WO2013160047A2 - Elektrische maschine - Google Patents

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WO2013160047A2
WO2013160047A2 PCT/EP2013/056265 EP2013056265W WO2013160047A2 WO 2013160047 A2 WO2013160047 A2 WO 2013160047A2 EP 2013056265 W EP2013056265 W EP 2013056265W WO 2013160047 A2 WO2013160047 A2 WO 2013160047A2
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rotor
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tooth
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Gurakuq Dajaku
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Feaam Gmbh
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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

Definitions

  • the present invention relates to an electric machine.
  • An electric machine usually comprises a GePFu ⁇ sefesten stator and a rotor which is movable relative to the stator.
  • the rotor may be rotatable with respect to the stator or linearly displaceable therewith.
  • Such machines are characterized for example by advantages of a compact design, a simple production, high winding factors and low copper losses and short end windings.
  • a concentrated winding is characterized in that the coils of the winding are wound around a tooth.
  • the object of the invention is to reduce harmonic components of the magnetomotive force, which are different from the working shaft of the machine, and thereby to reduce the above-mentioned disadvantages.
  • an electric machine in an embodiment, includes a stator and a rotor movable relative to the stator.
  • the stator has grooves for receiving electrical windings. Between adjacent slots of the stator, teeth of the stator are respectively formed.
  • the electric machine points In operation, a working shaft of the magnetomotive force, which is different from a fundamental wave of the magnetic flux of the magnetomotive force.
  • the stator has at least one recess which is arranged in the tooth region of the stator, that is to say in the region between two grooves, and is expanded substantially in the radial direction.
  • the stator is usually made of iron, and realized before ⁇ granted by means of laminated cores. Accordingly, recess means the absence of iron or the abwe ⁇ ence of the magnetic flux carrying material, in such a way that the magnetic flux is inhibited in the area of the recess.
  • Coils of an electrical winding system are wound around the teeth of the stator.
  • Other concentrated Wicklungssys ⁇ tems are possible.
  • the recess in the area of the tooth will cause unwanted ⁇ wish harmonic components of the magnetomotive force can be significantly reduced. All harmonic components that are not used as a working wave are considered undesirable. These may be higher harmonics and / or sub-harmonics, the terms being higher and sub- respectively related to the order of harmonics used as the working wave.
  • the reduction of the unwanted harmonics for example the fundamental wave to which the ordinal number 1 is assigned, in turn leads to the efficiency of the machine being achieved. increases and / or unwanted acoustic impairments and vibrations are reduced.
  • the notch in the tooth area not only leads to a significant reduction of the fundamental wave, but also to the reduction of other unwanted harmonics and at the same time to an increase of the harmonics, which is used as a working wave. In this way, even the nominal torque of the engine is increased by the pre schla ⁇ gene action.
  • the proposed recess requires no significant additional effort in the production, since the laminated cores of the stator are usually stamped parts anyway and the Ausneh ⁇ tion can be punched out in the same step.
  • the recess forms a mechanical barrier for reducing the fundamental wave of the magnetic flux in the tooth region.
  • the fundamental is weakened by 50% or more.
  • the working wave in the tooth region is increased due to the mechanical barrier.
  • the recess is formed in the tooth area in such a way that the working shaft is reinforced.
  • the recess may be designed as an additional groove in the tooth region of the stator.
  • the recess is provided in the tooth region and extends into a yoke region of the stator. one.
  • the groove may be provided on a rotor-facing side of the stator and / or on a side facing away from the rotor of the stator.
  • the recess may be provided as a completely continuous groove from the side of the stator facing the rotor to the side of the stator facing away from the rotor, so that the tooth decays into two tooth parts which are not connected to one another.
  • the term is not connected is based on the magnetic flux in the iron of the stator and means for ⁇ play that an absence of the stator iron or egg nes other the magnetic flux conducting material is provided or other means for weakening the magnetic flux are provided in this area.
  • the stator consists of a plurality of stator regions arranged along the circumference. Depending ⁇ the stator comprises at least one groove portion and two adjoining, oppositely arranged teeth members. Respective tooth parts of adjacent stator regions are spaced apart from one another by the recess or are coupled to one another.
  • the recess may be formed, for example, in each tooth of the stator or in every other tooth of the stator. If the recess is formed in each tooth of the stator, it may, for example, be designed alternately as a groove starting from a side facing the rotor or the rotor facing away from the stator.
  • the electric machine can be designed, for example, as a machine, where the ratio of the number of slots to the number of poles in the rotor is 12:10 or 12:14. It can also be provided integer multiples of the number of grooves and / or the number of poles.
  • the electrical machine may be designed as a linear machine, axial flow ⁇ machine, radial flux machine, asynchronous or Syn ⁇ chronmaschine. It can also be constructed with internal rotor or external rotor. The rotor of the machine can in the case of asynchronous machine as squirrel cage or
  • the rotor may be a permanent magnet rotor, a rotor with buried magnets, an electrically powered rotor, in particular full pole rotor, salient pole rotor, heteropolar rotor, homopolar rotor.
  • the machine may additionally or alternatively comprise a reluctance rotor.
  • FIG. 2 shows a comparison of the distribution of the air gap induction and corresponding harmonic in its Fourier analysis in the embodiment of the machine of FIG. 1 compared with a conventional machine
  • FIG. 3 shows an exemplary graph of the course of the electromagnetic torque over various electrical angular positions
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment according to the proposed principle on an example with different tooth widths
  • Figure 8 shows an embodiment according to the proposed
  • FIG. 9 shows another embodiment of the flow barriers
  • FIG. 10 shows a further embodiment of the flow barriers in all teeth
  • FIG. 11 shows a further exemplary embodiment with different flow barriers in adjacent teeth
  • Figure 12 shows an embodiment according to the proposed
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of an electrical machine with a stator 7 and a rotor 8.
  • the machine is designed as a rotating electric machine with an external stator 8 and an internal rotor 8.
  • the stator has twelve teeth and twelve grooves.
  • the rotor has 14 poles, which is reali ⁇ Siert with distributed along the circumference of the permanent magnet, which are designed alternately with north and south pole N, S, realized.
  • the stator teeth are wound with a concentrated layer A ⁇ development. That is, every second tooth 3 is wound with an electric coil, with each intervening teeth remaining unwound.
  • the stator is wound with an electric three-phase system, which has three electrical strands A, B, C, which are assigned to three three phases of a three-phase system shifted by 120 ° to each other electrically.
  • a recess 4 is provided, which cuts through the respective tooth in the radial direction.
  • the recess extends from the rotor-facing side of the stator to the outer circumference of the stator in the yoke region and separates the tooth centrally and symmetrically into two equal halves. As a result, the stator decomposes into six stator areas.
  • Each stator area is separated from the adjacent stator area in the stator iron, which means that the magnetic flux in the stator is in operation adjusts the machine, is significantly reduced by the reali ⁇ based on the recess 4 magnetic barrier. This applies in particular to the fundamental wave.
  • the sieve ⁇ th harmonic of the magnetomotive force is used as the working shaft.
  • the recess 4 has, starting from the rotor has a constant cross-section in the direction of Statorauseren, and has on the stator outside, in the yoke region of the stator, an addi ⁇ che increased cross-sectional enlargement of the recess. This broadening is no longer in the actual tooth area, but in the area of the stator yoke on the outside of the stator.
  • the six stator regions are each constructed identically, distributed along the circumference of the stator and each have centrally a wound tooth 3, followed by the opposite grooves 1, 2, each receiving an electrical winding. This in turn is followed by tooth halves, which remain unwound in the example.
  • FIG. 2 shows a comparison of the distribution of the harmonics of the air-gap induction, wherein in each case a conventional stator without the recesses 4 and a stator according to the embodiment of FIG. 1 adjoin one another for comparison.
  • the first subharmonic ie the fundamental wave
  • the fifth subharmonic is reduced by about 19%.
  • the wave of work namely the seventh harmonic
  • the wave of work is increased by about 17%.
  • uner ⁇ wish subharmonic be significantly reduced, thus reducing the losses in the machine with the new Statortopologie and efficiency he ⁇ increased.
  • mainly erantwortliche for the nominal torque of the engine output shaft is at the same time interpreting ⁇ Lich, in the example, increased by 17%.
  • the proposed principle is characterized by the fact that there is not only no undesirable negative influence on the working shaft and the torque of the machine, but even the reverse case occurs ⁇ , namely an increase in the working shaft , 3 illustrates this advantageous effect of the principle proposed according to the embodiment of Figure 1. It is clearly evident that in absolute value, a RMS current of 70 amperes, the electromagnetic torque which is applied in electrical degrees above the Win ⁇ kelposition, for the new configuration for a is higher and on the other hand has a lower ripple.
  • FIG 4 finally illustrates the advantages of the pre schla ⁇ genes principle regarding the losses.
  • Each of the stator copper losses, the stator iron ⁇ losses, the rotor iron loss and the magnetic loss of a conventional machine with the new machine according to Figure 1 are compared in four positions representation. As you can see immediately, the rotor iron and magnetic losses are significantly reduced in the proposed principle, namely more than halved.
  • the stator copper and the stator iron losses are significantly reduced in the proposed principle, namely more than halved.
  • Figure 5 shows an alternative execution ⁇ form to the exemplary embodiment of FIG 1.
  • the teeth have a different tooth width.
  • the recesses are in turn formed only in every second tooth.
  • the interposed wound teeth 3 have a smaller cross-section, which is referred to as tooth width.
  • Figu ⁇ ren and applies that instead of the illustrated single-layer and a multi-layer winding can be used.
  • the effective tooth width of the wound teeth is adapted to the tooth width of the unwound teeth which have the off ⁇ recess and so effectively have a reduced cross-section.
  • Figure 6 shows a further alternative exemplary exporting ⁇ approximate shape in modification of the embodiment of Figure 1.
  • the recess 4 is provided not only in the unwound teeth, but also in the wound teeth.
  • FIG. 6 A further development of the principle of FIG. 6 is shown in FIG. Since in the examples of FIGS. 6 and 7 the stator decays into a total of twelve U-shaped stator elements, which have no iron connection with each other, but are spaced from each other, the U-shape of the twelve Sta ⁇ tormaschine by means in the radial direction and in the circumferential direction, but not in the axial direction laminated iron cores can be realized. This results in a different structure of the stator lamination. While the rotor according to FIG. 7 also has an axially laminated laminated core, it is now radially laminated at the stator. This has advantages with respect to eddy current losses and more efficient utilization of the iron material used.
  • Figure 8 shows another modification of the embodiment of Figure 1.
  • the recesses 4 of Figure 1 are not formed as continuous grooves, but as rectangular recesses 9 which extend in the radial direction and are formed in each second tooth of the stator, however, each on the side facing the rotor and facing away from the rotor side of the stator leave a thin-walled iron connection between the individual stator.
  • the recess 4 nevertheless extends into the yoke region of the stator.
  • Figure 9 shows, starting from Figure 1 a repeated Abwand ⁇ development of the geometry of the recesses. Instead of the through recesses 4, which completely subdivide the stator into individual stator regions, a groove is provided in every second tooth in FIG. 9 which, starting from the outside of the stator, is introduced in the direction of the side of the stator facing the rotor.
  • This groove 10 has a constant cross-section and ⁇ leads from the exterior of the stator almost to the side opposite to the rotor tooth head, but it remains a thin area of iron material are at the end of the tooth of the rotor facing side.
  • FIG. 10 shows an alternative embodiment starting from FIG. 8, which largely corresponds to it.
  • the recess 9 is not provided in every other tooth of the stator, but in each tooth of the stator, that is, in the unwound and in the wound teeth in the case of a concentrated single-layer winding. It remains in each case on the side remote from the rotor side of the stator and rotor on the side facing the side of the stator, a web of material of the stator iron ste ⁇ hen, so that no continuous groove results in the stator. Since ⁇ wherein the recess extends in this example in the yoke portion of the stator.
  • FIG. 11 shows a further development of the embodiment of FIG. 9.
  • a groove 11 is likewise provided in the teeth 3 without a recess in FIG. 9, which however, in contrast to the grooves 10 provided in FIG Having rotor facing side of the stator.
  • grooves are alternately provided on adjacent teeth which alternately have an opening on the side 11 facing the rotor or grooves 10 which have an opening on the side of the stator facing away from the rotor.
  • On the je ⁇ Weil opposite side of the grooves 10, 11 remains a web of iron material.
  • the recess extends in all the grooves 10, 11 in this example in the yoke region of the stator.
  • FIG. 12 shows a modification of the embodiment of FIG. 1, in which the proposed principle differs from that shown in FIG.
  • the machine with twelve teeth and 14 poles is transferred to a machine with only six teeth and eight poles.
  • восем ⁇ magnets are distributed in the rotor along the circumference, each of which alternately forms north and south poles S, N. These are oriented forms ⁇ in the example as a buried permanent magnets.
  • Figure 13 shows a modification of the embodiment of figure 1, another rotor topology, the stator 7 is formed in Figure 13 identical ⁇ table as in FIG. 1
  • the rotor 8 'of Figure 13 is not designed with buried permanent magnets, but as a reluctance rotor. In this case, a total of 14 rotor poles are formed along the circumference of the rotor 8 '. Each pole is made up of multiple V-shaped areas with missing iron, ie air. Thus, a reluctance rotor without permanent magnets 8 'is formed.
  • FIG. 14 Another reluctance rotor is shown in FIG. 14, the stator 7 again does not differ from that shown in FIG. However, in contrast to FIG. 1, the rotor 8 '' has a tooth-shaped cross-section with teeth of rectangular design and is thus designed as a reluctance rotor, again without permanent magnets.
  • This principle will too referred to as a switched reluctance machine and is presently realized with a geometry with twelve grooves, that is twelve teeth and 14 poles.

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Abstract

Es ist eine elektrische Maschine angegeben, die einen Stator (7) und einen relativ dazu beweglichen Rotor (8) umfasst. Der Stator (7) weist Nuten (1, 2) zur Aufnahme elektrischer Wicklungen (+A, -A) auf, wobei zwischen benachbarten Nuten Zähne (3) des Stators ausgebildet sind. Im Betrieb der Maschine ist eine Arbeitswelle der magnetomotorischen Kraft verschieden von einer Grundwelle des Magnetflusses. Der Stator (7) weist wenigstens eine Ausnehmung (4) auf, die im Zahnbereich angeordnet und in im Wesentlichen radialer Richtung ausgedehnt ist.

Description

Beschreibung
Elektrische Maschine Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine.
Eine elektrische Maschine umfasst üblicherweise einen gehäu¬ sefesten Stator sowie einen Rotor, der relativ zum Stator beweglich ist. Der Rotor kann beispielsweise drehbar bezüglich des Stators gelagert oder linear dazu verschiebbar sein.
Elektrische Maschinen werden den elektro-mechanischen Energiewandlern zugeordnet. Dabei können sie motorisch oder generatorisch arbeiten. In den letzten Jahren hat sich abgezeichnet, dass bürstenlose Maschinen mit konzentrierten Wicklungen zunehmend in zahlreichen industriellen Anwendungen eingesetzt werden. Diese Maschinen können permanentmagneterregt arbeiten und/oder als Reluktanzmaschine ausgebildet sein.
Derartige Maschinen zeichnen sich beispielsweise durch Vorteile eines kompakten Aufbaus, einer einfachen Fertigung, hoher Wicklungsfaktoren und geringer Kupferverluste sowie kurzer Wickelköpfe aus.
Nachteile derartiger Maschinen sind die zahlreichen harmonischen Komponenten der vom Stator im Betrieb hervorgerufenen magnetomotorischen Kraft, außer derjenigen Komponente, die als Arbeitswelle der elektrischen Maschine genutzt wird. Die- se Harmonischen erhält man, wenn die magnetomotorische Kraft in ihren harmonischen Komponenten, beispielsweise mittels einer Fourier-Zerlegung aufgespalten wird. Folge dieser unerwünschten harmonischen Komponenten sind Eisenverluste und Magnetverluste des Rotors sowie Eisenverluste im Stator. Die harmonischen Komponenten außer derjenigen, die als Arbeitswelle der elektrischen Maschine genutzt wird, sind unter anderem deswegen nachteilhaft, da sie zu Verlusten führen und zudem unerwünschte, insbesondere akustische Beein¬ trächtigungen und Vibrationen im Betrieb der Maschine verursachen können. Die oben erwähnte konzentrierte Wicklung kann als Einschicht¬ oder Mehrschichtwicklung ausgeführt sein. Unter Einschichtwicklung ist dabei verstanden, dass nur jeder zweite Zahn entlang des Umfangs des Stators von einer elektrischen Wicklung bewickelt ist. Ein Zahn ist dabei zwischen zwei benach- barten Nuten des Stators ausgebildet, wobei die Nuten zur
Aufnahme der elektrischen Wicklung dienen. Im Unterschied zu einer verteilten Wicklung zeichnet sich eine konzentrierte Wicklung dadurch aus, dass die Spulen der Wicklung um je einen Zahn gewickelt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, harmonische Komponenten der magnetomotorischen Kraft, die von der Arbeitswelle der Maschine verschieden sind, zu reduzieren und hierdurch die oben erwähnten Nachteile zu verringern.
Die Aufgabe wird von einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
In einer Ausführungsform umfasst eine elektrische Maschine einen Stator und einen relativ zum Stator beweglichen Rotor. Der Stator weist Nuten zur Aufnahme elektrischer Wicklungen auf. Zwischen benachbarten Nuten des Stators sind jeweils Zähne des Stators ausgebildet. Die elektrische Maschine weist im Betrieb eine Arbeitswelle der magnetomotorischen Kraft auf, die verschieden von einer Grundwelle des Magnetflusses der magnetomotorischen Kraft ist. Weiterhin weist der Stator mindestens eine Ausnehmung auf, welche im Zahnbereich des Stators, also im Bereich zwischen zwei Nuten, angeordnet und im Wesentlichen in radialer Richtung ausgedehnt ist.
Der Stator ist üblicherweise aus Eisen gefertigt, und bevor¬ zugt mittels Blechpaketen realisiert. Ausnehmung bedeutet demnach die Abwesenheit von Eisen beziehungsweise die Abwe¬ senheit von den Magnetfluss führendem Material, derart, dass der Magnetfluss im Bereich der Ausnehmung gehemmt wird.
Um die Zähne des Stators sind Spulen eines elektrischen Wick- lungssystems gewickelt. Dabei kann beispielsweise jeder Zahn des Stators oder jeder zweite Zahn zur Realisierung einer Einschicht- beziehungsweise Zweischichtwicklung mit einer Spule bewickelt sein. Auch andere konzentrierte Wicklungssys¬ teme sind möglich.
Die Ausnehmung im Bereich des Zahns führt dazu, dass uner¬ wünschte harmonische Komponenten der magnetomotorischen Kraft signifikant reduziert werden. Als unerwünscht gelten dabei alle harmonischen Komponenten, die nicht als Arbeitswelle ge- nutzt werden. Dies können höhere Harmonische und/oder Sub- Harmonische sein, wobei die Begriffe höher und Sub- jeweils auf die Ordnung der als Arbeitswelle genutzten Harmonischen bezogen sind. Die Reduzierung der unerwünschten Harmonischen, beispielsweise der Grundwelle, der die Ordnungszahl 1 zugewiesen ist, führt wiederum dazu, dass der Wirkungsgrad der Maschine er- höht und bzw. oder unerwünschte akustische Beeinträchtigungen und Vibrationen reduziert sind.
Die Ausnehmung im Zahnbereich führt jedoch nicht nur zu einer signifikanten Reduzierung der Grundwelle, sondern zudem zur Reduzierung anderer unerwünschter Harmonischer und zugleich sogar zu einer Erhöhung der Harmonischen, die als Arbeitswelle genutzt wird. Hierdurch erhöht sich durch die vorgeschla¬ gene Maßnahme sogar das Nenndrehmoment der Maschine.
Die vorgeschlagene Ausnehmung erfordert in der Herstellung keinen nennenswerten Zusatzaufwand, da die Blechpakete des Stators ohnehin üblicherweise Stanzteile sind und die Ausneh¬ mung im gleichen Arbeitsschritt ausgestanzt werden kann.
In einer Ausführung bildet die Ausnehmung eine mechanische Barriere zur Reduzierung der Grundwelle des Magnetflusses im Zahnbereich . Die Grundwelle wird hierbei beispielsweise um 50 % oder mehr geschwächt .
In einer Ausführungsform wird die Arbeitswelle im Zahnbereich aufgrund der mechanischen Barriere erhöht. Mit anderen Worten ist die Ausnehmung derart im Zahnbereich ausgebildet, dass die Arbeitswelle verstärkt wird.
Die Ausnehmung kann als zusätzliche Nut im Zahnbereich des Stators ausgeführt sein.
In einer Ausführungsform ist die Ausnehmung im Zahnbereich vorgesehen und reicht in einen Jochbereich des Stators hin- ein. Damit ist bewirkt, dass auch im Jochbereich eine Abwe¬ senheit von Stator-Eisen erzielt ist.
Dabei kann die Nut auf einer dem Rotor zugewandten Seite des Stators und/oder auf einer dem Rotor abgewandten Seite des Stators vorgesehen sein.
Alternativ kann die Ausnehmung als vollständig durchgehende Nut von der dem Rotor zugewandten Seite des Stators zu der dem Rotor abgewandten Seite des Stators vorgesehen sein, sodass der Zahn in zwei nicht miteinander verbundene Zahnteile zerfällt. Der Begriff nichtverbunden ist dabei auf den Magnetischen Fluss im Eisen des Stators bezogen und bedeutet bei¬ spielsweise, dass eine Abwesenheit des Statoreisens oder ei- nes anderen den Magnetfluss leitenden Materials vorgesehen ist oder andere Maßnahmen zur Schwächung des Magnetflusses in diesen Bereich vorgesehen sind.
Im Falle der separaten Statorbereiche besteht der Stator aus mehreren entlang des Umfangs angeordneter Statorbereiche. Je¬ der Statorbereich umfasst mindestens einen Nutbereich und zwei sich daran anschließende, gegenüberliegend angeordnete Zahnteile. Jeweilige Zahnteile benachbarter Statorbereiche sind durch die Ausnehmung voneinander beabstandet beziehungs- weise miteinander gekoppelt.
Die Ausnehmung kann beispielsweise in jedem Zahn des Stators oder in jedem zweiten Zahn des Stators gebildet sein. Wenn die Ausnehmung in jedem Zahn des Stators gebildet ist, kann sie beispielsweise abwechselnd als Nut ausgehend von einer dem Rotor zugewandten Seite beziehungsweise dem Rotor abgewandten Seite des Stators ausgeführt sein. Die elektrische Maschine kann beispielsweise als Maschine ausgeführt sein, bei der das Verhältnis der Anzahl der Nuten zur Anzahl der Pole im Rotor 12:10 oder 12:14 beträgt. Es können dabei auch ganzzahlige Vielfache der Anzahl der Nuten und/oder der Anzahl der Pole vorgesehen sein.
Die elektrische Maschine kann als Linearmaschine, Axialfluss¬ maschine, Radialflussmaschine, Asynchronmaschine oder Syn¬ chronmaschine ausgeführt sein. Sie kann zudem mit Innenläufer oder mit Außenläufer aufgebaut sein. Der Rotor der Maschine kann im Falle der Asynchronmaschine als Käfigläufer oder
Mehrschichtrotor ausgeführt sein. Im Falle einer Synchronmaschine kann der Rotor ein Permanentmagnetrotor, ein Rotor mit vergrabenen Magneten, ein elektrisch gespeister Rotor, insbesondere Vollpolrotor, Schenkelpolrotor, Heteropolarrotor, Ho- mopolarrotor sein. Die Maschine kann zusätzlich oder alternativ einen Reluktanzrotor aufweisen.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbei¬ spielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Teile.
Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip im Querschnitt,
Figur 2 einen Vergleich der Verteilung der Luftspaltinduk- tion und entsprechender Harmonischer in ihrer Fourier-Analyse bei der Ausführung der Maschine von Figur 1 verglichen mit einer herkömmlichen Maschine, Figur 3 ein beispielhaftes Schaubild des Verlaufs des elektromagnetischen Drehmoments über verschiedene elektrische Winkelpositionen,
Figur 4 einen Vergleich der Verluste anhand eines beispiel¬ haften Schaubilds,
Figur 5 eine alternative Ausführungsform nach dem vorge- schlagenen Prinzip an einem Beispiel mit unterschiedlichen Zahnbreiten,
Figur 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach dem vorge¬ schlagenen Prinzip mit Ausnehmungen in allen Sta- torzähnen,
Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach dem vorge¬ schlagenen Prinzip mit radial und in Umfangsrich- tung laminiertem Eisen,
Figur 8 ein Ausführungsbeispiel nach dem vorgeschlagenen
Prinzip mit Flussbarrieren in jedem zweiten Zahn,
Figur 9 ein anderes Ausführungsbeispiel der Flussbarrieren,
Figur 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Flussbarrieren in allen Zähnen,
Figur 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit unterschiedli- chen Flussbarrieren in benachbarten Zähnen,
Figur 12 ein Ausführungsbeispiel nach dem vorgeschlagenen
Prinzip für eine achtpolige Maschine, Figur 13 ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Prinzips mit Reluktanzrotor, und Figur 14 ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Prinzips angewendet auf eine geschaltete Reluktanzma¬ schine .
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Ma- schine mit einem Stator 7 und einem Rotor 8. Die Maschine ist als rotierende elektrische Maschine mit einem außen liegenden Stator und einem Innenläufer 8 ausgeführt. Der Stator weist zwölf Zähne und zwölf Nuten auf. Der Rotor weist 14 Pole auf, die mit entlang des Umfangs verteilten Permanentmagneten, die abwechselnd mit Nord- und Südpol N, S ausgeführt sind, reali¬ siert ist. Die Statorzähne sind mit einer konzentrierten Ein¬ schichtwicklung bewickelt. Das heißt, dass jeder zweite Zahn 3 mit einer elektrischen Spule bewickelt ist, wobei jeweils dazwischen liegende Zähne unbewickelt bleiben. Der Stator ist mit einem elektrischen Dreiphasensystem bewickelt, welches drei elektrische Stränge A, B, C aufweist, die drei um 120° elektrisch zueinander verschobenen Phasen eines Drehstromsystems zugeordnet sind. In den jeweils unbewickelten Zähnen ist eine Ausnehmung 4 vorgesehen, welche den jeweiligen Zahn in Radialrichtung durchschneidet. Die Ausnehmung reicht dabei von der dem Rotor zugewandten Seite des Stators bis zum äußeren Umfang des Stators in dessen Jochbereich und trennt den Zahn mittig und symmetrisch in zwei gleiche Hälften. Hierdurch zerfällt der Stator in sechs Statorbereiche. Jeder Statorbereich ist vom benachbarten Statorbereich im Statoreisen getrennt, das heißt, dass der Magnetfluss im Stator, der sich im Betrieb der Maschine einstellt, durch die von der Ausnehmung 4 reali¬ sierte magnetische Barriere signifikant reduziert ist. Dies betrifft insbesondere die Grundwelle. Bei der vorliegenden Maschine wird als Arbeitswelle die sieb¬ te Harmonische der magnetomotorischen Kraft verwendet.
Die Ausnehmung 4 hat ausgehend vom Rotor einen konstanten Querschnitt in Richtung des Statoräußeren, und weist auf der Statoraußenseite, im Jochbereich des Stators, eine zusätzli¬ che Querschnittsvergrößerung der Ausnehmung auf. Diese Verbreiterung befindet sich nicht mehr im eigentlichen Zahnbereich, sondern im Bereich des Statorjochs außen am Stator. Die sechs Statorbereiche sind jeweils identisch aufgebaut, entlang des Umfangs des Stators verteilt und weisen jeweils mittig einen bewickelten Zahn 3 auf, an den sich gegenüberliegende Nuten 1, 2 anschließen, die jeweils eine elektrische Wicklung aufnehmen. Daran wiederum schließen sich Zahnhälften an, die im Beispiel unbewickelt bleiben.
Figur 2 zeigt einen Vergleich der Verteilung der Harmonischen der Luftspaltinduktion, wobei jeweils ein konventioneller Stator ohne die Ausnehmungen 4 und ein Stator gemäß der Aus- führung von Figur 1 zum Vergleich nebeneinander stehen.
Man erkennt, dass die erste Subharmonische, das heißt die Grundwelle, um 73 % reduziert ist. Die fünfte Subharmonische ist um zirka 19 % reduziert. Zugleich ist festzustellen, dass die Arbeitswelle, nämlich die siebte Harmonische, um zirka 17% vergrößert ist. Zusammenfassend werden mit der neuen Statortopologie uner¬ wünschte Subharmonische signifikant reduziert und damit die Verluste in der Maschine reduziert und der Wirkungsgrad er¬ höht. Andererseits wird zugleich die für das Nenndrehmoment der Maschine hauptsächlich erantwortliche Arbeitswelle deut¬ lich, im Beispiel um 17%, erhöht.
Im Vergleich mit anderen bekannten Maßnahmen zur Reduzierung unerwünschter Harmonischer zeichnet sich das vorgeschlagene Prinzip dadurch aus, dass es nicht nur keinen unerwünschten negativen Einfluss auf die Arbeitswelle und das Drehmoment der Maschine gibt, sondern sogar der umgekehrte Fall auf¬ tritt, nämlich eine Verstärkung der Arbeitswelle. Figur 3 verdeutlicht diese vorteilhafte Wirkungsweise des vorgeschlagenen Prinzips gemäß der Ausführung von Figur 1. Man erkennt deutlich, dass bei einem Effektivstrom von 70 Ampere das elektromagnetische Drehmoment, welches über der Win¬ kelposition in elektrischen Graden aufgetragen ist, für die neue Ausgestaltung zum einen absolut höher ist und zum anderen eine geringere Welligkeit aufweist.
Figur 4 schließlich verdeutlicht die Vorteile des vorgeschla¬ genen Prinzips bezüglich der Verluste. Es werden in vier Dar- Stellungen jeweils die Statorkupferverluste, die Statoreisen¬ verluste, die Rotoreisenverluste und die Magnetverluste einer herkömmlichen Maschine mit der neuen Maschine gemäß Figur 1 verglichen. Wie man sofort sieht, sind die Rotoreisen- und Magnetverluste bei dem vorgeschlagenen Prinzip deutlich redu- ziert, nämlich mehr als halbiert. Bei den Statorkupfer- und
Statoreisenverlusten ergeben sich keine Nachteile beziehungsweise sogar ebenfalls leichte Vorteile der neuen Maschinento- pologie . Bei den Diagrammen von Figur 3 und Figur 4 ist jeweils die gleiche Lastbedingung gegeben. Nachfolgend werden alternative Ausführungsformen der Ausnehmung im Stator, nämlich im Zahnbereich, zur Bildung einer Barriere für die Grundwelle vorgestellt. Zudem wird das vor¬ geschlagene Prinzip auf andere Stator- und Rotorgeometrien sowie andere Rotortypen et cetera übertragen.
So zeigt beispielsweise Figur 5 eine alternative Ausführungs¬ form zu der beispielhaften Ausführung von Figur 1. Im Unterschied zu Figur 1 weisen die Zähne eine unterschiedliche Zahnbreite auf. Die Ausnehmungen sind wiederum nur in jedem zweiten Zahn gebildet. Die dazwischen liegenden bewickelten Zähne 3' haben jedoch einen geringeren Querschnitt, der als Zahnweite bezeichnet wird. Für diese und die folgenden Figu¬ ren gilt, dass anstelle der gezeigten Einschichtwicklung auch eine Mehrschichtwicklung verwendet werden kann.
Gemäß Figur 5 ist die effektive Zahnweite der bewickelten Zähne an die Zahnweite der unbewickelten Zähne, die die Aus¬ nehmung aufweisen und so effektiv einen verringerten Querschnitt haben, angepasst.
Figur 6 zeigt eine weitere alternative beispielhafte Ausfüh¬ rungsform in Abwandlung der Ausführung von Figur 1. Hierbei ist die Ausnehmung 4 nicht nur in den unbewickelten Zähnen, sondern auch in den bewickelten Zähnen vorgesehen.
Eine Weiterentwicklung des Prinzips von Figur 6 ist in Figur 7 gezeigt. Da bei den Beispielen von Figuren 6 und 7 der Stator in insgesamt zwölf U-förmige Statorelemente zerfällt, die untereinander keine Eisenverbindung aufweisen, sondern voneinander beabstandet sind, kann die U-Form der zwölf Sta¬ torteile mittels in radialer Richtung und in Umfangsrichtung, jedoch nicht in axialer Richtung laminierter Eisenkerne rea- lisiert werden. Hierdurch ergibt sich ein anderer Aufbau des Statorblechpakets. Während der Rotor gemäß Figur 7 weiterhin ein axial laminiertes Blechpaket aufweist, ist dieses beim Stator nunmehr radial laminiert. Dies hat Vorteile bezüglich Wirbelstromverlusten und effizienter Ausnutzung des einge- setzten Eisenmaterials.
Figur 8 zeigt eine andere Abwandlung der Ausführung von Figur 1. Die Ausnehmungen 4 von Figur 1 sind nicht als durchgehende Nuten ausgebildet, sondern als rechteckförmige Ausnehmungen 9, die sich in radialer Richtung erstrecken und in jedem zweiten Zahn des Stators gebildet sind, die jedoch jeweils auf der dem Rotor zugewandten und der vom Rotor abgewandten Seite des Stators eine dünnwandige Eisenverbindung zwischen den einzelnen Statorbereichen bestehen lassen. Die Ausnehmung 4 erstreckt sich dennoch in den Jochbereich des Stators.
Das Wicklungssystem von Figur 1 ist bei Figur 8 aufgrund der übersichtlicheren Darstellungen nicht eingezeichnet. Figur 9 zeigt ausgehend von Figur 1 eine nochmalige Abwand¬ lung der Geometrie der Ausnehmungen. Anstelle der durchgehenden Ausnehmungen 4, die den Stator vollständig in einzelne Statorbereiche unterteilen, ist bei Figur 9 in jedem zweiten Zahn eine Nut vorgesehen, die ausgehend vom Äußeren des Sta- tors in Richtung der dem Rotor zugewandten Seite des Stators eingebracht ist. Diese Nut 10 weist einen konstanten Quer¬ schnitt auf und führt vom Äußeren des Stators bis fast zum dem Rotor gegenüberliegenden Zahnkopf, es bleibt jedoch ein dünner Bereich von Eisenmaterial stehen am Ende des Zahns der dem Rotor zugewandten Seite.
Figur 10 zeigt eine alternative Ausführungsform ausgehend von Figur 8, die dieser weitgehend entspricht. In Abwandlung von Figur 8 ist bei der Ausführung von Figur 10 die Ausnehmung 9 nicht in jedem zweiten Zahn des Stators, sondern in jedem Zahn des Stators vorgesehen, das heißt in den unbewickelten und in den bewickelten Zähnen im Falle einer konzentrierten Einschichtwicklung. Es bleibt jeweils auf der vom Rotor abgewandten Seite des Stators und auf der vom Rotor zugewandten Seite des Stators ein Steg von Eisenmaterial des Stators ste¬ hen, sodass sich keine durchgehende Nut im Stator ergibt. Da¬ bei erstreckt sich die Ausnehmung auch in diesem Beispiel in den Jochbereich des Stators.
Figur 11 zeigt eine Weiterbildung der Ausführung von Figur 9. In Abwandlung der Figur 9 ist in den bei Figur 9 ohne Ausnehmung ausgeführten Zähnen 3 ebenfalls eine Nut 11 vorgesehen, die jedoch im Unterschied zu den bei Figur 9 vorgesehenen Nuten 10 eine Öffnung auf die dem Rotor zugewandte Seite des Stators aufweist. Somit sind bei der Ausführung von Figur 11 jeweils abwechselnd bei benachbarten Zähnen Nuten vorgesehen, die abwechselnd eine Öffnung auf die dem Rotor zugewandte Seite 11 beziehungsweise Nuten 10, die eine Öffnung auf die dem Rotor abgewandte Seite des Stators aufweisen. Auf der je¬ weils gegenüberliegenden Seite der Nuten 10, 11 bleibt ein Steg von Eisenmaterial stehen. Dabei erstreckt sich bei allen Nuten 10, 11 die Ausnehmung auch in diesem Beispiel in den Jochbereich des Stators.
Figur 12 zeigt eine Abwandlung der Ausführung von Figur 1, bei der das vorgeschlagene Prinzip von der in Figur 1 gezeig- ten Maschine mit zwölf Zähnen und 14 Polen übertragen wird auf eine Maschine mit nur sechs Zähnen und acht Polen.
Demnach sind im Rotor entlang des Umfangs acht Magnete ver- teilt, die jeweils abwechselnd Nord- und Südpole S, N bilden. Diese sind im Beispiel als vergrabene Permanentmagnete ausge¬ bildet .
Im Stator sind korrespondierend zu Figur 1 Ausnehmungen 4 in jedem zweiten Zahn entlang des Umfangs des Stators ausgebil¬ det, im Beispiel gerade bei den Zähnen, die unbewickelt blei¬ ben, da es sich um eine Einschichtwicklung in konzentrierter Ausführung handelt. Die von dem dreiphasigen elektrischen System konzentriert bewickelten Zähne 3 bleiben ohne mechani- sehe Barriere für den Fluss.
Figur 13 zeigt in Abwandlung der Ausführung von Figur 1 eine andere Rotortopologie, wobei der Stator 7 bei Figur 13 iden¬ tisch wie bei Figur 1 ausgebildet ist.
Der Rotor 8' von Figur 13 ist nicht mit vergrabenen Permanentmagneten ausgeführt, sondern als Reluktanzrotor. Dabei sind insgesamt entlang des Umfangs des Rotors 8' 14 Rotorpole gebildet. Es handelt sich je Pol um mehrfach V-förmig einge- brachte Gebiete mit fehlendem Eisen, das heißt Luft. Damit ist ein Reluktanzrotor ohne Permanentmagnete 8' gebildet.
Ein anderer Reluktanzrotor ist in Figur 14 gezeigt. Bei Figur 14 unterscheidet sich der Stator 7 wiederum nicht von dem in Figur 1 gezeigten. Der Rotor 8' ' ist jedoch im Unterschied zu Figur 1 im Querschnitt zahnradförmig mit rechteckig ausgebildeten Zähnen ausgeführt und somit als Reluktanzrotor, wiederum ohne Permanentmagnete ausgeführt. Dieses Prinzip wird auch als geschaltete Reluktanzmaschine bezeichnet und ist vorliegend mit einer Geometrie mit zwölf Nuten, das heißt zwölf Zähnen und 14 Polen realisiert.
Bezugs zeichenliste
1 Nut
2 Nut
3 Zahn
4 Ausnehmung
5 Statorbereich
6 radial laminierter Statorbereich
7 Stator
8 Rotor
9 rechteckförmige Ausnehmung
10 einseitig eingebrachte Nut
11 einseitig eingebrachte Nut
A Wicklungsstrang
B Wicklungsstrang
C Wicklungsstrang
N Nordpol
S Südpol
+ Wicklungssinn (positiv)
- Wicklungssinn (negativ)

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine,
die einen Stator (7), der Nuten (1, 2) zur Aufnahme elektrischer Wicklungen (+A, -A) aufweist, wobei zwischen benachbarten Nuten jeweils Zähne des Stators ausgebildet sind, und
einen relativ zum Stator (7) beweglichen Rotor (8) um- fasst ,
bei der im Betrieb eine Arbeitswelle der magnetomotori¬ schen Kraft verschieden von einer Grundwelle des Magnet¬ flusses ist, und bei der
der Stator (7) mindestens eine Ausnehmung (4) umfasst, welche im Wesentlichen in radialer Richtung ausgedehnt und im Zahnbereich angeordnet ist.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, bei der
die Ausnehmung eine mechanische Barriere zur Reduzierung der Grundwelle des Magnetflusses bildet.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der
die Ausnehmung derart ausgebildet ist, dass die Grundwel¬ le im Zahnbereich des Stators (7) um 50% oder mehr geschwächt ist.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der
die Ausnehmung derart ausgebildet ist, dass die als Ar¬ beitswelle genutzte Harmonische der magnetomotorischen Kraft verstärkt ist.
5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Ausnehmung eine zusätzliche Nut im Zahnbe¬ reich des Stators umfasst.
6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, bei der die Nut (11) auf einer dem Rotor (8) zugewandten Seite des Stators (7) vorgesehen ist.
7. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, bei der die Nut
(10) auf einer von dem Rotor (8) abgewandten Seite des Stators (7) vorgesehen ist. 8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der sich die Ausnehmung (4) vom Zahnbereich in einen Jochbereich des Stators erstreckt.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Ausnehmung als vollständig durchgehende Nut von einer dem Rotor (8) zugewandten Seite des Stators (7) zu einer dem Rotor (8) abgewandten Seite des Stators (7) vorgesehen ist, derart, dass der Zahn in zwei nicht mit¬ einander im Eisen verbundene Zahnteile zerfällt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 9,
bei der je ein im Eisen separater Statorbereich (5) einen Nutbereich und zwei sich daran gegenüberliegend anschlie¬ ßende, benachbarte Zahnteile umfasst.
Elektrische Maschine nach Anspruch 10,
bei der je ein Statorbereich ein radial laminiertes, ge¬ bogenes Blechpaket (6) umfasst.
12. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der Ausnehmung (4) mindestens in jedem zweiten Zahn des Stators gebildet ist.
13. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der Ausnehmung (4) in jedem Zahn (3) des Stators gebildet ist, wobei die Ausnehmung abwechselnd eine Nut (11) auf einer dem Rotor (8) zugewandten Seite des Sta- tors (7) und eine Nut (10) auf einer dem Rotor (8) abge¬ wandten Seite des Stators (7) umfasst.
14. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der das Verhältnis der Anzahl der Nuten (1, 2) zur Anzahl der Pole (S, N) im Rotor 12/10 oder 12/14 oder jeweils ganzzahlige Vielfache der Anzahl der Nuten (1, 2) und der Anzahl der Pole (S, N) beträgt.
15. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der das Verhältnis der Anzahl der Nuten (1, 2) zur
Anzahl der Pole (S, N) im Rotor 6/8 oder jeweils ganzzahlige Vielfache der Anzahl der Nuten (1, 2) und der Anzahl der Pole (S, N) beträgt. 16. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der die elektrische Maschine einen der folgenden Ty¬ pen umfasst: Linearmaschine, Axialflussmaschine, Radial¬ flussmaschine, Asynchronmaschine, Synchronmaschine. 17. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, die als Maschine mit Innenläufer oder als Maschine mit Außenläufer aufgebaut ist.
18. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der der Rotor von einem der folgenden Typen ist: Käfigläufer, Mehrschichtrotor im Falle der Asynchronmaschine oder im Falle der Synchronmaschine Permanentmagnetro¬ tor, Rotor mit vergrabenen Magneten oder ein elektrisch gespeister Rotor, insbesondere Vollpolrotor, Schenkelpolrotor, Heteropolar-Rotor, Homopolar-Rotor oder ein Reluktanzrotor .
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