EP3596803A1 - Elektronisch kommutierte elektrische maschine - Google Patents

Elektronisch kommutierte elektrische maschine

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Publication number
EP3596803A1
EP3596803A1 EP18711279.2A EP18711279A EP3596803A1 EP 3596803 A1 EP3596803 A1 EP 3596803A1 EP 18711279 A EP18711279 A EP 18711279A EP 3596803 A1 EP3596803 A1 EP 3596803A1
Authority
EP
European Patent Office
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stator
tooth
main
teeth
stator teeth
Prior art date
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Pending
Application number
EP18711279.2A
Other languages
English (en)
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • 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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    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
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    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information
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    • H02K2213/12—Machines characterised by the modularity of some components

Definitions

  • the invention relates to electronically commutated electrical machines, in particular electrical machines with measures for increased fault tolerance.
  • Electronically commutated electrical machines in particular permanent magnet-excited electrical machines, can be designed for increased robustness against electrical faults with a plurality of separate winding units.
  • the Wcklungsticianen each comprise separate phase strands, each with one or more phase coils.
  • the separate weighers are each driven by separate power modules to provide high electrical isolation, thereby providing a high degree of robustness against faults. This is especially true for electrical machines in which the phase strands of the individual Wcklungsüen not distributed, but are arranged in segments on a stator of the electric machine.
  • the separate polyphase dicing units are electrically isolated, but not magnetically and thermally isolated from one another, whereby the fault tolerance of the electric machine is limited to short circuit faults within one of the dewatering units.
  • an uncontrollable short-circuit current in one of the faulty reject units may generate a magnetic flux that is in one of the adjacent faultless ones Winding units coupled and the control or regulation of the phase currents in the error-free winding unit difficult. This can potentially endanger the operation of the electrical machine.
  • a short-circuit current can cause high ohmic losses in the faulty winding unit, whereby the thermal integrity of the adjacent fault-free Wcklungsäen can be affected due to lack of thermal insulation between the winding units.
  • a three-phase electric machine which have four Wcklungsäen, each associated with a quarter segment of the stator assembly.
  • the electric machine has twelve slots and eight rotor poles, so that the respective weigher units are each formed with three stator teeth, so that each of the stator coils is assigned to a phase.
  • the four individual units are powered by four separate three-phase power modules in the form of three-phase converters to provide the electrical insulation between the winding units necessary for fault tolerance.
  • the four winding units are not magnetically and thermally isolated from each other, and phase strands of adjacent winding units lie in a common stator slot so that a short circuit between the phase strings of two weeder units can result in the failure of two of the weighers.
  • a stator assembly for an electric machine comprising:
  • a cylindrical stator yoke having main stator teeth and spacer stator teeth projecting therefrom, wherein a plurality of stator teeth groups of a plurality of mutually adjacent main stator teeth are separated from each other by a spacer stator tooth;
  • winding units each having a number of phase strands, each having one or more phase coils, wherein the winding units are each associated with one of the stator tooth groups of the stator assembly and arranged thereon.
  • stator arrangement is to arrange several separate Wecklungs- units each having a number of phase strands, each having one or more phase coils, in each case in segments of stator tooth groups of the stator assembly, so that the separate Wcklungsticianen adjacent to each other are provided on the stator.
  • the Wecklungsticianen do not overlap, so that phase coils of different Wcklungsüen are not arranged in a common Statornut. Therefore, in the event of an electrical short in one of the weeding units, the electrical integrity of the other winding units is not impaired.
  • a spacer stator tooth is provided, which has a geometry deviating from the stator teeth of the stator tooth groups. In this way, an improved thermal and magnetic decoupling can be achieved.
  • the width of the tooth shanks of the spacer stator teeth may be equal to or greater than the width of the main stator teeth.
  • the Abstandstatorzähne and the Hauptstatorzähne may each have tooth tips, which are widened with respect to the toothed shaft in the circumferential direction. It can be provided that in an electrical machine having a pole pair number O and a number N of separate winding units, a distance stator tooth angle CIST, ie the angular range covered by one of the spacer stator teeth, is 360 ° (1 / N-1/0) ,
  • a main stator tooth angle CIMT i. the range of angles covered by one of the main stator teeth is 360 ° / (O P).
  • a distance stator tooth angle CIST i. the angular range covered by one of the spacer stator teeth corresponds to 1/2 ap, where ap corresponds to a pole angle of a rotor pole.
  • a main stator tooth angle CIMT i. the angular range covered by one of the main stator teeth corresponds to 2/3 ap, where ap corresponds to a pole angle of a rotor pole.
  • an electric machine with the above stator arrangement and a rotor with rotor poles is provided.
  • the pole pair number of the rotor can correspond to five.
  • a motor system with the above electrical machine and with power modules is provided which are each designed to drive one or more of the winding units.
  • the power modules can be designed or controllable in order to drive the winding units with a phase offset of the phase currents.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view through an electronically commutated electrical machine
  • FIG. 2 shows a section through the electric machine of FIG. 1 for illustrating the dimensioning of the stator teeth of the stator arrangement of the electric machine;
  • Figure 3 is a schematic representation of a control of the electric machine with separate power modules
  • FIG. 4 shows a diagram for illustrating the profiles of the phase currents of one of the winding units.
  • Figure 5 is a representation of the torque curve over the angle of rotation.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional representation through an exemplary permanent magnet-excited electric machine 1.
  • the electric machine has a stator arrangement 2 and a rotor 3.
  • the stator assembly 2 is formed substantially cylindrical and has a likewise cylindrical inner recess 4, in which the rotor 3 is arranged rotatably.
  • the stator assembly 2 has a cylindrical stator yoke 21 from which evenly spaced stator teeth 22 project inwardly.
  • 16 stator teeth 22 are provided.
  • the stator teeth 22 include main stator teeth 22a and spacer stator teeth 22b.
  • Each of the stator teeth 22a, 22b is provided with a toothed shaft 23 projecting from the stator yoke 21, at the inwardly projecting end thereof a tooth tip 24 is arranged.
  • the tooth heads 24 represent over the width of the tooth shanks 23 protruding tooth head portions which widen the stator tooth 22 at its end, and form the cylindrical contour of the inner recess. 4
  • the rotor 3 is provided with a rotor body 31 and with the rotor poles 32 forming permanent magnets 33.
  • the permanent magnets 33 are provided as surface-mounted magnets which have a contouring, for example a judge contour or the like, on their surfaces facing the stator teeth.
  • the rotor 3 may also be formed with buried permanent magnets.
  • the electric machine 1 has sixteen stator teeth 22 and ten rotor poles 32.
  • the sixteen stator teeth 22 include four stator teeth groups of adjacent main stator teeth 22a, each separated by one of the spacer stator teeth 22b.
  • the main stator teeth 22a of a stator tooth group G are each wound with a stator coil 26, which are assigned to a phase or a phase strand.
  • the stator coils 26 of one of the stator tooth groups G form a winding unit 28.
  • the stator coils 26 of a stator tooth group G are each assigned to different phases, so that stator coils 26 for three phases are arranged on the stator teeth 22a of a stator tooth group G in the exemplary embodiments shown.
  • the distance stator tooth 22b between two adjacent stator tooth groups G allows the immediately adjacent stator coils 26 of two adjacent stator tooth groups G not to be in the same stator slot 25, so that short circuits between the stator coils of different winding units can not occur.
  • FIG. 2 shows, in a detailed view of the electric machine 1, the dimensioning of the spacing stator tooth 22b, the main stator teeth 22a and the rotor poles 32 illustrates.
  • the main stator tooth width WMT ie the width of the main stator teeth 22a in the circumferential direction, is equal to or smaller than the distance stator tooth width WST, ie the width of the spacer stator teeth 22b in the circumferential direction (this is not drawn to scale in FIGS. 1-3):
  • stator teeth 22 are not uniformly spaced from each other with their center axis and form stator slots 25 therebetween.
  • main pitches OH between the center axes of the main stator teeth 22a are larger than the pitch pitches CIA between the center axis of a main stator tooth and the center axis of an adjacent spacer stator tooth 22b.
  • the main tooth distances OH angular distance
  • ⁇ ⁇ 360 (N (P + 1)) + ⁇
  • a A 360 (N (P + 1)) - ⁇ ( ⁇ -1) / 2 corresponds to a number N of separate winding units and P corresponds to the phase number of each of the winding units.
  • ⁇ corresponds to a selectable difference distance which can be selected in the range up to 10% of 360 N.
  • the main electric stator angle CIMT i. the Wnkelbe- area is covered by one of the main stator teeth 22a, measured between the centers of the slot openings of the respective main stator tooth 22a defining stator slots 25, 120 ° electrical position angle
  • the electrical attitude angle is defined as 360 ° by the number of pole pairs of the rotor 3.
  • CIMT 2/3 cip
  • cip corresponds to the rotor pole angle, ie the angle range which covers a rotor pole.
  • the distance stator tooth angle CIST ie the angle range which is covered by one of the spacer stator teeth 22b, measured from the centers of the slot openings of the adjacent stator slots 25, should correspond to 90 ° electrical contact position, which corresponds to one half of a rotor pole angle cip:
  • QMT 360 ° / (O P), where P corresponds to the number of phases of the electric machine.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a control of the electric machine of Figure 1 is shown. It can be seen that the three phases of each of the winding units 28 are driven by a separate power module 5. In this case, the phase strands of each of the winding units 28 can be connected either in a star or a polygon circuit.
  • the winding units which are diametrically opposed to each other, are driven by three-phase drive currents, as shown, for example, in the diagram of FIG. 4, which are offset from one another by 90 ° from the drive currents of a drive for the other two weeding units 28, which are likewise opposite one another ,
  • FIG. 5 shows the normalized torque curve over a range of electrical position angles for the cases in which only the winding units W1 and W3 and only the reject units W2 and W4 are driven, and in the case where all four winding units are offset from each other by 90.degree Phase flow can be controlled. As a result, the torque ripple of the electric machine can be significantly reduced, for the present embodiment from 13.5% to 1, 9% of the average torque.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Statoranordnung (2) für eine elektrische Maschine, umfassend: - ein zylindrisches Statorjoch (21) mit davon abstehenden Hauptstatorzähnen (22a) und Abstandsstatorzähnen (22b), wobei mehrere Statorzahngruppen (G) aus mehreren benachbarten Hauptstatorzähnen (22a) jeweils durch einen Abstandsstatorzahn (22b) voneinander getrennt sind; - mehrere separate Wicklungseinheiten (28) mit jeweils einer Anzahl von Phasensträngen, die jeweils eine oder mehrere Phasenspulen (26) aufweisen, wobei die Wicklungseinheiten (28) jeweils einer der Statorzahngruppen (G) zugeordnet und an dieser angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Titel
Elektronisch kommutierte elektrische Maschine
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft elektronisch kommutierte elektrische Maschinen, insbesondere elektrische Maschinen mit Maßnahmen für eine erhöhte Fehlertoleranz.
Technischer Hintergrund
Elektronisch kommutierte elektrische Maschinen, insbesondere permanentmagneterregte elektrische Maschinen, können für eine erhöhte Robustheit gegen elektrische Fehler mit mehreren separaten Wicklungseinheiten ausgebildet sein. Die Wcklungseinheiten umfassen jeweils separate Phasenstränge mit jeweils einer oder mehreren Phasenspulen. Die separaten Wcklungseinheiten werden jeweils durch getrennte Leistungsmodule angesteuert, um eine hohe elektrische Isolation bereitzustellen und dadurch ein hohes Maß an Robustheit gegen Fehler zu erhalten. Dies gilt insbesondere für elektrische Maschinen, bei denen die Phasenstränge der einzelnen Wcklungseinheiten nicht verteilt, sondern segmentweise an einem Stator der elektrischen Maschine angeordnet sind.
Durch die Anordnung an dem Stator sind die separaten mehrphasigen Wcklungseinheiten zwar elektrisch, nicht jedoch magnetisch und thermisch voneinander isoliert, wodurch sich die Fehlertoleranz der elektrischen Maschine auf Kurzschlussfehler innerhalb einer der Wcklungseinheiten beschränkt. Darüber hinaus kann ein unkontrollierbarer Kurzschlussstrom in einer der fehlerhaften Wcklungseinheiten einen magnetischen Fluss erzeugen, der sich in eine der benachbarten fehlerfreien Wicklungseinheiten einkoppelt und die Steuerung bzw. Regelung der Phasenströme in der fehlerfreien Wicklungseinheit erschwert. Dies kann potenziell den Betrieb der elektrischen Maschine gefährden.
Weiterhin kann ein Kurzschlussstrom hohe ohmsche Verluste in der fehlerhaften Wicklungseinheit hervorrufen, wodurch die thermische Integrität der benachbarten fehlerfreien Wcklungseinheiten aufgrund fehlender thermischer Isolierungen zwischen den Wicklungseinheiten beeinträchtigt werden kann.
Aus dem Stand der Technik ist eine dreiphasige elektrische Maschine bekannt, die vier Wcklungseinheiten aufweisen, die jeweils einem Viertelsegment der Statoranordnung zugeordnet sind. Die elektrische Maschine weist zwölf Nuten und acht Rotorpole auf, so dass die jeweiligen Wcklungseinheiten jeweils mit drei Statorzähnen ausgebildet sind, so dass jede der Statorspulen einer Phase zugeordnet ist. Die vier einzelnen Wcklungseinheiten werden durch vier separate dreiphasige Leistungsmodule in Form von Dreiphasenwandlern mit elektrischer Energie versorgt, um die für die Fehlertoleranz notwendige elektrische Isolierung zwischen den Wicklungseinheiten zur Verfügung zu stellen. Jedoch sind bei dieser Maschinentopologie die vier Wicklungseinheiten nicht magnetisch und thermisch voneinander isoliert, und Phasenstränge benachbarter Wicklungseinheiten liegen in einer gemeinsamen Statornut, so dass ein Kurzschluss zwischen den Phasensträngen zweier Wcklungseinheiten zum Ausfall von zwei der Wcklungseinheiten führen kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine fehlertolerante, elektronisch kom- mutierte elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, bei der die Robustheit gegenüber Fehlern in einer der Wcklungseinheiten verbessert ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die Statoranordnung für eine elektrische Maschine nach Anspruch 1 sowie durch die elektrische Maschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Statoranordnung für eine elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
ein zylindrisches Statorjoch mit davon abstehenden Hauptstatorzähnen und Abstandsstatorzähnen, wobei mehrere Statorzahngruppen aus mehreren zueinander benachbarten Hauptstatorzähnen jeweils durch einen Abstands- statorzahn voneinander getrennt sind;
mehrere separate Wicklungseinheiten mit jeweils einer Anzahl von Phasensträngen, die jeweils eine oder mehrere Phasenspulen aufweisen, wobei die Wicklungseinheiten jeweils einer der Statorzahngruppen der Statoranordnung zugeordnet und an dieser angeordnet sind.
Eine Idee der obigen Statoranordnung besteht darin, mehrere separate Wcklungs- einheiten mit jeweils einer Anzahl von Phasensträngen, die jeweils eine oder mehrere Phasenspulen aufweisen, jeweils segmentweise an Statorzahngruppen der Statoranordnung anzuordnen, so dass die separaten Wcklungseinheiten zueinander benachbart an der Statoranordnung vorgesehen sind. Die Wcklungseinheiten überlappen sich nicht, so dass Phasenspulen verschiedener Wcklungseinheiten nicht in einer gemeinsamen Statornut angeordnet sind. Daher ist bei einem elektrischen Kurzschluss in einer der Wcklungseinheiten die elektrische Integrität der anderen Wicklungseinheiten nicht beeinträchtigt. Zwischen den den einzelnen Wicklungseinheiten zugeordneten Statorzahngruppen ist ein Abstandsstatorzahn vorgesehen, der eine von den Statorzähnen der Statorzahngruppen abweichende Geometrie aufweist. Auf diese Weise kann eine verbesserte thermische und magnetische Entkopplung erreicht werden.
Weiterhin kann die Breite der Zahnschäfte der Abstandsstatorzähne gleich oder größer sein als die Breite der Hauptstatorzähne. Insbesondere können die Abstandsstatorzähne und die Hauptstatorzähne jeweils Zahnköpfe aufweisen, die bezüglich des Zahnschaftes in Umfangsrichtung verbreitert sind. Es kann vorgesehen sein, dass bei einer elektrischen Maschine mit einer Polpaarzahl O und einer Anzahl N von separaten Wicklungseinheiten ein Abstandsstator- zahnwinkel CIST, d.h. der Winkelbereich der durch einen der Abstandsstatorzähne überdeckt wird, 360°(1/N - 1/0) beträgt.
Weiterhin kann bei einer elektrischen Maschine mit einer Polpaarzahl O, einer Phasenzahl P und einer Anzahl N von separaten Wcklungseinheiten ein Hauptstatorzahnwinkel CIMT, d.h. der Wnkelbereich der durch einen der Hauptstatorzähne überdeckt wird, 360° / (O P) betragen.
Es kann vorgesehen sein, dass bei einer elektrischen Maschine mit einer Polpaarzahl von 5, vier separaten Wicklungseinheiten und einer Phasenzahl von 3 ein Abstandsstatorzahnwinkel CIST, d.h. der Wnkelbereich der durch einen der Abstandsstatorzähne überdeckt wird, 1/2 ap entspricht, wobei ap einem Polwinkel eines Läuferpols entspricht.
Gemäß einer Ausführungsform kann bei einer elektrischen Maschine mit einer Polpaarzahl von 5, vier separaten Wcklungseinheiten und einer Phasenzahl von 3 ein Hauptstatorzahnwinkel CIMT , d.h. der Wnkelbereich der durch einen der Hauptstatorzähne überdeckt wird, 2/3 ap entsprechen, wobei ap einem Polwinkel eines Läuferpols entspricht.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine mit der obigen Statoranordnung und einem Läufer mit Läuferpolen vorgesehen.
Weiterhin kann die Polpaarzahl des Läufers fünf entsprechen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit der obigen elektrischen Maschine und mit Leistungsmodulen vorgesehen, die jeweils zur Ansteuerung einer oder mehrerer der Wicklungseinheiten ausgebildet sind.
Weiterhin können die Leistungsmodule ausgebildet oder ansteuerbar sein, um die Wicklungseinheiten mit einem Phasenversatz der Phasenströme anzusteuern. Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Querschnittsdarstellung durch eine elektronisch kommu- tierte elektrische Maschine;
Figur 2 einen Ausschnitt durch die elektrische Maschine der Figur 1 zur Veranschaulichung der Dimensionierung der Statorzähne der Statoranordnung der elektrischen Maschine;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Ansteuerung der elektrischen Maschine mit separaten Leistungsmodulen;
Figur 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Verläufe der Phasenströme einer der Wicklungseinheiten; und
Figur 5 eine Darstellung des Momentenverlaufs über dem Drehwinkel.
Beschreibung von Ausführungsformen
In Figur 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine beispielhafte permanentmagneterregte elektrische Maschine 1 dargestellt. Die elektrische Maschine weist eine Statoranordnung 2 und einen Läufer 3 auf. Die Statoranordnung 2 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist eine ebenfalls zylindrische Innenausnehmung 4 auf, in der der Läufer 3 drehbeweglich angeordnet ist.
Die Statoranordnung 2 weist ein zylindrisches Statorjoch 21 auf, von dem gleichmäßig beabstandete Statorzähne 22 nach innen abstehen. Im vorliegenden Aus- führungsbeispiel sind 16 Statorzähne 22 vorgesehen. Die Statorzähne 22 umfassen Hauptstatorzähne 22a und Abstandsstatorzähne 22b. Jeder der Statorzähne 22a, 22b ist mit einem von dem Statorjoch 21 abstehenden Zahnschaft 23 vorgesehen, an dessen nach innen abstehenden Ende ein Zahnkopf 24 angeordnet ist. Die Zahnköpfe 24 stellen über die Breite der Zahnschäfte 23 überstehende Zahnkopfabschnitte dar, die den Statorzahn 22 an dessen Ende verbreitern, und bilden die zylindrische Kontur der Innenausnehmung 4.
Der Läufer 3 ist mit einem Läuferkörper 31 und mit die Läuferpole 32 ausbildenden Permanentmagneten 33 vorgesehen. Die Permanentmagnete 33 sind als aufgesetzte Oberflächenmagnete vorgesehen, die an ihren den Statorzähnen zugewandten Flächen eine Konturierung, beispielsweise eine Richterkontur oder dergleichen aufweisen. In alternativen Ausführungsformen kann der Läufer 3 auch mit vergrabenen Permanentmagneten ausgebildet sein.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist die elektrische Maschine 1 sechzehn Statorzähne 22 und zehn Läuferpole 32 auf. Die sechzehn Statorzähne 22 umfassen vier Statorzahngruppen von benachbarten Hauptstatorzähnen 22a, die jeweils durch einen der Abstandsstatorzähne 22b voneinander getrennt sind.
Die Hauptstatorzähne 22a einer Statorzahngruppe G sind jeweils mit einer Statorspule 26 umwickelt, die einer Phase bzw. einem Phasenstrang zugeordnet sind. Die Statorspulen 26 einer der Statorzahngruppen G bilden eine Wicklungseinheit 28. Die Statorspulen 26 einer Statorzahngruppe G sind jeweils unterschiedlichen Phasen zugeordnet, so dass in den gezeigten Ausführungsbeispielen an den Statorzähnen 22a einer Statorzahngruppe G Statorspulen 26 für drei Phasen angeordnet sind. Der Abstandsstatorzahn 22b zwischen zwei benachbarten Statorzahngruppen G ermöglicht es, dass die einander unmittelbar benachbarten Statorspulen 26 von zwei benachbarten Statorzahngruppen G nicht in derselben Statornut 25 liegen, so dass Kurzschlüsse zwischen den Statorspulen von verschiedenen Wicklungseinheiten nicht auftreten können.
In Figur 2 ist in einer Detailansicht der elektrischen Maschine 1 die Dimensionierung des Abstandsstatorzahns 22b, der Hauptstatorzähne 22a und der Läuferpole 32 veranschaulicht. Die Hauptstatorzahnbreite WMT, d.h. die Breite der Hauptstatorzähne 22a in Umfangsrichtung, ist dabei gleich oder kleiner als die Abstands- statorzahnbreite WST, d.h. die Breite der Abstandsstatorzähne 22b in Umfangsrichtung (dies ist in Fig. 1 - 3 nicht maßstabgetreu eingezeichnet):
WMT <= WST
Dies ermöglicht es, beim Betrieb der elektrischen Maschine eine magnetische Sättigung in dem Abstandsstatorzahn 22b zu vermeiden.
Die Statorzähne 22 sind mit ihrer Mittenachse nicht gleichmäßig voneinander beabstandet und bilden zwischen ihnen Statornuten 25 aus.
Insbesondere sind Hauptzahnabstände OH zwischen den Mittenachsen der Hauptstatorzähne 22a größer als die Abstandszahnabstände CIA zwischen der Mittenachse eines Hauptstatorzahns und der Mittenachse eines benachbarten Ab- standsstatorzahns 22b. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel betragen die Hauptzahnabstände OH (Winkelabstand) 24° und Abstandszahnabstände CIA 21 °. Allgemein gilt αΗ =360 (N (P+1)) +ΔΑ
aA =360 (N (P+1)) - ΔΑ(Ρ-1)/2 einer Anzahl N von separaten Wicklungseinheiten und P der Phasenzahl jeder der Wicklungseinheiten entspricht. ΔΑ entspricht einem wählbaren Unterschiedsabstand der im Bereich bis 10 % von 360 N gewählt werden kann.
Weiterhin beträgt der elektrische Hauptstatorzahnwinkel CIMT , d.h. der Wnkelbe- reich der durch einen der Hauptstatorzähne 22a überdeckt wird, gemessen zwischen den Mitten der Nutöffnungen der den betreffenden Hauptstatorzahn 22a begrenzenden Statornuten 25, 120° elektrischem Lagewinkel, wobei der elektrische Lagewinkel als 360° durch die Polpaarzahl des Läufers 3 definiert ist.
Weiterhin soll gelten: CIMT = 2/3 cip, wobei cip dem Läuferpolwinkel, d.h. den Winkelbereich, der ein Läuferpol überdeckt, entspricht. Weiterhin soll der Abstandsstatorzahnwinkel CIST , d.h. der Winkelbereich der durch einen der Abstandsstatorzähne 22b überdeckt wird, gemessen von den Mitten der Nutöffnungen der benachbarten Statornuten 25 , 90° elektrischer Wnkellage entsprechen, was eine Hälfte der eines Läuferpolwinkels cip entspricht:
Allgemein gilt für eine elektrische Maschine mit einer Polpaarzahl von O, einer Anzahl N von separaten Wicklungseinheiten für den Abstandsstatorzahnwinkel CIST aST = 360°(1/N - 1/0).
Entsprechend gilt für den mechanischen Hauptstatorzahnwinkel CIMT eines der Hauptstatorzähne 22a
QMT = 360° / (O P), wobei P der Anzahl der Phasen der elektrischen Maschine entspricht.
In Figur 3 ist eine schematische Darstellung einer Ansteuerung der elektrischen Maschine der Figur 1 dargestellt. Man erkennt, dass die drei Phasen jeder der Wicklungseinheiten 28 durch ein separates Leistungsmodul 5 angesteuert werden. Dabei können die Phasenstränge jeder der Wicklungseinheiten 28 entweder in einer Stern- oder einer Polygonschaltung verschaltet werden.
Die Wicklungseinheiten, die diametral einander gegenüberliegen, werden mit dreiphasigen Ansteuerströmen, wie sie beispielsweise in dem Diagramm der Figur 4 dargestellt sind, angesteuert, die zueinander um 90° von den Ansteuerströmen einer Ansteuerung der übrigen beiden Wcklungseinheiten 28, die ebenfalls einander gegenüberliegen, versetzt sind. Beispielsweise können für die Ansteuerung der Wcklungseinheiten W1 und W3 folgende Stromverläufe über dem elektrischen Lagewinkel Θ vorgesehen werden: iA = I sin(ö) iB = I sin(0 + 120°)
ic = I sin(Ö - 120°) wobei die Stromverläufe der Wicklungseinheiten W2 und W4 wie folgt angesteuert werden. ίΑ = I sin(0 + 90°)
iB = I sin(0 - 150°)
ic = I sin(0 - 30°)
In Figur 5 ist der normalisierte Drehmomentenverlauf über einen Bereich von elektrischen Lagewinkeln dargestellt für die Fälle, dass nur die Wicklungseinheiten W1 und W3 und nur die Wcklungseinheiten W2 und W4 angesteuert werden, und für den Fall, dass alle vier Wicklungseinheiten mit der 90° zueinander versetzten Phasenströmung angesteuert werden. Dadurch kann das Drehmomentenrippel der elektrischen Maschine erheblich, für das vorliegende Ausführungsbeispiel von 13,5% auf 1 ,9% des durchschnittlichen Drehmoments, reduziert werden.

Claims

Ansprüche
1. Statoranordnung (2) für eine elektrische Maschine, umfassend:
ein zylindrisches Statorjoch (21) mit davon abstehenden Hauptstatorzähnen (22a) und Abstandsstatorzähnen (22b), wobei mehrere Statorzahngruppen (G) aus mehreren benachbarten Hauptstatorzähnen (22a) jeweils durch einen Abstandsstatorzahn (22b) voneinander getrennt sind;
mehrere separate Wicklungseinheiten (28) mit jeweils einer Anzahl von Phasensträngen, die jeweils eine oder mehrere Phasenspulen (26) aufweisen, wobei die Wicklungseinheiten (28) jeweils einer der Statorzahngruppen (G) zugeordnet und an dieser angeordnet sind.
2. Statoranordnung (2) nach Anspruch 1 , wobei die Breite von Zahnschäfte (23) der Abstandsstatorzähne (22b) gleich oder größer ist als die Breite von Zahnschäften (23) der Hauptstatorzähne (22a).
3. Statoranordnung (2) nach Anspruch 2, wobei die Abstandsstatorzähne (22b) und die Hauptstatorzähne (22a) jeweils Zahnköpfe (24) aufweisen, die bezüglich der Zahnschäfte (23) in Umfangsnchtung verbreitert sind, wobei insbesondere der Zahnkopfüberstand in Umfangsnchtung bei den Hauptstatorzähnen (22a) größer ist als bei den Abstandsstatorzähnen (22b).
4. Statoranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei einer Polpaarzahl O und einer Anzahl N von separaten Wcklungseinheiten ein Abstandsstatorzahn- winkel CIST, d.h. der Wnkelbereich der durch einen der Abstandsstatorzähne (22b) überdeckt wird, 360° (1/N - 1/0) beträgt.
5. Statoranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei bei einer Polpaarzahl O, einer Phasenzahl P und einer Anzahl N von separaten Wcklungseinheiten (28) ein Hauptstatorzahnwinkel CIMT, d.h. der Winkelbereich der durch einen der Hauptstatorzähne (22b) überdeckt wird, 360° / (O * P) beträgt.
6. Statoranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Hauptzahnab- stände QH zwischen den Mittenachsen der Hauptstatorzähne (22a) größer sind, als die Abstandszahnabstände CIA zwischen der Mittenachse eines Hauptstatorzahns (22a) und der Mittenachse eines benachbarten Abstandsstatorzahns (22b), und insbesondere die Hauptzahnabstände QH (Winkelabstand) 24° und die Abstandszahnabstände (Wnkelabstand) CIA 210 betragen.
7. Elektrische Maschine (1) mit einer Statoranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und einem Läufer (3) mit Läuferpolen.
8. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 7, wobei bei einer Polpaarzahl von 5, vier separaten Wcklungseinheiten (28) und einer Phasenzahl von 3 ein Abstands- statorzahnwinkel CIST, d.h. der Winkelbereich der durch einen der Abstands- statorzähne (22b) überdeckt wird, 1/2 ap entspricht, wobei ap einem Polwinkel eines Läuferpols entspricht.
9. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei bei einer Polpaarzahl von 5, vier separaten Wcklungseinheiten und einer Phasenzahl von 3 ein Hauptstatorzahnwinkel CIMT , d.h. der Wnkelbereich der durch einen der Hauptstatorzähne überdeckt wird, 2/3 ap entspricht, wobei ap einem Polwinkel eines Läuferpols entspricht.
10. Motorsystem mit einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9 und mit Leistungsmodulen (5), die jeweils zur Ansteuerung einer oder mehrerer der Wicklungseinheiten (28) ausgebildet sind.
1 1. Motorsystem nach Anspruch 10, wobei die Leistungsmodule (5) ausgebildet sind oder ansteuerbar sind, um die Wcklungseinheiten (28) mit einem Phasenversatz der Phasenströme anzusteuern.
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