EP2601726A2 - Winding tooth and component for an electrical machine for reducing eddy currents - Google Patents

Winding tooth and component for an electrical machine for reducing eddy currents

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Publication number
EP2601726A2
EP2601726A2 EP11726134.7A EP11726134A EP2601726A2 EP 2601726 A2 EP2601726 A2 EP 2601726A2 EP 11726134 A EP11726134 A EP 11726134A EP 2601726 A2 EP2601726 A2 EP 2601726A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tooth
winding
rotor
stator
grooves
Prior art date
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Ceased
Application number
EP11726134.7A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Steven Andrew Evans
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2601726A2 publication Critical patent/EP2601726A2/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • H02K1/08—Salient poles
    • 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
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    • 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
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/24—Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/42—Means for preventing or reducing eddy-current losses in the winding heads, e.g. by shielding

Definitions

  • the present invention relates to a winding tooth of a component for an electrical machine, in particular a winding tooth constructed of laminations.
  • Electrical machines typically include a stator and a rotor moving relative to the stator. Both the stator and the rotor may carry coils wound with winding coils into which an alternating current is impressed during operation of the electrical machine to produce a changing magnetic field.
  • the magnetic field thus generated passes through the stator or the rotor tooth in the direction of the rotor or the stator, wherein the course of the magnetic field lines of the magnetic field and thus the type of magnetic field change is determined by the shaping of an outer contour of a tooth head located on the tooth.
  • Winding teeth for components for electrical machines are typically constructed with laminations to suppress eddy currents generated by the alternating magnetic field in the tooth.
  • the stacking direction of the lamination sheets for constructing the components corresponds to a direction that is perpendicular to the direction of a winding axis of the wrapped Tooth and is substantially perpendicular to the relative direction of movement between the rotor and the stator. Particularly in the case of rotary motors, this stacking direction corresponds to an axial direction.
  • edge fields that do not extend straight between the tooth tip and the rotor or stator, but are arched outwards in the stacking direction and thereby have a magnetic field component in the stacking direction. Due to this change of direction of the magnetic field toward the end regions of the tooth in the transverse direction, there exists a magnetic field component which generates an eddy current in the plane of the lamination plates.
  • eddy currents generated by the edge magnetic fields have a frequency that is related to the rotor speed, i. to the speed and the number of poles of the electric machine, is proportional. Eddy currents generally generate losses, thus reducing the efficiency of the electric machine and may cause local heating of the tooth tips in the end portions of the component tooth in the stacking direction. Furthermore, eddy currents generated in a rotor can cause a braking torque that reduces the drive torque and must be compensated for by increasing the motor current in the electric machine.
  • a winding tooth for a component of an electrical machine in particular for a stator and / or a rotor, is provided.
  • the winding tooth comprises:
  • a tooth head which is arranged at one end of the toothed shaft with respect to a winding axis.
  • At least one end portion of the winding tooth is provided with one or more grooves extending along the winding axis through the tooth tip, the end portion corresponding to a portion at one or both ends of the winding tooth along a transverse direction substantially perpendicular to the winding axis.
  • An idea of the above winding tooth is to groop it in end portions with respect to a transverse direction (stacking direction) perpendicular to the winding axis of the winding tooth and preferably perpendicular to a moving direction of relative movement between a rotor and a stator of the electric machine at these end portions to suppress the generation of eddy currents by magnetic field components extending in the transverse direction. Thereby, the eddy currents occurring there can be reduced, whereby the efficiency of the electric machine can be increased and the generation of heat in the end portions can be reduced.
  • the one or more grooves may extend along the winding axis through a portion of the toothed shaft, the length of the one or the plurality of grooves is equal to or less than half the length of the toothed shaft.
  • the winding tooth may be formed by stacking laminations in a stacking direction, the stacking direction corresponding to the transverse direction.
  • the winding tooth may be formed with one or more first laminations of a first geometry and with one or more second laminations of a second geometry, wherein the first laminations have one or more slots in the region forming the tooth tip and a part of the tooth shaft, such that the one or more grooves are formed by stacking the first and second laminations such that the first laminations are disposed in the one or more end portions of the winding tooth.
  • the one or more slots of the first laminations may terminate at an outer contour of the tooth tip opposite the toothed shaft or terminate shortly before reaching the outer contour, so that a web with a width of 0.5% to 10%, preferably 1% to 5%, the length of the winding tooth is formed.
  • the one or both end portions can occupy a portion of the length in the transverse direction of the winding tooth, which is between 0.5% and 10%, in particular between 1% and 10%, in particular between 1% and 5%.
  • the tooth head projects beyond the toothed shaft on at least one side in a direction of movement, wherein at least one of the grooves is angled and wherein a portion of the groove extending in the toothed shaft extends parallel to the winding axis of the winding tooth and / or wherein a portion of the groove extending in the tooth tip projects obliquely in the direction of the direction of movement from the winding axis of the winding tooth.
  • the grooves can run within the winding tooth in such a way that a region of the winding tooth is divided into several parts in the end section, wherein the parts of the winding tooth make up an identical surface area in the end section.
  • a component in particular a stator or a rotor for an electric machine, is provided with one or more of the above winding teeth.
  • an electric machine is provided with a stator and a rotor, wherein the stator and / or the rotor is formed as the above component and wherein the transverse direction is perpendicular to a direction of movement of a relative movement between the stator and the rotor.
  • FIG. 1 shows a cross section of a polyphase permanent magnet excited electric machine with internal rotor
  • Figure 2 is a sectional view through the electric machine of
  • Figure 3 is a schematic representation of the course of the magnetic edge flow in the cross-sectional plane shown in Figure 1 and the eddy currents generated thereby at ungrouted stator teeth.
  • Figure 4 is a schematic representation of the course of the magnetic edge flow in the cross-sectional plane shown in Figure 1 and the eddy currents generated thereby in grooved stator teeth.
  • Figure 5 is a schematic representation of the geometry of a first lamination plate for the construction of the stator tooth of Figure 4 in the end portion;
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the geometry of a second lamination plate for constructing a stator tooth of FIG. 4 in a middle section;
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a further geometry for a first lamination plate for constructing the edge region of a stator tooth
  • FIG. 8 shows a schematic cross-sectional view of a brush-commutated electric machine with internal rotor
  • Figure 9 is a sectional view in the plane B-B of the electrical
  • Figure 10 is a schematic representation of the course of the magnetic see edge flow in the cross-sectional plane shown in Figure 8 and the eddy currents generated thereby at ungrouted rotor teeth.
  • Figure 1 1 is a schematic representation of the course of the magnetic see edge flow in the cross-sectional plane shown in Figure 8 and the eddy currents generated in grooved rotor teeth.
  • Figure 12 is a schematic representation of the geometry of a first lamination plate for the construction of the end portion of the rotor tooth
  • Figure 13 is a schematic representation of the geometry of a second lamination plate for the construction of a central portion of the rotor tooth of Figure 1 1; and FIG. 14 shows a further geometry of a first lamination plate for
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional illustration of a three-phase brushless permanent-magnet-excited electric machine with internal rotor as an example for an electrical machine 1.
  • the electric machine 1 comprises a cylindrical stator 2 with inwardly directed stator teeth 3.
  • the stator 2 comprises twelve stator teeth 3, each with a
  • Statorspule 4 are wound as a winding coil.
  • the stator coils 4 are interconnected according to a known scheme for a three-phase electrical machine.
  • tooth heads 5 are provided, each having a toothed shaft opposite outer contour.
  • the outer contours of the tooth heads 5 form an inner recess 6, which is substantially concentric with the cylindrical stator 2.
  • a rotor 7 is arranged as a rotor of the electric machine 1.
  • the rotor 7 has buried permanent magnets 8 arranged in pockets in this example.
  • the rotor 7 of the electric machine 1 shown by way of example in FIG. 1 comprises eight permanent magnets, each of which forms a rotor pole 9.
  • an air gap 10 is formed in which the magnetic fields generated by the permanent magnets 8 and the stator coils 4 energized during operation run.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view in the sectional view AA of the electric machine of FIG. 1. It can be seen the laminated structure of the rotor 7 and the stator 2, which are each constructed of stacked in a stacking direction A (axial direction) laminations. It can be seen that within the air gap 10 inside the axial course of the stator tooth 3 and the rotor pole 9, the magnetic field lines are substantially perpendicular to the outer contour of the tooth head 5 and the rotor pole 9. Only at the end sections E at the ends of the stator tooth 3 in the axial direction A does a magne- netic flow, which emerges from the side surfaces of the end portions E of the stator tooth 3 and the rotor pole 9.
  • the end portion provided with the grooves 14 is preferably constructed in a lamination structure of the stator 2 by a geometry of a lamination sheet, which is different from the geometry of the lamination sheets to construct a center portion of the stator.
  • FIG. 5 shows a first lamination plate 11 with a first sheet metal geometry for the production of the end sections of the stator teeth 3, while FIG. 6 shows a second lamination plate 12 with a second sheet geometry for a center section of the stator teeth 3.
  • the first lamination plate 1 1 slots 15 which are to form the grooves of the tooth tip 5.
  • the length of the end portions is for example between 0.5% and 5% of the total length of the stator tooth 3 in the stacking direction.
  • the length h N of the slots 15 with respect to the length h Za hn of the stator tooth 3 in the axial direction A is small and is not more than preferably 0.5 to 5%, in particular 1 to 2% of the length h Za of the stator tooth 3.
  • the number and shape of the grooves 14 arranged in a tooth head 5 is essentially arbitrary. Already a slot 15 or the groove 14 formed thereby in the stator tooth is sufficient to produce a noticeable effect for the reduction of the
  • the slots 15 are selected to form grooves 14 which divide the tooth tip 5 and a portion of the adjoining stator tooth 3 into sections having substantially equal size surfaces.
  • the number of grooves 14 extending substantially along the winding axis of the stator tooth 3 is two, but other numbers of grooves 14 may be provided. Since the eddy currents form exclusively in the region of the air gap 10, it is not necessary to provide the grooves along the entire extent of the stator tooth 3. However, a part of the magnetic flux as a magnetic edge flux also emerges from the side surface of the tooth shaft, so that besides the tooth tip, a portion of the stator tooth 3 adjoining the tooth tip should also be provided with the grooves 14 in the end portions.
  • the slots 15 in the first laminations 1 1 of the first sheet geometry are, for example, by punching or cutting, z.
  • punching generated so that their width results from the manufacturing process used.
  • the width of the grooves 14 perpendicular to their direction of extension is not crucial for the reduction of the eddy currents, but only the presence of an interruption of the power line of the laminations, so that eddy currents can not propagate across the grooves 14 away.
  • punching it is useful to choose the width of the groove 14 between 1 and 2 mm in order to ensure a sufficient life of the punching tool. In laser cutting, however, widths of the grooves 14 of 0.5 mm can be achieved.
  • the course of the grooves 14 in the toothed shaft of the stator tooth 5 is selected so that the distances between them or between them and the nearest edge of the first lamination plate 1 1 of the first sheet metal geometry are as equal as possible.
  • This can be achieved, for example, in that the widths w 1 to w 3 of the stator tooth sections 16 formed by the grooves 14 within the stator tooth 3 are the same.
  • Stator leopardteilabête 16 different widths can be used.
  • the tooth head 5 is a broadening of the stator tooth 3, so that the distance between two grooves 14 within the tooth head 5 also widens.
  • the grooves 14 terminate at the outer contour of the tooth head 5 and divide so the outer contour of the tooth head 5 in sections, each having - in rotary electric machines - an identical angular range ⁇ , ⁇ 2 , ⁇ 3 . These angles can be different from each other.
  • the length of the grooves 14 preferably corresponds at least to the length of the tooth tip 5 in the extension direction of the stator tooth 3 and extends maximally to the middle of the stator tooth 3, so that the following applies:
  • first lamination plates 1 which have a slightly offset geometry. These are stacked on each other so that their grooves 14 are offset from one another, so as to form an end portion with a plurality of first lamination sheets 1 1, the grooves 14 are offset from each other.
  • Such an arrangement can be used when the grooves 14 in the end portion are relatively wide compared to the thickness of the stator tooth 3. This may be the case when the grooves 14 are punched with the punch, which can not be made thin enough due to life limitations.
  • FIG. 7 as a further embodiment, a variant of the first lamella plate 11 'for constructing the end sections of the stator tooth 3 is shown.
  • the slots 15 are not guided to the outer contour of the tooth head 5, but end shortly before, so that the grooves 14 thus formed do not reach the air gap 10. This increases the mechanical stability of the end sections in the toothed shoe area.
  • the ends of the slots 15 and the grooves 14 may have a distance of 0.5% to 10%, in particular 0.5 to 3% of the length of the stator tooth 3 from the outer contour of the tooth tip 5.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of an electrical machine 20.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a brush-commutated DC motor 20.
  • the DC motor 20 comprises a cylindrical stator 21 with stator magnets 22, which are arranged on an inner wall of the cylindrical stator 21 and form an inner recess 23, in which a rotor 24 is arranged rotatably around a rotor shaft 25.
  • the rotor 24 carries with rotor coils 30 wound rotor teeth 26, each projecting outwardly on the rotor 24 and at its outer end in each case one
  • Tooth head 27 having a corresponding outer contour.
  • the rotor coils 30 are electrically energized by a commutator (not shown).
  • the outer contour of the tooth heads 27 forms, with the outer contours of the stator magnets 22 facing the rotor 24, an air gap 28 in which a magnetic flux exists.
  • FIG. 9 shows a sectional view through the DC motor 20 of FIG. 8 along the plane B-B.
  • the magnetic field lines extend substantially in the radial direction between the stator magnet 22 and the tooth head 27.
  • At side surfaces of end portions of the rotor tooth 26 with respect to the axial extent of the rotor tooth 26 magnetic field lines in the axial direction from the rotor tooth 26 and from the tooth tip 27 and form an edge magnetic field 29.
  • the edge magnetic field 29 has due to the commutation and the rotational movement of the rotor 24 to a changing field strength, so that, as shown in more detail in Figure 10, in the end portions of the rotor tooth 26 eddy currents can be formed in a radial plane perpendicular to the axial direction.
  • FIG. 10 shows a sectional view along a radial plane perpendicular to the axial direction.
  • Figure 10 illustrates the course of the magnetic field lines at the end portion and the dashed line illustrates an eddy current loop of an eddy current generated by the magnetic field lines in the end portion.
  • first lamination plates 32 are provided with a first sheet metal geometry, as shown in FIG.
  • the first lamella plates 32 have slots 34 which, as in the case of the first lamella plate 11 of FIG. 5, penetrate the tooth head 27 and run in a section of the rotor tooth 26.
  • the length of the slots 34 is limited to half of the rotor tooth 26.
  • the slots 34 extend parallel to the direction of extension of the rotor tooth 26, d. H. parallel to the radial direction of the rotor teeth 26. In the region of the tooth head 27, the slots 34 extend away from one another in the direction of the outer contour of the rotor tooth 26, so that an angled structure is created for the slots 34.
  • FIG. 13 shows a second lamination plate 33 with a second sheet metal geometry.
  • the second louver sheet 33 serves to form by stacking a center portion of the rotor 24 provided between the end portions of the rotor 24.
  • FIG. 14 according to the embodiment of FIG. 7, a shape of the grooves 31 is shown in which the grooves do not extend to the outer contour of the rotor 24.
  • the grooves 31 terminate shortly before reaching the outer contour of the rotor 24, so that an increased mechanical stability is ensured.
  • a shape of the grooves 31 is shown in which the grooves do not extend to the outer contour of the rotor 24.
  • the grooves 31 terminate shortly before reaching the outer contour of the rotor 24, so that an increased mechanical stability is ensured.

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a winding tooth (3) for a component (2) of an electrical machine (1), in particular for a stator and/or a rotor, comprising: a tooth shaft for being wound with a winding coil (4); and a tooth head (5) which is arranged at one end of the tooth shaft with respect to a winding axis; wherein one or more slots (14) are provided at at least one end section of the winding tooth (3), said slots extending along the winding axis through the tooth head (5), wherein the end section corresponds to a region at one or both ends of the winding tooth (3) along a transverse direction which runs substantially perpendicular to the winding axis.

Description

Beschreibung  description
Titel title
Wicklunqszahn und Komponente für eine elektrische Maschine zur Reduzierung von Wirbelströmen  Wound tooth and component for an electric machine for reducing eddy currents
Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wicklungszahn einer Komponente für eine elektrische Maschine, insbesondere einen aus Lamellenblechen aufgebauten Wicklungszahn. The present invention relates to a winding tooth of a component for an electrical machine, in particular a winding tooth constructed of laminations.
Stand der Technik State of the art
Elektrische Maschinen weisen in der Regel einen Stator und einen sich relativ zu dem Stator bewegenden Läufer auf. Sowohl Stator als auch Läufer können mit Wicklungsspulen umwickelte Zähne tragen, in die beim Betrieb der elektrischen Maschine ein Wechselstrom eingeprägt wird, um ein sich änderndes Magnetfeld zu erzeugen. Das so erzeugte Magnetfeld verläuft durch den Stator- bzw. den Läuferzahn in Richtung des Läufers bzw. des Stators, wobei der Verlauf der Magnetfeldlinien des Magnetfelds und damit die Art der Magnetfeldänderung durch die Formung einer Außenkontur eines auf dem Zahn befindlichen Zahnkopfs bestimmt ist. Hinsichtlich einer Optimierung des Wirkungsgrads und des Laufverhaltens wird bislang nur die Außenkontur in Richtung der relativen Bewegung zwischen dem Läufer und dem Stator angepasst. Electrical machines typically include a stator and a rotor moving relative to the stator. Both the stator and the rotor may carry coils wound with winding coils into which an alternating current is impressed during operation of the electrical machine to produce a changing magnetic field. The magnetic field thus generated passes through the stator or the rotor tooth in the direction of the rotor or the stator, wherein the course of the magnetic field lines of the magnetic field and thus the type of magnetic field change is determined by the shaping of an outer contour of a tooth head located on the tooth. With regard to an optimization of the efficiency and the running behavior so far only the outer contour in the direction of the relative movement between the rotor and the stator is adjusted.
Bewickelte Zähne für Komponenten für elektrische Maschinen sind in der Regel mit Lamellenblechen aufgebaut, um Wirbelströme zu unterbinden, die durch das in dem Zahn verlaufende wechselnde Magnetfeld erzeugt werden. Die Stapelrichtung der Lamellenbleche zum Aufbau der Komponenten entspricht einer Richtung, die senkrecht zur Richtung einer Wicklungsachse des umwickelten Zahns und im Wesentlichen senkrecht zur relativen Bewegungsrichtung zwischen dem Läufer und dem Stator ist. Insbesondere bei rotatorischen Motoren entspricht diese Stapelrichtung einer axialen Richtung. Winding teeth for components for electrical machines are typically constructed with laminations to suppress eddy currents generated by the alternating magnetic field in the tooth. The stacking direction of the lamination sheets for constructing the components corresponds to a direction that is perpendicular to the direction of a winding axis of the wrapped Tooth and is substantially perpendicular to the relative direction of movement between the rotor and the stator. Particularly in the case of rotary motors, this stacking direction corresponds to an axial direction.
In dem Luftspalt zwischen Stator und Läufer treten an den Endbereichen der Komponente in Stapelrichtung Randfelder auf, die nicht geradlinig zwischen dem Zahnkopf und dem Läufer bzw. Stator verlaufen, sondern nach außen in Stapelrichtung gewölbt sind und dadurch eine Magnetfeldkomponente in der Stapelrichtung aufweisen. Aufgrund dieser Richtungsänderung des Magnetfelds hin zu den Endbereichen des Zahns in Querrichtung existiert eine Magnetfeldkomponente, die einen Wirbelstrom in der Ebene der Lamellenbleche erzeugt. In the air gap between the stator and rotor occur at the end portions of the component in the stacking direction edge fields that do not extend straight between the tooth tip and the rotor or stator, but are arched outwards in the stacking direction and thereby have a magnetic field component in the stacking direction. Due to this change of direction of the magnetic field toward the end regions of the tooth in the transverse direction, there exists a magnetic field component which generates an eddy current in the plane of the lamination plates.
Diese durch die Randmagnetfelder erzeugten Wirbelströme weisen eine Frequenz auf, die zur Läufergeschwindigkeit, d.h. zur Drehzahl und zur Polzahl der elektrischen Maschine, proportional ist. Wirbelströme erzeugen im Allgemeinen Verluste, reduzieren somit die Effizienz der elektrischen Maschine und können eine lokale Erwärmung der Zahnköpfe in den Endabschnitten des Komponentenzahns in Stapelrichtung hervorrufen. Weiterhin können Wirbelströme, die in einem Läufer erzeugt werden, ein Bremsmoment bewirken, das das Antriebsmoment reduziert und durch Erhöhen des Motorstroms in der elektrischen Maschine kompensiert werden muss. These eddy currents generated by the edge magnetic fields have a frequency that is related to the rotor speed, i. to the speed and the number of poles of the electric machine, is proportional. Eddy currents generally generate losses, thus reducing the efficiency of the electric machine and may cause local heating of the tooth tips in the end portions of the component tooth in the stacking direction. Furthermore, eddy currents generated in a rotor can cause a braking torque that reduces the drive torque and must be compensated for by increasing the motor current in the electric machine.
Die Druckschrift de Pistoye, H.,„ Les pertes parasites aux extremites du stator des machines ä grand pas polaire et les moyens de les reduire", Revue generale de l'electricite, Februar 5, 1927, Seiten 215 bis 223 offenbart die Anordnung von Nuten in einem Randbereich von Läuferzähnen. The publication de Pistoye, H., "Les pert s parasites aux extremites du stators of machines a grand pas polaire and les moyens de les reduire", Revue generale de l'electricite, February 5, 1927, pages 215 to 223 discloses the arrangement of Grooves in a marginal area of rotor teeth.
Auch aus der Druckschrift B.C. Mecrow et al.,„ Electromagnetic design of turbo- generator stator end regions", IEE Proceedings, Band 136, Pt.C, Nr. 6, November 1989 ist bekannt an Statorzähnen radiale Schlitze anzuordnen, um Wirbelströme in Endbereichen des Statorzahns zu reduzieren. Also from the publication B.C. Mecrow et al., "Electromagnetic design of turbo-generator stator end regions", IEE Proceedings, Vol. 136, Pt.C., No. 6, November 1989, discloses placing radial slots on stator teeth to reduce eddy currents in end regions of the stator tooth.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Komponente für eine elektrische Maschine bereitzustellen, bei der die Erzeugung von Wirbelströmen in dem Wicklungszahn der Komponente in wirksamer Weise reduziert ist. Offenbarung der Erfindung It is therefore an object of the present invention to provide a component for an electrical machine in which the generation of eddy currents in the winding tooth of the component is effectively reduced. Disclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch den Wicklungszahn für eine Komponente einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1 sowie durch die Komponente für eine elektrische Maschine und eine elektrische Maschine nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. This object is achieved by the winding tooth for a component of an electrical machine according to claim 1 and by the component for an electrical machine and an electric machine according to the independent claims.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Further advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Wicklungszahn für eine Komponente einer elektrischen Maschine, insbesondere für einen Stator und/oder einen Läufer, vorgesehen. Der Wicklungszahn umfasst: According to a first aspect, a winding tooth for a component of an electrical machine, in particular for a stator and / or a rotor, is provided. The winding tooth comprises:
- einen Zahnschaft zum Bewickeln mit einer Wicklungsspule; und  a toothed shaft for winding with a winding coil; and
- einen Zahnkopf, der an einem Ende des Zahnschafts bezüglich einer Wicklungsachse angeordnet ist.  - A tooth head, which is arranged at one end of the toothed shaft with respect to a winding axis.
An mindestens einem Endabschnitt des Wicklungszahns sind eine oder mehrere Nuten vorgesehen, die sich entlang der Wicklungsachse durch den Zahnkopf erstrecken, wobei der Endabschnitt einem Bereich an einem oder beiden Enden des Wicklungszahns entlang einer im Wesentlichen senkrecht zur Wicklungsachse verlaufenden Querrichtung entspricht.  At least one end portion of the winding tooth is provided with one or more grooves extending along the winding axis through the tooth tip, the end portion corresponding to a portion at one or both ends of the winding tooth along a transverse direction substantially perpendicular to the winding axis.
Eine Idee des obigen Wicklungszahns besteht darin, diesen in Endabschnitten bezüglich einer Querrichtung (Stapelrichtung), die senkrecht zur Wicklungsachse des Wicklungszahns und vorzugsweise senkrecht zu einer Bewegungsrichtung einer relativen Bewegung zwischen einem Läufer und einem Stator der elektrischen Maschine ist, mit Nuten zu versehen, um an diesen Endabschnitten die Entstehung von Wirbelströmen durch Magnetfeldkomponenten, die in der Querrichtung verlaufen, zu unterdrücken. Dadurch können die dort auftretenden Wirbelströme reduziert werden, wodurch die Effizienz der elektrischen Maschine erhöht und die Erzeugung von Wärme in den Endabschnitten verringert werden kann. An idea of the above winding tooth is to groop it in end portions with respect to a transverse direction (stacking direction) perpendicular to the winding axis of the winding tooth and preferably perpendicular to a moving direction of relative movement between a rotor and a stator of the electric machine at these end portions to suppress the generation of eddy currents by magnetic field components extending in the transverse direction. Thereby, the eddy currents occurring there can be reduced, whereby the efficiency of the electric machine can be increased and the generation of heat in the end portions can be reduced.
Weiterhin können sich die eine oder die mehreren Nuten entlang der Wicklungs- achse durch einen Teil des Zahnschafts erstrecken, wobei die Länge der einen oder der mehreren Nuten gleich oder kleiner ist als die Hälfte der Länge des Zahnschafts. Furthermore, the one or more grooves may extend along the winding axis through a portion of the toothed shaft, the length of the one or the plurality of grooves is equal to or less than half the length of the toothed shaft.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Wicklungszahn durch Stapeln von Blechlamellen in einer Stapelrichtung gebildet sein, wobei die Stapelrichtung der Querrichtung entspricht. According to an embodiment, the winding tooth may be formed by stacking laminations in a stacking direction, the stacking direction corresponding to the transverse direction.
Der Wicklungszahn kann mit einer oder mehreren ersten Blechlamellen einer ersten Geometrie und mit einer oder mehreren zweiten Blechlamellen einer zweiten Geometrie gebildet sein, wobei die ersten Blechlamellen einen oder mehrere Schlitze in dem Bereich aufweisen, der den Zahnkopf und einen Teil des Zahnschafts bildet, so dass die eine oder die mehreren Nuten durch Stapeln der ersten und zweiten Blechlamellen derart, dass die ersten Blechlamellen in dem einen oder den mehreren Endabschnitten des Wicklungszahns angeordnet sind, gebildet werden. The winding tooth may be formed with one or more first laminations of a first geometry and with one or more second laminations of a second geometry, wherein the first laminations have one or more slots in the region forming the tooth tip and a part of the tooth shaft, such that the one or more grooves are formed by stacking the first and second laminations such that the first laminations are disposed in the one or more end portions of the winding tooth.
Gemäß einer Ausführungsform können der eine oder die mehreren Schlitze der ersten Blechlamellen an einer dem Zahnschaft gegenüber liegenden Außenkontur des Zahnkopfes münden oder kurz vor Erreichen der Außenkontur enden, so dass ein Steg mit einer Breite von 0,5 % bis 10 %, bevorzugt 1 % bis 5 %, der Länge des Wicklungszahns gebildet wird. According to one embodiment, the one or more slots of the first laminations may terminate at an outer contour of the tooth tip opposite the toothed shaft or terminate shortly before reaching the outer contour, so that a web with a width of 0.5% to 10%, preferably 1% to 5%, the length of the winding tooth is formed.
Weiterhin können der eine oder die beiden Endabschnitte einen Anteil der Länge in Querrichtung des Wicklungszahns einnehmen, der zwischen 0,5 % und 10 %, insbesondere zwischen 1 % und 10 %, insbesondere zwischen und 1 % und 5 %, liegt. Furthermore, the one or both end portions can occupy a portion of the length in the transverse direction of the winding tooth, which is between 0.5% and 10%, in particular between 1% and 10%, in particular between 1% and 5%.
Es kann vorgesehen sein, dass der Zahnkopf in einer Bewegungsrichtung an mindestens einer Seite über den Zahnschaft übersteht, wobei mindestens eine der Nuten gewinkelt ist und wobei ein Abschnitt der Nut, der in dem Zahnschaft verläuft, sich parallel zur Wicklungsachse des Wicklungszahns erstreckt und/oder wobei ein Abschnitt der Nut, der in dem Zahnkopf verläuft, schräg in Richtung der Bewegungsrichtung von der Wicklungsachse des Wicklungszahns absteht. It can be provided that the tooth head projects beyond the toothed shaft on at least one side in a direction of movement, wherein at least one of the grooves is angled and wherein a portion of the groove extending in the toothed shaft extends parallel to the winding axis of the winding tooth and / or wherein a portion of the groove extending in the tooth tip projects obliquely in the direction of the direction of movement from the winding axis of the winding tooth.
Weiterhin können die Nuten so innerhalb des Wicklungszahns verlaufen, dass ein Bereich des Wicklungszahns im Endabschnitt in mehrere Teile unterteilt ist, wobei die Teile des Wicklungszahns im Endabschnitt einen identischen Flächenbereich ausmachen. Furthermore, the grooves can run within the winding tooth in such a way that a region of the winding tooth is divided into several parts in the end section, wherein the parts of the winding tooth make up an identical surface area in the end section.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Komponente, insbesondere ein Stator oder ein Läufer für eine elektrische Maschine, mit einem oder mehreren der obigen Wicklungszähnen vorgesehen. According to a further aspect, a component, in particular a stator or a rotor for an electric machine, is provided with one or more of the above winding teeth.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Läufer vorgesehen, wobei der Stator und/oder der Läufer als obige Komponente ausgebildet ist und wobei die Querrichtung senkrecht zu einer Bewegungsrichtung einer relativen Bewegung zwischen dem Stator und dem Läufer verläuft. According to a further aspect, an electric machine is provided with a stator and a rotor, wherein the stator and / or the rotor is formed as the above component and wherein the transverse direction is perpendicular to a direction of movement of a relative movement between the stator and the rotor.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figur 1 einen Querschnitt einer mehrphasigen permanentmagneterregten elektrischen Maschine mit Innenläufer; 1 shows a cross section of a polyphase permanent magnet excited electric machine with internal rotor;
Figur 2 eine Schnittansicht durch die elektrische Maschine der Figure 2 is a sectional view through the electric machine of
Figur 1 in der Ebene A-A;  Figure 1 in the plane A-A;
Figur 3 eine schematische Darstellung des Verlaufs des magnetischen Randflusses in der in Figur 1 dargestellten Querschnittsebene und der dadurch erzeugten Wirbelströme bei ungenuteten Statorzähnen; Figure 3 is a schematic representation of the course of the magnetic edge flow in the cross-sectional plane shown in Figure 1 and the eddy currents generated thereby at ungrouted stator teeth.
Figur 4 eine schematische Darstellung des Verlaufs des magnetischen Randflusses in der in Figur 1 dargestellten Querschnittsebene und der dadurch erzeugten Wirbelströme bei genuteten Statorzähnen; Figur 5 eine schematische Darstellung der Geometrie eines ersten Lamellenblechs zum Aufbau des Statorzahns der Figur 4 im Endabschnitt; Figur 6 eine schematische Darstellung der Geometrie eines zweiten Lamellenblechs zum Aufbau eines Statorzahns der Figur 4 in einem Mittenabschnitt; Figure 4 is a schematic representation of the course of the magnetic edge flow in the cross-sectional plane shown in Figure 1 and the eddy currents generated thereby in grooved stator teeth. Figure 5 is a schematic representation of the geometry of a first lamination plate for the construction of the stator tooth of Figure 4 in the end portion; FIG. 6 shows a schematic representation of the geometry of a second lamination plate for constructing a stator tooth of FIG. 4 in a middle section;
Figur 7 eine schematische Darstellung einer weiteren Geometrie für ein erstes Lamellenblech zum Aufbau des Randbereichs eines Statorzahns; FIG. 7 shows a schematic illustration of a further geometry for a first lamination plate for constructing the edge region of a stator tooth;
Figur 8 eine schematische Querschnittsdarstellung einer bürsten- kommutierten elektrischen Maschine mit Innenläufer; FIG. 8 shows a schematic cross-sectional view of a brush-commutated electric machine with internal rotor;
Figur 9 eine Schnittansicht in der Ebene B-B der elektrischen Figure 9 is a sectional view in the plane B-B of the electrical
Maschine der Figur 8;  Machine of Figure 8;
Figur 10 eine schematische Darstellung des Verlaufs des magneti- sehen Randflusses in der in Figur 8 dargestellten Querschnittsebene und der dadurch erzeugten Wirbelströme bei ungenuteten Rotorzähnen; Figure 10 is a schematic representation of the course of the magnetic see edge flow in the cross-sectional plane shown in Figure 8 and the eddy currents generated thereby at ungrouted rotor teeth.
Figur 1 1 eine schematische Darstellung des Verlaufs des magneti- sehen Randflusses in der in Figur 8 dargestellten Querschnittsebene und der dadurch erzeugten Wirbelströme bei genuteten Rotorzähnen; Figure 1 1 is a schematic representation of the course of the magnetic see edge flow in the cross-sectional plane shown in Figure 8 and the eddy currents generated in grooved rotor teeth.
Figur 12 eine schematische Darstellung der Geometrie eines ersten Lamellenblechs zum Aufbau des Endabschnitts des Rotorzahns; Figure 12 is a schematic representation of the geometry of a first lamination plate for the construction of the end portion of the rotor tooth;
Figur 13 eine schematische Darstellung der Geometrie eines zweiten Lamellenblechs zum Aufbau eines Mittenabschnitts des Rotorzahns der Figur 1 1 ; und Figur 14 eine weitere Geometrie eines ersten Lamellenblechs zumFigure 13 is a schematic representation of the geometry of a second lamination plate for the construction of a central portion of the rotor tooth of Figure 1 1; and FIG. 14 shows a further geometry of a first lamination plate for
Aufbau eines Endabschnitts eines Rotorzahns. Construction of an end section of a rotor tooth.
Beschreibung von Ausführungsformen Description of embodiments
Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer dreiphasigen bürstenlosen permanentmagneterregten elektrischen Maschine mit Innenläufer als Beispiel für eine elektrische Maschine 1 . Die elektrische Maschine 1 umfasst einen zylindrischen Stator 2 mit nach innen gerichteten Statorzähnen 3. Im vorlie- genden Beispiel umfasst der Stator 2 zwölf Statorzähne 3, die jeweils mit einerFIG. 1 shows a schematic cross-sectional illustration of a three-phase brushless permanent-magnet-excited electric machine with internal rotor as an example for an electrical machine 1. The electric machine 1 comprises a cylindrical stator 2 with inwardly directed stator teeth 3. In the present example, the stator 2 comprises twelve stator teeth 3, each with a
Statorspule 4 als Wicklungsspule umwickelt sind. Die Statorspulen 4 sind gemäß einem bekannten Schema für eine dreiphasigen elektrische Maschine miteinander verschaltet. An einem nach innen gerichteten Ende der Statorzähne 3 sind Zahnköpfe 5 vorgesehen, die jeweils eine dem Zahnschaft gegenüber liegende Außenkontur aufweisen. Die Außenkonturen der Zahnköpfe 5 bilden eine Innenausnehmung 6 aus, die im Wesentlichen konzentrisch zu dem zylindrischen Stator 2 ist. In der Innenausnehmung 6 ist ein Rotor 7 als Läufer der elektrischen Maschine 1 angeordnet. Der Rotor 7 weist in diesem Beispiel in Taschen angeordnete vergrabene Permanentmagnete 8 auf. Der Rotor 7 der in Fig. 1 beispielhaft gezeigten elektrischen Maschine 1 umfasst acht Permanentmagnete, die jeweils einen Rotorpol 9 ausbilden. Zwischen einer Außenkontur der Rotorpole 9 und der Au- ßenkontur der Zahnköpfe 5, die einander gegenüber liegen, ist ein Luftspalt 10 ausgebildet, in dem die von den Permanentmagneten 8 und den im Betrieb be- stromten Statorspulen 4 erzeugten Magnetfelder verlaufen. Statorspule 4 are wound as a winding coil. The stator coils 4 are interconnected according to a known scheme for a three-phase electrical machine. At an inwardly directed end of the stator teeth 3 tooth heads 5 are provided, each having a toothed shaft opposite outer contour. The outer contours of the tooth heads 5 form an inner recess 6, which is substantially concentric with the cylindrical stator 2. In the inner recess 6, a rotor 7 is arranged as a rotor of the electric machine 1. The rotor 7 has buried permanent magnets 8 arranged in pockets in this example. The rotor 7 of the electric machine 1 shown by way of example in FIG. 1 comprises eight permanent magnets, each of which forms a rotor pole 9. Between an outer contour of the rotor poles 9 and the outer contour of the tooth heads 5 which lie opposite one another, an air gap 10 is formed in which the magnetic fields generated by the permanent magnets 8 and the stator coils 4 energized during operation run.
In Figur 2 ist eine Querschnittsdarstellung in der Schnittansicht A-A der elektri- sehen Maschine der Figur 1 dargestellt. Man erkennt die laminierte Aufbauweise des Rotors 7 und des Stators 2, die jeweils aus in einer Stapelrichtung A (axiale Richtung) gestapelten Blechlamellen aufgebaut sind. Man erkennt, dass innerhalb des Luftspalts 10 im Inneren des axialen Verlaufs des Statorzahns 3 und des Rotorpols 9 die Magnetfeldlinien im Wesentlichen senkrecht zur Außenkon- tur des Zahnkopfs 5 und des Rotorpols 9 verlaufen. Lediglich an den Endabschnitten E an den Enden des Statorzahns 3 in axialer Richtung A tritt ein mag- netischer Fluss auf, der aus den Seitenflächen der Endabschnitte E des Statorzahns 3 und des Rotorpols 9 austritt. FIG. 2 shows a cross-sectional view in the sectional view AA of the electric machine of FIG. 1. It can be seen the laminated structure of the rotor 7 and the stator 2, which are each constructed of stacked in a stacking direction A (axial direction) laminations. It can be seen that within the air gap 10 inside the axial course of the stator tooth 3 and the rotor pole 9, the magnetic field lines are substantially perpendicular to the outer contour of the tooth head 5 and the rotor pole 9. Only at the end sections E at the ends of the stator tooth 3 in the axial direction A does a magne- netic flow, which emerges from the side surfaces of the end portions E of the stator tooth 3 and the rotor pole 9.
Durch die Bewegung des Rotors 7 und durch die wechselnde Bestromung der Statorspulen 4 kommt es zu einem sich ändernden magnetischen Fluss zwischen den Rotorpolen 9 und den Statorzähnen 3, so dass sich auch der Anteil des magnetischen Flusses Φδ des Magnetfelds ändert, der aus den Seitenflächen der Endabschnitte (die senkrecht zur Stapelrichtung verlaufen) austritt. Dieser Anteil des Flusses wird im Folgenden als magnetischer Randfluss bezeich- net. Durch den magnetischen Randfluss können in den Blechlamellen Wirbelströme lw induziert werden, wie sie beispielsweise in Figur 3 dargestellt sind. Ein möglicher Verlaufsweg des Wirbelstroms ist durch die gestrichelte geschlossene Linie dargestellt. In Figur 4 ist ein Ausschnitt eines Querschnitts einer elektrischen Maschine dargestellt, bei dem die Endabschnitte eines Statorzahns 3 mit Nuten 14 versehen sind. Die Nuten 14 an den Endabschnitten des Statorzahns 3 bewirken, dass sich die aufgrund des Anteils des aus den Seitenflächen austretenden magnetischen Flusses Φδ auftretenden Wirbelströme nicht ausbreiten und stattdessen nur deutlich kleinere Schleifen aus Wirbelströmen entstehen können. Diese sind durch die gestrichelten geschlossenen Linien dargestellt. Der mit den Nuten 14 versehene Endabschnitt wird vorzugsweise bei einer Lamellenaufbauweise des Stators 2 durch eine Geometrie eines Lamellenblechs aufgebaut, die von der Geometrie der Lamellenbleche zum Aufbau eines Mittenabschnitts des Stators verschieden ist. Due to the movement of the rotor 7 and the alternating energization of the stator coils 4, there is a changing magnetic flux between the rotor poles 9 and the stator teeth 3, so that also the proportion of the magnetic flux Φ δ of the magnetic field changes from the side surfaces the end portions (which are perpendicular to the stacking direction) emerges. This portion of the flow is referred to below as the magnetic edge flow. As a result of the magnetic edge flow, eddy currents l w can be induced in the laminations, as shown, for example, in FIG. A possible path of the eddy current is shown by the dashed closed line. FIG. 4 shows a section of a cross section of an electrical machine, in which the end sections of a stator tooth 3 are provided with grooves 14. The grooves 14 at the end portions of the stator tooth 3 cause that the eddy currents occurring due to the proportion of the magnetic flux Φ δ emerging from the side surfaces do not propagate and instead only significantly smaller loops of eddy currents can arise. These are represented by the dashed closed lines. The end portion provided with the grooves 14 is preferably constructed in a lamination structure of the stator 2 by a geometry of a lamination sheet, which is different from the geometry of the lamination sheets to construct a center portion of the stator.
Figur 5 zeigt ein erstes Lamellenblech 1 1 mit einer ersten Blechgeometrie für die Herstellung der Endabschnitte der Statorzähne 3, während Figur 6 ein zweites Lamellenblech 12 mit einer zweiten Blechgeometrie für einen Mittenabschnitt der Statorzähne 3 darstellt. Im Unterschied zu den zweiten Lamellenblechen 12 weist das erste Lamellenblech 1 1 Schlitze 15 auf, die die Nuten des Zahnkopfs 5 bilden sollen. Durch Stapeln der zweiten Lamellenbleche 12 mit der zweiten Blechgeometrie wird der Mittenabschnitt des Statorzahns 3 ausgebildet. An den in axialer Richtung befindlichen Endabschnitten werden dann jeweils eines oder meh- rere erste Lamellenbleche 1 1 mit der ersten Blechgeometrie aufgebracht, so dass ein an sich massiver Statorzahn 3 ausgebildet wird, dessen Endabschnitte mit Nuten versehen sind. Die Länge der Endabschnitte beträgt beispielsweise zwischen 0,5 % und 5 % der gesamten Länge des Statorzahns 3 in Stapelrichtung. Mit Bezug auf Fig. 5 ist die Länge hN der Schlitze 15 bezüglich der Länge hZahn des Statorzahns 3 in axialer Richtung A gering und beträgt nicht mehr als vorzugsweise 0,5 bis 5%, insbesondere 1 bis 2% der Länge hZahn des Statorzahns 3. Die Zahl und Form der in einem Zahnkopf 5 angeordneten Nuten 14 ist im Wesentlichen beliebig. Bereits ein Schlitz 15 bzw. die dadurch im Statorzahn gebil- dete Nut 14 ist ausreichend, um einen spürbaren Effekt zur Reduzierung derFIG. 5 shows a first lamination plate 11 with a first sheet metal geometry for the production of the end sections of the stator teeth 3, while FIG. 6 shows a second lamination plate 12 with a second sheet geometry for a center section of the stator teeth 3. In contrast to the second lamella plates 12, the first lamination plate 1 1 slots 15 which are to form the grooves of the tooth tip 5. By stacking the second lamination sheets 12 with the second sheet geometry, the center portion of the stator tooth 3 is formed. One or more first lamination plates 1 1 with the first sheet metal geometry are then applied to the end sections located in the axial direction, so that a stator tooth 3 which is solid in itself is formed, whose end sections are provided with grooves. The length of the end portions is for example between 0.5% and 5% of the total length of the stator tooth 3 in the stacking direction. With reference to FIG. 5, the length h N of the slots 15 with respect to the length h Za hn of the stator tooth 3 in the axial direction A is small and is not more than preferably 0.5 to 5%, in particular 1 to 2% of the length h Za of the stator tooth 3. The number and shape of the grooves 14 arranged in a tooth head 5 is essentially arbitrary. Already a slot 15 or the groove 14 formed thereby in the stator tooth is sufficient to produce a noticeable effect for the reduction of the
Wirbelströme in den Randbereichen des Statorzahns 3 zu erreichen. To achieve eddy currents in the edge regions of the stator tooth 3.
Vorzugsweise sind die Schlitze 15 so gewählt, dass sie Nuten 14 bilden, die den Zahnkopf 5 und einen Teil des sich daran anschließenden Statorzahns 3 in Ab- schnitte unterteilen, die im Wesentlichen Flächen gleicher Größe aufweisen. In der gezeigten Ausführungsform beträgt die Anzahl der im Wesentlichen entlang der Wicklungsachse des Statorzahns 3 verlaufenden Nuten 14 zwei, es können jedoch auch andere Anzahlen von Nuten 14 vorgesehen werden. Da sich die Wirbelströme ausschließlich im Bereich des Luftspalts 10 ausbilden, ist es nicht notwendig, die Nuten entlang der gesamten Erstreckung des Statorzahns 3 vorzusehen. Jedoch tritt ein Teil des magnetischen Flusses als magnetischer Rand- fluss auch aus der Seitenfläche des Zahnschafts aus, so dass neben dem Zahnkopf auch ein Abschnitt des Statorzahns 3, der sich an den Zahnkopf anschließt, mit den Nuten 14 in den Endabschnitten versehen werden sollte. Preferably, the slots 15 are selected to form grooves 14 which divide the tooth tip 5 and a portion of the adjoining stator tooth 3 into sections having substantially equal size surfaces. In the embodiment shown, the number of grooves 14 extending substantially along the winding axis of the stator tooth 3 is two, but other numbers of grooves 14 may be provided. Since the eddy currents form exclusively in the region of the air gap 10, it is not necessary to provide the grooves along the entire extent of the stator tooth 3. However, a part of the magnetic flux as a magnetic edge flux also emerges from the side surface of the tooth shaft, so that besides the tooth tip, a portion of the stator tooth 3 adjoining the tooth tip should also be provided with the grooves 14 in the end portions.
Die Schlitze 15 in den ersten Lamellenblechen 1 1 der ersten Blechgeometrie werden beispielsweise durch Stanzen oder Schneiden, z. B. Laserschneiden, erzeugt, so dass sich deren Breite aus dem verwendeten Herstellungsprozess ergibt. Letztlich ist die Breite der Nuten 14 senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung nicht ausschlaggebend für die Reduzierung der Wirbelströme, sondern lediglich das Vorhandensein einer Unterbrechung der Stromleitung des Lamellenblechs, so dass sich Wirbelströme nicht über die Nuten 14 hinweg ausbreiten können. Beim Stanzen ist es sinnvoll, die Breite der Nut 14 zwischen 1 und 2 mm zu wählen, um eine ausreichende Lebensdauer des Stanzwerkzeugs zu gewährleisten. Beim Laserschneiden hingegen können Breiten der Nuten 14 von 0,5 mm erreicht werden. Vorzugsweise ist der Verlauf der Nuten 14 in dem Zahnschaft des Statorzahns 5 so gewählt, dass die Abstände zwischen ihnen bzw. zwischen ihnen und der nächstgelegenen Kante des ersten Lamellenblechs 1 1 der ersten Blechgeometrie möglichst gleich sind. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Breiten w-ι bis w3 der durch die Nuten 14 innerhalb des Statorzahns 3 gebildeten Statorzahnteilabschnitte 16 gleich gewählt sind. Selbstverständlich ist dies nicht notwendig und es können auch Statorzahnteilabschnitte 16 unterschiedlicher Breite verwendet werden. The slots 15 in the first laminations 1 1 of the first sheet geometry are, for example, by punching or cutting, z. As laser cutting, generated so that their width results from the manufacturing process used. Ultimately, the width of the grooves 14 perpendicular to their direction of extension is not crucial for the reduction of the eddy currents, but only the presence of an interruption of the power line of the laminations, so that eddy currents can not propagate across the grooves 14 away. When punching, it is useful to choose the width of the groove 14 between 1 and 2 mm in order to ensure a sufficient life of the punching tool. In laser cutting, however, widths of the grooves 14 of 0.5 mm can be achieved. Preferably, the course of the grooves 14 in the toothed shaft of the stator tooth 5 is selected so that the distances between them or between them and the nearest edge of the first lamination plate 1 1 of the first sheet metal geometry are as equal as possible. This can be achieved, for example, in that the widths w 1 to w 3 of the stator tooth sections 16 formed by the grooves 14 within the stator tooth 3 are the same. Of course, this is not necessary and also Statorzahnteilabschnitte 16 different widths can be used.
Der Zahnkopf 5 stellt eine Verbreiterung des Statorzahns 3 dar, so dass sich der Abstand zwischen zwei Nuten 14 innerhalb des Zahnkopfs 5 ebenfalls verbreitert. Die Nuten 14 enden an der Außenkontur des Zahnkopfs 5 und unterteilen so die Außenkontur des Zahnkopfs 5 in Abschnitte, die jeweils - bei rotatorischen elektrischen Maschinen - einen identischen Winkelbereich θι, θ2, θ3 aufweisen. Auch diese Winkel können voneinander verschieden sein. The tooth head 5 is a broadening of the stator tooth 3, so that the distance between two grooves 14 within the tooth head 5 also widens. The grooves 14 terminate at the outer contour of the tooth head 5 and divide so the outer contour of the tooth head 5 in sections, each having - in rotary electric machines - an identical angular range θι, θ 2 , θ 3 . These angles can be different from each other.
Die Länge der Nuten 14 entspricht vorzugsweise mindestens der Länge des Zahnkopfs 5 in Erstreckungsrichtung des Statorzahns 3 und geht maximal bis zur Mitte des Statorzahns 3, so dass gilt: The length of the grooves 14 preferably corresponds at least to the length of the tooth tip 5 in the extension direction of the stator tooth 3 and extends maximally to the middle of the stator tooth 3, so that the following applies:
0 < hN < 0,5 X hshaft- + hshoe wobei hshaft der Länge des Zahnschafts und hSh0e der Länge des Zahnkopfes entsprechen. 0 <h N <0.5 X hshaft- + hshoe where hshaft correspond to the length of the tooth shaft and h S h 0e to the length of the tooth tip.
Es ist weiterhin möglich, für den Endabschnitt mehrere erste Lamellenbleche 1 1 vorzusehen, die eine leicht zueinander versetzte Geometrie aufweisen. Diese werden so aufeinander gestapelt, dass deren Nuten 14 versetzt zueinander liegen, um so einen Endabschnitt mit mehreren ersten Lamellenblechen 1 1 zu bilden, deren Nuten 14 zueinander versetzt sind. Eine solche Anordnung kann verwendet werden, wenn die Nuten 14 in dem Endabschnitt im Vergleich zur Dicke des Statorzahns 3 relativ breit sind. Dies kann der Fall sein, wenn die Nuten 14 mit dem Stanzwerkzeug gestanzt werden, das aufgrund von Lebensdauerbeschränkungen nicht dünn genug hergestellt werden kann. Bei dieser Anordnung könnte der magnetische Randfluss, der durch die breiten Nuten 14 des äußers- ten Lamellenblechs gelangt, in das zweite Lamellenblech 1 1 des Endabschnitts eindringen und die dort befindlichen Nuten 14 könnten die dadurch entstehenden Wirbelströme wirksam unterdrücken. In Figur 7 ist als eine weitere Ausführungsform eine Variante des ersten Lamellenblechs 1 1 ' zum Aufbau der Endabschnitte des Statorzahns 3 dargestellt. Im Unterschied zu dem ersten Lamellenblech 1 1 der Figur 5 sind bei der Ausführungsform der Figur 7 die Schlitze 15 nicht bis zur Außenkontur des Zahnkopfs 5 geführt, sondern enden kurz davor, so dass die so gebildeten Nuten 14 den Luft- spalt 10 nicht erreichen. Dies erhöht die mechanische Stabilität der Endabschnitte in dem Zahnschuhbereich. Beispielsweise können die Ende der Schlitze 15 bzw. der Nuten 14 etwa einen Abstand von 0,5 % bis 10%, insbesondere 0,5 bis 3% der Länge des Statorzahns 3 von der Außenkontur des Zahnkopfs 5 aufweisen. It is also possible to provide for the end portion a plurality of first lamination plates 1 1, which have a slightly offset geometry. These are stacked on each other so that their grooves 14 are offset from one another, so as to form an end portion with a plurality of first lamination sheets 1 1, the grooves 14 are offset from each other. Such an arrangement can be used when the grooves 14 in the end portion are relatively wide compared to the thickness of the stator tooth 3. This may be the case when the grooves 14 are punched with the punch, which can not be made thin enough due to life limitations. In this arrangement, the magnetic edge flux passing through the wide grooves 14 of the outer th lamella plate passes, penetrate into the second lamination plate 1 1 of the end portion and the grooves 14 located there could effectively suppress the resulting eddy currents. In FIG. 7, as a further embodiment, a variant of the first lamella plate 11 'for constructing the end sections of the stator tooth 3 is shown. In contrast to the first lamination plate 11 of FIG. 5, in the embodiment of FIG. 7, the slots 15 are not guided to the outer contour of the tooth head 5, but end shortly before, so that the grooves 14 thus formed do not reach the air gap 10. This increases the mechanical stability of the end sections in the toothed shoe area. For example, the ends of the slots 15 and the grooves 14 may have a distance of 0.5% to 10%, in particular 0.5 to 3% of the length of the stator tooth 3 from the outer contour of the tooth tip 5.
In Figur 8 ist eine weitere Ausführungsform für eine elektrischen Maschine 20 dargestellt. Die Figur 8 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung, die einen bürstenkommutierten Gleichstrommotor 20 zeigt. Der Gleichstrommotor 20 umfasst einen zylinderförmigen Stator 21 mit Statormagneten 22, die an einer In- nenwand des zylinderförmigen Stators 21 angeordnet sind und eine Innenaus- nehmung 23 bilden, in der ein Rotor 24 drehbeweglich um eine Rotorwelle 25 angeordnet ist. FIG. 8 shows a further embodiment of an electrical machine 20. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a brush-commutated DC motor 20. The DC motor 20 comprises a cylindrical stator 21 with stator magnets 22, which are arranged on an inner wall of the cylindrical stator 21 and form an inner recess 23, in which a rotor 24 is arranged rotatably around a rotor shaft 25.
Der Rotor 24 trägt mit Rotorspulen 30 bewickelte Rotorzähne 26, die jeweils nach außen am Rotor 24 abstehen und an ihrem äußeren Ende jeweils einenThe rotor 24 carries with rotor coils 30 wound rotor teeth 26, each projecting outwardly on the rotor 24 and at its outer end in each case one
Zahnkopf 27 mit einer entsprechenden Außenkontur aufweisen. Die Rotorspulen 30 werden von einem (nicht gezeigten) Kommutator elektrisch bestromt. Die Außenkontur der Zahnköpfe 27 bildet mit den dem Rotor 24 zugewandten Außenkonturen der Statormagneten 22 einen Luftspalt 28, in dem ein magneti- scher Fluss besteht. Tooth head 27 having a corresponding outer contour. The rotor coils 30 are electrically energized by a commutator (not shown). The outer contour of the tooth heads 27 forms, with the outer contours of the stator magnets 22 facing the rotor 24, an air gap 28 in which a magnetic flux exists.
In Figur 9 ist eine Schnittansicht durch den Gleichstrommotor 20 der Figur 8 entlang der Ebene B - B dargestellt. Man erkennt den Schnitt durch einen der Rotorzähne 26. Man erkennt in dem Luftspalt 28, der zwischen der Außenkontur des Zahnkopfs 27 und des Statormagneten 22 gebildet ist, den Verlauf der magnetischen Feldlinien. In einem Innenbereich des Rotorzahns 26 in axialer Richtung A verlaufen die Magnetfeldlinien im Wesentlichen in radialer Richtung zwischen dem Statormagneten 22 und dem Zahnkopf 27. An Seitenflächen von Endabschnitten des Rotorzahns 26 bezüglich der axialen Erstreckung des Rotorzahns 26 treten Magnetfeldlinien in axialer Richtung aus dem Rotorzahn 26 bzw. aus dem Zahnkopf 27 aus und bilden so ein Randmagnetfeld 29. FIG. 9 shows a sectional view through the DC motor 20 of FIG. 8 along the plane B-B. One recognizes the section through one of the rotor teeth 26. It can be seen in the air gap 28 which is formed between the outer contour of the tooth tip 27 and the stator magnet 22, the course of the magnetic field lines. In an inner region of the rotor tooth 26 in the axial direction A The magnetic field lines extend substantially in the radial direction between the stator magnet 22 and the tooth head 27. At side surfaces of end portions of the rotor tooth 26 with respect to the axial extent of the rotor tooth 26 magnetic field lines in the axial direction from the rotor tooth 26 and from the tooth tip 27 and form an edge magnetic field 29.
Das Randmagnetfeld 29 weist aufgrund der Kommutierung und der Drehbewegung des Rotors 24 eine wechselnde Feldstärke auf, so dass, wie in Figur 10 detaillierter dargestellt, in den Endabschnitten des Rotorzahns 26 Wirbelströme in einer radialen Ebene senkrecht zur axialen Richtung gebildet werden können. Figur 10 zeigt eine Schnittansicht entlang einer radialen Ebene senkrecht zur axialen Richtung. Figur 10 verdeutlicht den Verlauf der Magnetfeldlinien am Endabschnitt und die gestrichelte Linie verdeutlicht eine Wirbelstromschleife eines durch die Magnetfeldlinien im Endabschnitt erzeugten Wirbelstroms. The edge magnetic field 29 has due to the commutation and the rotational movement of the rotor 24 to a changing field strength, so that, as shown in more detail in Figure 10, in the end portions of the rotor tooth 26 eddy currents can be formed in a radial plane perpendicular to the axial direction. FIG. 10 shows a sectional view along a radial plane perpendicular to the axial direction. Figure 10 illustrates the course of the magnetic field lines at the end portion and the dashed line illustrates an eddy current loop of an eddy current generated by the magnetic field lines in the end portion.
Wie in Fig. 1 1 dargestellt, können durch das Vorsehen von Nuten 31 in dem Rotorzahn 26 bzw. in dem Zahnkopf 27 des Rotorzahns 26 die Wirbelströme unterteilt und damit deren Stärke und Wirkung auf die Effizienz der elektrischen Maschine reduziert werden. As shown in Fig. 1 1, by providing grooves 31 in the rotor tooth 26 and in the tooth head 27 of the rotor tooth 26, the eddy currents can be divided and thus their strength and effect on the efficiency of the electric machine can be reduced.
Der Aufbau des Rotors 24 für eine derartige elektrische Maschine 20 wird durch eine Stapelung von Lamellenblechen erreicht. Dazu sind erste Lamellenbleche 32 mit einer ersten Blechgeometrie vorgesehen, wie sie in Figur 12 dargestellt sind. Die ersten Lamellenbleche 32 weisen Schlitze 34 auf, die, wie bei dem ersten Lamellenblech 1 1 der Figur 5, den Zahnkopf 27 durchdringen und in einem Abschnitt des Rotorzahns 26 verlaufen. Vorzugsweise ist die Länge der Schlitze 34 auf die Hälfte des Rotorzahns 26 beschränkt. Die Schlitze 34 verlaufen parallel zur Erstreckungsrichtung des Rotorzahns 26, d. h. parallel zur radialen Richtung der Rotorzähne 26. Im Bereich des Zahnkopfs 27 verlaufen die Schlitze 34 in Richtung der Außenkontur des Rotorzahns 26 voneinander weg, so dass für die Schlitze 34 eine gewinkelte Struktur entsteht. The structure of the rotor 24 for such an electric machine 20 is achieved by stacking laminations. For this purpose, first lamination plates 32 are provided with a first sheet metal geometry, as shown in FIG. The first lamella plates 32 have slots 34 which, as in the case of the first lamella plate 11 of FIG. 5, penetrate the tooth head 27 and run in a section of the rotor tooth 26. Preferably, the length of the slots 34 is limited to half of the rotor tooth 26. The slots 34 extend parallel to the direction of extension of the rotor tooth 26, d. H. parallel to the radial direction of the rotor teeth 26. In the region of the tooth head 27, the slots 34 extend away from one another in the direction of the outer contour of the rotor tooth 26, so that an angled structure is created for the slots 34.
Wie zuvor beschrieben, wird mit den Nuten 31 bzw. den Schlitzen 34 eine gleichmäßige Unterteilung eines Endabschnitts des Rotorzahns 26 einschließlich des Zahnkopfs 27 erreicht, so dass die durch den magnetischen Randfluss bedingten Wirbelströme reduziert werden können. In Figur 13 ist ein zweites Lamellenblech 33 mit einer zweiten Blechgeometrie dargestellt. Das zweite Lamellenblech 33 dient dazu, durch Stapelung einen Mittenabschnitt des Rotors 24 auszubilden, der zwischen den Endbereichen des Rotors 24 vorgesehen ist. As described above, with the grooves 31 and the slots 34, a uniform division of an end portion of the rotor tooth 26 including the tooth tip 27 is achieved, so that the eddy currents caused by the magnetic edge flux can be reduced. FIG. 13 shows a second lamination plate 33 with a second sheet metal geometry. The second louver sheet 33 serves to form by stacking a center portion of the rotor 24 provided between the end portions of the rotor 24.
In Figur 14 ist entsprechend der Ausführungsform der Figur 7 eine Form der Nuten 31 dargestellt, bei der die Nuten nicht bis zur Außenkontur des Rotors 24 verlaufen. Die Nuten 31 enden kurz vor Erreichen der Außenkontur des Rotors 24, so dass eine erhöhte mechanische Stabilität gewährleistet ist. Insbesondere einIn FIG. 14, according to the embodiment of FIG. 7, a shape of the grooves 31 is shown in which the grooves do not extend to the outer contour of the rotor 24. The grooves 31 terminate shortly before reaching the outer contour of the rotor 24, so that an increased mechanical stability is ensured. In particular a
Abbiegen bzw. Abstehen der durch die Nuten 31 unterteilten Bereiche des Rotorzahns 26 und des Zahnkopfs 27 kann dadurch vermieden werden. Turning or protruding the divided by the grooves 31 areas of the rotor tooth 26 and the tooth head 27 can be avoided.

Claims

Ansprüche claims
1 . Wicklungszahn (3) für eine Komponente (2) einer elektrischen Maschine (1 ), insbesondere für einen Stator und/oder einen Läufer, umfassend: 1 . Winding tooth (3) for a component (2) of an electrical machine (1), in particular for a stator and / or a rotor, comprising:
- einen Zahnschaft zum Bewickeln mit einer Wicklungsspule (4); und - A toothed shaft for winding with a winding coil (4); and
- einen Zahnkopf (5), der an einem Ende des Zahnschafts bezüglich einer Wicklungsachse angeordnet ist; a tooth tip (5) disposed at one end of the tooth shaft with respect to a winding axis;
wobei an mindestens einem Endabschnitt des Wicklungszahns (3) eine oder mehrere Nuten (14) vorgesehen sind, die sich entlang der Wicklungsachse durch den Zahnkopf (5) erstrecken, wobei der Endabschnitt einem Bereich an einem oder beiden Enden des Wicklungszahns (3) entlang einer im Wesentlichen senkrecht zur Wicklungsachse verlaufenden Querrichtung entspricht.  wherein at least one end portion of the winding tooth (3) is provided with one or more grooves (14) extending along the winding axis through the tooth tip (5), the end portion extending along a portion at one or both ends of the winding tooth (3) corresponds substantially perpendicular to the winding axis extending transverse direction.
2. Wicklungszahn (3) nach Anspruch 1 , wobei sich die eine oder die mehreren Nuten (14) entlang der Wicklungsachse durch einen Teil des Zahnschafts erstrecken, wobei die Länge der einen oder der mehreren Nuten (14) gleich oder kleiner ist als die Hälfte der Länge des Zahnschafts. 2. winding tooth (3) according to claim 1, wherein the one or more grooves (14) extend along the winding axis through a portion of the toothed shaft, wherein the length of the one or more grooves (14) is equal to or less than half the length of the tooth shaft.
3. Wicklungszahn (3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wicklungszahn (3) durch Stapeln von Blechlamellen in einer Stapelrichtung gebildet ist, wobei die Stapelrichtung der Querrichtung entspricht. 3. winding tooth (3) according to claim 1 or 2, wherein the winding tooth (3) is formed by stacking laminations in a stacking direction, wherein the stacking direction corresponds to the transverse direction.
4. Wicklungszahn (3) nach Anspruch 3, wobei der Wicklungszahn (3) mit einer oder mehreren ersten Blechlamellen (1 1 ) einer ersten Geometrie und mit einer oder mehreren zweiten Blechlamellen (12) einer zweiten Geometrie gebildet ist, wobei die ersten Blechlamellen (1 1 ) einen oder mehrere Schlitze (15) in dem Bereich, der den Zahnkopf und einen Teil des Zahnschafts bildet, aufweisen, so dass durch Stapeln der ersten und zweiten Blechlamellen (1 1 , 12) derart, dass die ersten Blechlamellen (1 1 ) in dem einen oder den mehreren Endabschnitten des Wicklungszahns (3) angeordnet sind, die eine oder die mehreren Nuten (14) gebildet werden. 4. winding tooth (3) according to claim 3, wherein the winding tooth (3) with one or more first laminations (1 1) of a first geometry and with one or more second laminations (12) of a second geometry is formed, wherein the first laminations ( 1 1) one or more slots (15) in the region forming the tooth tip and a part of the toothed shaft, so that by stacking the first and second laminations (1 1, 12) such that the first laminations (1 1 ) are arranged in the one or more end portions of the winding tooth (3), the one or more grooves (14) are formed.
5. Wicklungszahn (3) nach Anspruch 4, wobei der eine oder die mehreren Schlitze (15) der ersten Blechlamellen (1 1 ) an einer dem Zahnschaft gegenüber liegenden Außenkontur des Zahnkopfes (5) münden oder kurz vor Erreichen der Außenkontur enden, so dass ein Steg mit einer Breite von 0,5 % bis 5% der Länge des Wicklungszahns (3) gebildet wird. 5. winding tooth (3) according to claim 4, wherein the one or more slots (15) of the first laminations (1 1) open at a toothed shaft opposite the outer contour of the tooth head (5) or end shortly before reaching the outer contour, so that a web is formed with a width of 0.5% to 5% of the length of the winding tooth (3).
6. Wicklungszahn (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der eine oder die beiden Endabschnitte einen Anteil der Länge in Querrichtung des Wicklungszahns (3) einnehmen, der zwischen 0,5 % und 10 %, insbesondere zwischen 1 % und 10 %, insbesondere zwischen und 1 % und 5 %, liegt. 6. winding tooth (3) according to one of claims 1 to 5, wherein the one or both end portions occupy a proportion of the length in the transverse direction of the winding tooth (3), which is between 0.5% and 10%, in particular between 1% and 10th %, in particular between and 1% and 5%.
7. Wicklungszahn (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Zahnkopf (5) an mindestens einer Seite in einer Bewegungsrichtung über den Zahnschaft übersteht, wobei mindestens eine der Nuten (14) gewinkelt ist und wobei sich ein Abschnitt der Nut (14), der in dem Zahnschaft verläuft, parallel zur Wicklungsachse des Wicklungszahns (3) erstreckt und/oder wobei ein Abschnitt der Nut (14), der in dem Zahnkopf (5) verläuft, schräg in Richtung der Bewegungsrichtung von der Wicklungsachse des Wicklungszahns (3) absteht. 7. winding tooth (3) according to one of claims 1 to 6, wherein the tooth head (5) protrudes on at least one side in a direction of movement over the toothed shaft, wherein at least one of the grooves (14) is angled and wherein a portion of the groove ( 14) extending in the tooth shaft, extending parallel to the winding axis of the winding tooth (3) and / or wherein a portion of the groove (14) extending in the tooth tip (5) obliquely in the direction of movement of the winding axis of the winding tooth ( 3) protrudes.
8. Wicklungszahn (3) nach Anspruch 7, wobei die Nuten (14) so innerhalb des Wicklungszahns (3) verlaufen, dass ein Bereich des Wicklungszahns (3) im Endabschnitt in mehrere Teile unterteilt ist, wobei die Teile des Wicklungszahns (3) im Endabschnitt einen identischen Flächenbereich definieren. 8. winding tooth (3) according to claim 7, wherein the grooves (14) extend within the winding tooth (3), that a portion of the winding tooth (3) is divided into several parts in the end portion, wherein the parts of the winding tooth (3) in End section define an identical surface area.
9. Komponente, insbesondere ein Stator oder ein Läufer für eine elektrische Maschine (1 ), mit einem oder mehreren Wicklungszähnen (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8. 9. component, in particular a stator or a rotor for an electrical machine (1), with one or more winding teeth (3) according to one of claims 1 to 8.
10. Elektrische Maschine (1 ) mit einem Stator und einem Läufer, wobei der Stator und/oder der Läufer als Komponente nach Anspruch 9 ausgebildet ist, wobei die Querrichtung senkrecht zu einer Bewegungsrichtung einer relativen Bewegung zwischen dem Stator und dem Läufer verläuft. 10. An electric machine (1) having a stator and a rotor, wherein the stator and / or the rotor is formed as a component according to claim 9, wherein the transverse direction is perpendicular to a direction of movement of a relative movement between the stator and the rotor.
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