst , von denen jeweils zwei einem von drei Wicklungssträngen 22 bis 24 zugeordnet sind. In den Ausführungsbeispielen sind die beiden zu einer der Spulengruppen 16 bis 21 zusammengefassten Zahnspulen 11 in Umfangsrichtung ne- beneinander und um einen Umfangswinkel φmech von 30° gegenein¬ ander versetzt angeordnet. Sie sind außerdem elektrisch in Reihe geschaltet, wobei beide Zahnspulen 11 gegenläufig gewi¬ ckelt sind.
Beim Wicklungssystem 12 gemäß FIG 3 sind die einem der Wicklungsstränge 22 bis 24 zugeordneten Spulengruppen 16 und 17, 18 und 19 bzw. 20 und 21 elektrisch in Reihe geschaltet, wohingegen sie beim Wicklungssystem 13 gemäß FIG 4 elektrisch parallel geschaltet sind. Der erste Wicklungsstrang 22 ist mit durchgezogener Linienführung, der zweite Wicklungsstrang 23 mit gestrichelter Linienführung und der dritte Wicklungsstrang 24 mit strichpunktierter Linienführung dargestellt.
Unter Berücksichtigung der in FIG 3 und 4 zusätzlich einge- tragenen durchgehenden Nummerierung der Nuten 6 ergibt sich für das Wicklungssystem 12 bzw. 13 folgender Aufbau:
Der erste Wicklungsstrang 22 enthält die erste Spulengruppe 16 mit zwei Zahnspulen 11, deren Leiter 9 in der ersten und zweiten bzw. in der dritten und vierten Nut 6 verlaufen, und die zweite Spulengruppe 17 mit zwei Zahnspulen 11, deren Lei¬ ter 9 in der dreizehnten und vierzehnten bzw. in der fünf¬ zehnten und sechzehnten Nut 6 verlaufen.
Der zweite Wicklungsstrang 23 enthält die dritte Spulengruppe 18 mit zwei Zahnspulen 11, deren Leiter 9 in der neunten und zehnten bzw. elften und zwölften Nut 6 verlaufen, und die vierte Spulengruppe 19 mit zwei Zahnspulen 11, deren Leiter 9 in der einundzwanzigsten und zweiundzwanzigsten bzw. dreiund- zwanzigsten und vierundzwanzigsten Nut 6 verlaufen.
Der dritte Wicklungsstrang 24 enthält die fünfte Spulengruppe 20 mit zwei Zahnspulen 11, deren Leiter 9 in der siebenzehn- ten und achtzehnten bzw. in der neunzehnten und zwanzigsten Nut 6 verlaufen, und die sechste Spulengruppe 21 mit zwei Zahnspulen 11, deren Leiter 9 in der fünften und sechsten bzw. in der siebenten und achten Nut 6 verlaufen.
Jeder der Wicklungsstränge 22 bis 24 enthält Paare von Zahnspulen 11, die eine halbe Umfangsdrehung versetzt gegeneinander angeordnet sind. Im Wicklungsstrang 22 sind dies beispielsweise die beiden Zahnspulen 11, deren Leiter 9 in der ersten und zweiten bzw. in der dreizehnten und vierzehnten Nut 6 verlaufen. Die beiden Zahnspulen 11 derartiger Paa¬ re sind jeweils gegenläufig gewickelt, um eine wechselseitige Kompensation der von beiden Zahnspulen 11 erzeugten Einzelmagnetfelder bei der Nutzpolpaarzahl pN zu verhindern.
Im Folgenden wird die Wirkungsweise der elektrischen Maschine 1 und vor allem auch der besonders vorteilhaften Wicklungssysteme 12 und 13 beschrieben.
Während des Betriebs kann die elektrische Maschine 1 eine un¬ erwünschte Drehmomentwelligkeit aufweisen, für die verschiedene Ursachen in Frage kommen.
Zum einen verursachen Reluktanzkräfte zwischen den Permanent- magneten 5 und den Zähnen 7 bzw. 8 ein Nutrasten mit einer Rastpolpaarzahl pR . Letztere wird durch die Nutzpolpaarzahl pN und die Anzahl N der Nuten 6 im Ständer 2 bestimmt. Im Ausführungsbeispiel hat pN einen Wert von sieben und N einen Wert von vierundzwanzig. Damit nimmt die Rastpolpaarzahl pR einen hohen Wert von 168 an, so dass der zugehörige Feldan¬ teil stark gedämpft ist und das Nutrasten als Ursache für die Drehmomentwelligkeit praktisch ausgeschlossen werden kann.
Neben dem Nutrasten existiert eine weitere Ursache für die unerwünschte Drehmomentwelligkeit. Es handelt sich um zeit¬ lich und örtlich variable Sättigungserscheinungen im Ständer 2, die lokal eng begrenzt auftreten, von der Stromeinprägung in das Wicklungssystem 10, 12, bzw. 13 abhängen und in Um- fangsrichtung mit umlaufen können. Diese Sättigungserscheinungen verursachen Schwankungen des magnetischen Leitwerts und führen zu einer Drehmomentwelligkeit bei der sechsten Oberwelle der Nutzpolpaarzahl pN. Der Sättigungseinfluss lässt sich durch die fiktive Einführung zusätzlicher virtuel¬ ler Zähne im Ständer 2 beschreiben.
Die speziellen Wicklungssysteme 12 und 13 unterdrücken die Ausbildung der Sättigungsbereiche und damit der virtuellen Zähne weitestgehend, so dass eine sehr niedrige Drehmomentwelligkeit resultiert.
Die Zahnspulen 11 erzeugen jeweils ein Einzelmagnetfeld. Auf¬ grund der in Umfangsrichtung versetzten Anordnung weisen die Einzelmagnetfelder der einer der Spulengruppen 16 bis 21 zugeordneten Zahnspulen 11 einen elektrischen Versatzwinkel φei auf. Letzterer ist bei der für den Einfluss der virtuellen Zähne maßgeblichen sechsten Oberwelle der Nutzpolpaarzahl pN gleich einem ungeradzahligen Vielfachen von 180°, so dass sich diese Einzelmagnetfelder bei der sechsten Oberwelle gegenseitig aufheben.
Die für die sechste Oberwelle zu erfüllende Bedingung lautet also :
Sie ist im Ausführungsbeispiel mit pN = 7 und φmech = 30° er¬ füllt.
Aufgrund der vorteilhaften Ausgestaltung der Wicklungssysteme 12 und 13 entfällt somit der ungünstige Einfluss der virtuel¬ len Zähne auf die Drehmomentwelligkeit der elektrischen Ma¬ schine 1.
Das vorstehend am konkreten Beispiel für N = 24 und pN = 7 beschriebene Funktionsprinzip ist nicht auf diesen Anwen¬ dungsfall beschränkt. Es lässt sich verallgemeinern. So ist eine Vervielfachung der Nutanzahl N leicht möglich. Bei einer Verdoppelung können pro Wicklungsstrang vier Spulengruppen mit jeweils zwei Zahnspulen oder zwei Spulengruppen mit jeweils vier Zahnspulen vorgesehen sein.
Wichtig ist, dass zu jeder Einzelspule eine korrespondierende andere Einzelspule vorgesehen ist, deren jeweilige Einzelmag¬ netfelder sich bei der sechsten Oberwelle der Nutzpolpaarzahl pN gegenseitig aufheben. Insbesondere weisen die Einzelmag- netfelder bei der sechsten Oberwelle der Nutzpolpaarzahl pN einen elektrischen Versatzwinkel φei von einem ungeradzahli¬ gen Vielfachen von 180° auf. Vorzugsweise ist diese Bedingung mit Spulengruppen zu erfüllen, die eine gerade Anzahl an Einzelspulen haben.
Andere, insbesondere ungeradzahlige Nutzpolpaarzahlen pN las¬ sen sich beispielsweise mittels der Anzahl der auf dem Läufer 3 vorgesehenen Permanentmagnete 5 einstellen.
Insgesamt bietet die elektrische Maschine 1 die unter Fertigungsgesichtspunkten günstige Möglichkeit, Zahnspulen 11 einzusetzen. Es kann auf ansonsten übliche kostspielige Maßnahmen wie Schrägung oder Staffelung der Nuten 6 oder der Perma¬ nentmagnete 5 verzichtet werden. Trotzdem resultiert aufgrund der günstigen Eigenschaften des Wicklungssystems 10, 12 oder 13 eine sehr niedrige Drehmomentwelligkeit . Insbesondere unterdrückt das Wicklungssystem 10, 12 oder 13 den Einfluss der virtuellen Zähne, so dass diese keinen Beitrag zur Drehmo¬ mentwelligkeit leisten.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine mit einem Ständer (2), der ein Wicklungssystem (10; 12; 13) mit drei Wicklungssträngen (22-24) umfasst, und mit einer Nutzpolpaarzahl (pN) dadurch gekennzeichnet, dass a) jeder Wicklungsstrang (22-24) mindestens eine Spulengruppe (16-21) enthält, b) jede Spulengruppe (16-21) eine gerade Anzahl an elektrisch in Reihe geschalteter Einzelspulen (11) enthält, die jeweils ein Einzelmagnetfeld hervorrufen, und c) jeweils zwei der Einzelspulen (11) einer Spulengruppe (16 - 21) so in einer Umfangsrichtung des Ständers (2) gegeneinander versetzt angeordnet sind, dass die zugehörigen Einzelmagnetfelder bei der sechsten Oberwelle der Nutzpolpaarzahl (pN) gegeneinander einen elektrischen Versatzwin¬ kel (φei) aufweisen, der gleich einem ungeradzahligen Vielfachen von 180° ist.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Einzelspulen als Zahnspulen (11) ausgebildet sind.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Ständer (2) zur Aufnahme der Zahnspulen (11) Nuten (6) mit Seitenwänden aufweist, wobei die Seitenwände der Nuten (6), die einer Zahnspule (11) zuge¬ ordnet sind, parallel zueinander sind.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass ein Läufer (3) mit Permanentmagneten (5) vorgesehen ist.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Ständer (2) zur Aufnahme der Einzelspulen (11) insgesamt vierundzwanzig Nuten (6) auf¬ weist, und die Nutzpolpaarzahl (pN) den Wert sieben annimmt.
6. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Spulengruppen (16-21) jedes der Wicklungsstränge (22-24) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
7. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Spulengruppen (16-21) jedes der Wicklungsstränge (22-24) elektrisch parallel geschaltet sind.
8. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, dass ein als Außenläufer oder als Innen¬ läufer ausgebildeter Läufer (3) vorgesehen ist.
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