WO2018024606A1 - Elektrische maschine - Google Patents

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WO2018024606A1
WO2018024606A1 PCT/EP2017/069046 EP2017069046W WO2018024606A1 WO 2018024606 A1 WO2018024606 A1 WO 2018024606A1 EP 2017069046 W EP2017069046 W EP 2017069046W WO 2018024606 A1 WO2018024606 A1 WO 2018024606A1
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air gap
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electrical
rotor
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Oleg MOROS
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Volabo Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to an electric machine.
  • the electric machine may include a stator and a rotor movably mounted relative thereto.
  • Electric machines can be operated by motor or generator.
  • the stator may comprise an electrical winding in grooves which is formed of an electrically conductive material and has, for example, the shape of a rod.
  • the electrical winding is connected to a power system, which can be multi-phase.
  • DC resistors are achieved during operation of the electrical machine. If a groove completely with a
  • the grooves near the air gap may be rounded, causing the magnetic resistance near the air gap to be reduced. Therefore, the Nutenquerfeld is particularly pronounced in this area and the
  • Harmonic penetration depth is particularly high. This leads to large current densities of the eddy currents.
  • the task is determined by the objects of the independent
  • the electric machine comprises a stator, which has a plurality of grooves and adjoins an air gap.
  • the stator may comprise a stator plate, in which the grooves are introduced.
  • the air gap may for example be arranged between a stator and a rotor of the electric machine.
  • the electrical machine comprises a first material having a first electrical conductivity, wherein the first material fills the grooves partially, but not completely.
  • Material can therefore be conductor sections or electrical
  • Windings in the grooves and it may for example by rods or other types of winding, for example coils, be formed.
  • the first material may be electrically conductive and include, for example, copper or aluminum.
  • the first material may also include other materials or alloys having an electrical conductivity of preferably at least 14 Mega Siemens per meter.
  • the first material may be para or diamagnetic.
  • the electrical machine comprises a second material having a second electrical conductivity, which is lower than the first electrical
  • the second material may include, for example, tin, bronze, titanium, stainless steels, plastics, liquids or gases.
  • the second electrical conductivity can be less than 10 Mega Siemens per meter.
  • the second material may be para- or diamagnetic.
  • Edge region of the grooves and the edge region is located on a side facing the air gap in the grooves.
  • the second material is therefore not in a region of the grooves, which is not located on the side facing the air gap.
  • the geometric shape of the second material in the grooves is arbitrary.
  • the geometric shape of the second material may be selected such that a part of the
  • the Machine is the first material in the grooves on a first side of the stator electrically connected to each other.
  • the first material in the grooves may be, for example, a shorting ring on the first side of the stator be connected to each other.
  • the short-circuit ring can connect only the first material or the entire area of the grooves, including the second material.
  • the electric machine comprises a stator, the first and the second material. Due to the electrical and magnetic properties of the second material, the groove transverse flow in the grooves in the area close to the air gap is prevented or impeded.
  • Material and the material of the stator are compensated by the second material. According to at least one embodiment of the electrical
  • each rod in the form of a rod, wherein each rod is adapted to be supplied on a second side of the stator by a power supply unit having its own electrical phase.
  • the stator can thus be constructed similar to a squirrel cage, with a shorting ring is attached only to the first side of the stator.
  • the rods in the grooves are at one Power supply unit connected.
  • the bars in the grooves can thus per groove with an individual phase
  • the rods in the grooves are preferably rectilinear.
  • the Machine is a third material in the grooves arranged so that the first material is electrically isolated from the material of the stator.
  • the third material may include, for example, a slot insulation.
  • the third material can be any material in the grooves arranged so that the first material is electrically isolated from the material of the stator.
  • the third material may include, for example, a slot insulation.
  • the third material can be any material in the grooves arranged so that the first material is electrically isolated from the material of the stator.
  • the third material may include, for example, a slot insulation.
  • the third material may surround the first material, for example. However, it is not necessary for the third material to completely surround the first material in the grooves.
  • the material of the stator may comprise, for example, a stator plate. In the stator, the grooves of the stator can be introduced.
  • the lower electrical conductivity of the second material advantageously contributes to the reduction of the displacement effects in the electrical winding.
  • the grooves have an opening to the air gap.
  • the grooves have no opening to the air gap.
  • the shape of the grooves may be narrower or rounded to the air gap. According to at least one embodiment of the electrical
  • Machine has at least one first groove on an opening to the air gap and at least one second groove no opening to the air gap. It is thus possible that some grooves have an opening to the air gap and some other grooves have no opening to the air gap.
  • the Machine is the second material formed by air or the second material is different from air and / or includes plastic or stainless steel.
  • the second material may include tin, bronze, titanium, liquids or gases. If the second material is compressible, it can compensate for different thermal expansions of the first material and the material of the stator.
  • the geometric shape of the second material may be chosen in this case so that the different thermal expansion of the first material and the material of the stator does not lead to mechanical stresses or too low
  • Material is, an asymmetrical shape with respect to a radial axis of the stator.
  • the border area can
  • the edge region may, for example, fill a larger proportion of the groove for a radial direction than for another radial one
  • An asymmetric shape of the edge region is advantageous for fixed or electric machines
  • the electric machine comprises a rotor having a plurality of grooves
  • the electrical machine comprises a first material having a first electrical conductivity, wherein the first material fills the grooves partially, but not completely.
  • Material can therefore be conductor sections or electrical
  • Windings in the grooves and it may for example be formed by rods or other types of winding, for example coils.
  • the first material may be electrically conductive and include, for example, copper or aluminum.
  • the first material may also include other materials or alloys having an electrical conductivity of preferably at least 14 Mega Siemens per meter.
  • the first material may be para or diamagnetic.
  • the electrical machine comprises a second material having a second electrical conductivity, which is lower than the first electrical conductivity.
  • the second material may include, for example, tin, bronze, titanium, stainless steels, plastics, liquids or gases.
  • the second electrical conductivity can be less than 10 Mega Siemens per meter.
  • the second material may be para- or diamagnetic. According to at least one embodiment of the electrical
  • the Machine is a third material in the grooves arranged so that the first material is electrically isolated from the material of the rotor.
  • the third material may include, for example, a slot insulation.
  • the third material can be any material in the grooves arranged so that the first material is electrically isolated from the material of the rotor.
  • the third material may include, for example, a slot insulation.
  • the third material can be any material in the grooves arranged so that the first material is electrically isolated from the material of the rotor.
  • the third material may include, for example, a slot insulation.
  • plastics, polyimides, organic and non ⁇ organic materials include.
  • the third material may surround the first material, for example. However, it is not necessary for the third material to completely surround the first material in the grooves.
  • the material of the rotor may for example comprise a rotor plate. In the rotor plate, the grooves of the rotor can be introduced.
  • Edge region of the grooves and the edge region is located on a side facing the air gap in the grooves.
  • the second material is therefore not in a region of the grooves, which is not located on the side facing the air gap.
  • the geometric shape of the second material in the grooves is arbitrary.
  • the geometric shape of the second material may be selected such that a part of the
  • the Machine is the first material in the grooves on a first side of the rotor electrically connected to each other.
  • the first material in the grooves may be, for example, a shorting ring on the first side of the rotor
  • the short-circuit ring can connect only the first material or the entire area of the grooves, including the second material.
  • the electric machine comprises a rotor, the first, the second and the third material.
  • the groove transverse flow in the grooves in the area close to the air gap is prevented or impeded.
  • the current densities of the eddy currents are reduced because of the lower electrical conductivity of the second material.
  • the current displacement can be reduced in the region of the grooves and there are lower losses in the operation of the electric machine. Therefore, there is also a better efficiency.
  • Material and the material of the rotor plate are compensated by the second material.
  • the lower electrical conductivity of the second material advantageously contributes to the reduction of the displacement effects in the electrical winding. According to at least one embodiment of the electrical
  • the grooves have an opening to the air gap.
  • the grooves have no opening to the air gap.
  • the shape of the grooves may be narrower or rounded to the air gap.
  • Machine has at least one first groove on an opening to the air gap and at least one second groove no opening to the air gap. It is thus possible that some grooves have an opening to the air gap and some other grooves have no opening to the air gap.
  • the Machine is the second material formed by air or because second material is different from air and / or includes plastic or stainless steel.
  • the second material may include tin, bronze, titanium, liquids or gases. If the second material is compressible, it can compensate for different thermal expansions of the first material and the material of the rotor.
  • the geometric shape of the second material may be chosen in this case so that the different thermal expansion of the first material and the material of the rotor does not lead to mechanical stresses or only too small
  • Material is an asymmetrical shape with respect to a radial axis of the rotor.
  • the border area can
  • the edge region may, for example, fill a larger proportion of the groove for a radial direction than for another radial one
  • An asymmetric shape of the border area is advantageous for electric machines with fixed or
  • the electric machine comprises the stator and the rotor, wherein the rotor is arranged on the side of the air gap facing away from the stator.
  • Figure 1A shows a section of an exemplary
  • FIG. 1B shows a section of an example
  • Figure 2 shows an example of two grooves which are completely filled with a first material.
  • FIG. 3 shows by way of example closed grooves in a stator and a rotor which are completely filled with a first material.
  • FIG. 4 shows a detail of a cross section of a stator and a rotor which are completely filled with a first material.
  • Embodiment with open slots in the stator and rotor Embodiment with open slots in the stator and rotor.
  • FIG. 5 shows a detail of a cross section of a
  • Embodiment with closed grooves in the stator and in the rotor Embodiment with closed grooves in the stator and in the rotor.
  • FIG. 6 shows an exemplary groove transverse field in one
  • FIG. 7 shows a section of a cross section of another embodiment with closed grooves.
  • Figure 1A shows a section of a cross section of an exemplary stator lamination 13 with a closed groove 14.
  • the first material 15 may be a rod of the electrical winding with for example, round, elliptical or polygonal cross section and does not completely fill the groove 14.
  • the second material 16 is located exclusively in an edge region 20 of the groove 14, wherein the edge region 20 on the air gap 17 facing side in the groove 14th
  • the third material 19 is arranged to electrically isolate the first material 15 from the stator lamination 13.
  • FIG. 1B shows a detail of a cross section through an exemplary stator lamination 13 with a groove 14, which has an opening 18 to the air gap 17.
  • the first material 15, the second material 16 and the third material 19 are arranged.
  • Figure 2 shows an example of two grooves 14 which are arranged in a rotor plate 21 and which openings 18 for
  • Air gap 17 have.
  • the first material 15 completely fills the grooves 14. This design is common for
  • FIG. 3 shows examples of closed grooves 14 in one
  • the Stator plate 13 and a rotor plate 21 The first material 15 fills the grooves 14 completely. Since the grooves 14 no Having opening 18 to the air gap 17, the harmonics of the Nutenquerfeldes are damped.
  • FIG. 4 shows a detail of a cross section of an embodiment with grooves 14 in a stator lamination 13 and a rotor lamination 21.
  • the grooves 14 have openings 18 to the air gap 17.
  • the first material 15 In the grooves 14 are the first material 15, the second material 16 and the third material 19. The first material 15 does not fill the grooves 14
  • the second material 16 is located exclusively in an edge region 20 of the grooves 14, which is located on the air gap 17 side facing in the grooves 14.
  • the third material 19 is arranged so that the first material 15 is electrically insulated from the stator lamination 13.
  • the second material 16 may include, for example, air.
  • the grooves 14 may be formed open to the air gap 17.
  • the shape of the grooves 14 may be rounded towards the air gap 17 or narrower.
  • the stator plate 13 and the rotor plate 21 may be formed by stacked plates with grooves 14.
  • Figure 5 shows a section of a cross section of an embodiment with closed grooves 14 in one
  • FIG. 6 shows by way of example a groove transverse field in a stator 11 and a rotor 12.
  • the stator 11 and the rotor 12 have closed grooves 14.
  • the grooves 14 are completely filled with the first material 15.
  • the grooves 14 are partially filled with the first material 15 and partially with the second material 16.
  • the third material 19 is so arranged that the first material 15 is electrically isolated from the stator and rotor plates 13, 21.
  • the groove transverse field penetrates the first material 15 over the entire area of the grooves 14.
  • the groove transverse field does not completely penetrate the first material 15, since the second material 16 is close to the first material 15
  • Air gap 17 is located in the grooves 14.
  • the second material 16 in the grooves 14 can thus complicate the Nutenquerpound and reduce the locally increased current densities. Thus, a better efficiency of the electric machine 10 can be achieved.
  • Figure 7 shows a section of a cross section of a further embodiment with grooves 14 in the stator 11 and the rotor 12.
  • grooves 14 are the first
  • the edge region 20 may thus be formed beveled.
  • the edge region 20 may also have other asymmetrical shapes. This embodiment is advantageous for machines with a fixed or predominantly constant rotational direction.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine (10) angegeben mit einem Stator (11), welcher eine Vielzahl von Nuten (14) aufweist und an einen Luftspalt (17) angrenzt. Die elektrische Maschine (10) umfasst weiter ein erstes Material (15) mit einer ersten elektrischen Leitfähigkeit, wobei das erste Material (15) die Nuten (14) jeweils teilweise, aber nicht vollständig, ausfüllt, und ein zweites Material (16) mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit, welche geringer als die erste elektrische Leitfähigkeit ist. Dabei füllt das zweite Material (16) ausschließlich einen Randbereich (20) der Nuten (14) aus und der Randbereich (20) befindet sich auf der dem Luftspalt (17) zugewandten Seite in den Nuten (14). Das erste Material (15) in den Nuten (14) ist auf einer ersten Seite des Stators (11) elektrisch leitend miteinander verbunden. Außerdem wird eine elektrische Maschine (10) mit einem Rotor (12) angegeben.

Description

Beschreibung
ELEKTRISCHE MASCHINE Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine kann einen Stator und einen relativ dazu beweglich gelagerten Rotor umfassen.
Elektrische Maschinen können motorisch oder generatorisch betrieben werden. Der Stator kann eine elektrische Wicklung in Nuten umfassen, welche aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist und zum Beispiel die Form eines Stabes aufweist. Die elektrische Wicklung wird an ein Stromsystem angeschlossen, welches mehrphasig sein kann.
Wenn die Nuten zu einem großen Anteil mit den Leitern der elektrischen Wicklung gefüllt sind, können hohe Stromdichten in der elektrischen Wicklung und somit geringe
Gleichstromwiderstände im Betrieb der elektrischen Maschine erreicht werden. Wenn eine Nut vollständig mit einer
elektrischen Wicklung gefüllt ist, durchsetzt im Betrieb der elektrischen Maschine ein induziertes Magnetfeld, das
Nutenquerfeld, die elektrische Wicklung. In der elektrischen Wicklung werden dadurch Spannungen induziert und dadurch wiederum Wirbelströme. Durch die induzierten Wirbelströme kommt es zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung innerhalb der elektrischen Wicklung. Außerdem können beim Nutenquerfeld zusätzlich zur Grundwelle Oberwellen auftreten, welche zu Verlusten im Betrieb der elektrischen Maschine führen.
Dadurch wird der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine reduziert . Des Weiteren können die Nuten nahe dem Luftspalt abgerundet sein, was dazu führt, dass der magnetische Widerstand nahe dem Luftspalt verringert ist. Daher ist das Nutenquerfeld in diesem Bereich besonders ausgeprägt und die
Oberwelleneindringtiefe besonders hoch. Dies führt zu großen Stromdichten der Wirbelströme.
Eine Lösung besteht zum Beispiel darin, die Nuten geschlossen auszuführen, das heißt, sie weisen keine Öffnungen zum
Luftspalt auf. In diesem Fall kann das Nutenquerfeld jedoch immer noch die elektrische Wicklung durchsetzen.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine elektrische
Maschine mit einem erhöhten Wirkungsgrad anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen
Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine einen Stator, welcher eine Vielzahl von Nuten aufweist und an einen Luftspalt angrenzt. Der Stator kann ein Statorblech umfassen, in welches die Nuten eingebracht sind. Der Luftspalt kann beispielsweise zwischen einem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine ein erstes Material mit einer ersten elektrischen Leitfähigkeit, wobei das erste Material die Nuten jeweils teilweise, aber nicht vollständig, ausfüllt. Das erste
Material kann also Leiterabschnitte oder elektrische
Windungen in den Nuten bilden und es kann beispielsweise durch Stäbe oder andere Wicklungsarten, zum Beispiel Spulen, gebildet sein. Das erste Material kann elektrisch leitfähig sein und beispielsweise Kupfer oder Aluminium umfassen. Das erste Material kann auch andere Materialien oder Legierungen mit einer elektrischen Leitfähigkeit von bevorzugt mindestens 14 Mega Siemens pro Meter umfassen. Das erste Material kann para- oder diamagnetisch sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine ein zweites Material mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit, welche geringer als die erste elektrische
Leitfähigkeit ist. Das zweite Material kann beispielsweise Zinn, Bronze, Titan, Edelstähle, Kunststoffe, Flüssigkeiten oder Gase umfassen. Die zweite elektrische Leitfähigkeit kann kleiner als 10 Mega Siemens pro Meter sein. Außerdem kann das zweite Material para- oder diagmagnetisch sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen
Maschine füllt das zweite Material ausschließlich einen
Randbereich der Nuten aus und der Randbereich befindet sich auf einer dem Luftspalt zugewandten Seite in den Nuten. Das zweite Material befindet sich also nicht in einem Bereich der Nuten, welcher sich nicht auf der dem Luftspalt zugewandten Seite befindet. Die geometrische Form des zweiten Materials in den Nuten ist beliebig. Die geometrische Form des zweiten Materials kann so gewählt sein, dass ein Teil des
Nutenquerfeldes das erste Material in der Nut nicht mehr durchdringt .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen
Maschine ist das erste Material in den Nuten auf einer ersten Seite des Stators elektrisch leitend miteinander verbunden. Das erste Material in den Nuten kann beispielsweise durch einen Kurzschlussring auf der ersten Seite des Stators miteinander verbunden sein. Somit sind die Stäbe oder
elektrischen Windungen so miteinander verbunden, dass sie miteinander einen Kurzschluss bilden. Der Kurzschlussring kann nur das erste Material miteinander verbinden oder den gesamten Bereich der Nuten, also auch das zweite Material.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine einen Stator, das erste und das zweite Material. Durch die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des zweiten Materials wird der Nutenquerfluss in den Nuten im Bereich nahe zum Luftspalt verhindert oder erschwert.
Außerdem werden die Stromdichten der Wirbelströme wegen der geringeren elektrischen Leitfähigkeit des zweiten Materials reduziert. Somit kann die Stromverdrängung im Bereich der
Nuten reduziert werden und es ergeben sich geringere Verluste im Betrieb der elektrischen Maschine. Daher ergibt sich auch ein besserer Wirkungsgrad. Falls das zweite Material zusätzlich kompressibel ist, kann die unterschiedliche thermische Ausdehnung des ersten
Materials und des Materials des Statorblechs durch das zweite Material ausgeglichen werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen
Maschine weist das erste Material in jeder Nut die Form eines Stabes auf, wobei jeder Stab dazu eingerichtet ist, auf einer zweiten Seite des Stators von einer Stromversorgungseinheit mit einer jeweils eigenen elektrischen Phase versorgt zu werden. Der Stator kann also ähnlich wie ein Käfigläufer aufgebaut sein, wobei nur an der ersten Seite des Stators ein Kurzschlussring angebracht ist. An der zweiten Seite des Stators sind die Stäbe in den Nuten an eine Stromversorgungseinheit angeschlossen. Die Stäbe in den Nuten können also pro Nut mit einer individuellen Phase
beaufschlagt werden. Es ist auch möglich, dass Gruppen benachbarter Stäbe mit einer jeweils eigenen Phase versorgt werden. Die Stäbe in den Nuten sind bevorzugt geradlinig.
Dies vereinfacht zum Beispiel die Fertigung der Stäbe und der Nuten .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen
Maschine ist ein drittes Material in den Nuten so angeordnet, dass das erste Material elektrisch vom Material des Stators isoliert ist. Das dritte Material kann beispielsweise eine Nutisolation umfassen. Das dritte Material kann
beispielsweise Kunststoffe, Polyimide, organische und nicht- organische Materialien umfassen. Das dritte Material kann das erste Material beispielsweise umgeben. Es ist jedoch nicht nötig, dass das dritte Material das erste Material in den Nuten vollständig umgibt. Das Material des Stators kann beispielsweise ein Statorblech umfassen. In das Statorblech können die Nuten des Stators eingebracht sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen
Maschine beträgt die zweite elektrische Leitfähigkeit
höchstens 10 Prozent der ersten elektrischen Leitfähigkeit. Die geringere elektrische Leitfähigkeit des zweiten Materials trägt vorteilhaft zur Reduzierung der Verdrängungseffekte in der elektrischen Wicklung bei.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen
Maschine weisen die Nuten eine Öffnung zum Luftspalt auf.
Alternativ weisen die Nuten keine Öffnung zum Luftspalt auf. Außerdem kann die Form der Nuten zum Luftspalt schmaler werden oder abgerundet sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen
Maschine weist mindestens eine erste Nut eine Öffnung zum Luftspalt auf und mindestens eine zweite Nut keine Öffnung zum Luftspalt auf. Es ist also möglich, dass einige Nuten eine Öffnung zum Luftspalt aufweisen und einige andere Nuten keine Öffnung zum Luftspalt aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen
Maschine ist das zweite Material durch Luft gebildet oder das zweite Material ist verschieden von Luft und/oder umfasst Kunststoff oder Edelstahl. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das zweite Material Zinn, Bronze, Titan, Flüssigkeiten oder Gase umfassen. Falls das zweite Material kompressibel ist, kann es unterschiedliche Wärmeausdehnungen des ersten Materials und des Materials des Stators ausgleichen. Die geometrische Form des zweiten Materials kann in diesem Fall so gewählt sein, dass die unterschiedliche Wärmeausdehnung des ersten Materials und des Materials des Stators nicht zu mechanischen Spannungen führt oder nur zu geringen
mechanischen Spannungen führt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen
Maschine weist der Randbereich, in dem sich das zweite
Material befindet, eine asymmetrische Form bezüglich einer Radialachse des Stators auf. Der Randbereich kann
beispielsweise eine schräge Form aufweisen. Der Randbereich kann beispielsweise für eine radiale Richtung einen größeren Anteil der Nut ausfüllen als für eine andere radiale
Richtung. Eine asymmetrische Form des Randbereichs ist vorteilhaft für elektrische Maschinen mit fester oder
überwiegend konstant bleibender Drehrichtung. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine einen Rotor, welcher eine Vielzahl von Nuten
aufweist und an einen Luftspalt angrenzt. Der Rotor kann beispielsweise durch einen Käfigläufer gebildet sein. Der Rotor kann ein Rotorblech umfassen, in welches die Nuten eingebracht sind. Der Luftspalt kann beispielsweise zwischen einem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine angeordnet sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine ein erstes Material mit einer ersten elektrischen Leitfähigkeit, wobei das erste Material die Nuten jeweils teilweise, aber nicht vollständig, ausfüllt. Das erste
Material kann also Leiterabschnitte oder elektrische
Windungen in den Nuten bilden und es kann beispielsweise durch Stäbe oder andere Wicklungsarten, zum Beispiel Spulen, gebildet sein. Das erste Material kann elektrisch leitfähig sein und beispielsweise Kupfer oder Aluminium umfassen. Das erste Material kann auch andere Materialien oder Legierungen mit einer elektrischen Leitfähigkeit von bevorzugt mindestens 14 Mega Siemens pro Meter umfassen. Das erste Material kann para- oder diamagnetisch sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine ein zweites Material mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit, welche geringer als die erste elektrische Leitfähigkeit ist. Das zweite Material kann beispielsweise Zinn, Bronze, Titan, Edelstähle, Kunststoffe, Flüssigkeiten oder Gase umfassen. Die zweite elektrische Leitfähigkeit kann kleiner als 10 Mega Siemens pro Meter sein. Außerdem kann das zweite Material para- oder diagmagnetisch sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen
Maschine ist ein drittes Material in den Nuten so angeordnet, dass das erste Material elektrisch vom Material des Rotors isoliert ist. Das dritte Material kann beispielsweise eine Nutisolation umfassen. Das dritte Material kann
beispielsweise Kunststoffe, Polyimide, organische und nicht¬ organische Materialien umfassen. Das dritte Material kann das erste Material beispielsweise umgeben. Es ist jedoch nicht nötig, dass das dritte Material das erste Material in den Nuten vollständig umgibt. Das Material des Rotors kann beispielsweise ein Rotorblech umfassen. In das Rotorblech können die Nuten des Rotors eingebracht sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen
Maschine füllt das zweite Material ausschließlich einen
Randbereich der Nuten aus und der Randbereich befindet sich auf einer dem Luftspalt zugewandten Seite in den Nuten. Das zweite Material befindet sich also nicht in einem Bereich der Nuten, welcher sich nicht auf der dem Luftspalt zugewandten Seite befindet. Die geometrische Form des zweiten Materials in den Nuten ist beliebig. Die geometrische Form des zweiten Materials kann so gewählt sein, dass ein Teil des
Nutenquerfeldes das erste Material in der Nut nicht mehr durchdringt .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen
Maschine ist das erste Material in den Nuten auf einer ersten Seite des Rotors elektrisch leitend miteinander verbunden. Das erste Material in den Nuten kann beispielsweise durch einen Kurzschlussring auf der ersten Seite des Rotors
miteinander verbunden sein. Somit sind die Stäbe oder
elektrischen Windungen so miteinander verbunden, dass sie miteinander einen Kurzschluss bilden. Der Kurzschlussring kann nur das erste Material miteinander verbinden oder den gesamten Bereich der Nuten, also auch das zweite Material.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine einen Rotor, das erste, das zweite und das dritte Material .
Durch die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des zweiten Materials wird der Nutenquerfluss in den Nuten im Bereich nahe zum Luftspalt verhindert oder erschwert.
Außerdem werden die Stromdichten der Wirbelströme wegen der geringeren elektrischen Leitfähigkeit des zweiten Materials reduziert. Somit kann die Stromverdrängung im Bereich der Nuten reduziert werden und es ergeben sich geringere Verluste im Betrieb der elektrischen Maschine. Daher ergibt sich auch ein besserer Wirkungsgrad.
Falls das zweite Material zusätzlich kompressibel ist, kann die unterschiedliche thermische Ausdehnung des ersten
Materials und des Materials des Rotorblechs durch das zweite Material ausgeglichen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen
Maschine beträgt die zweite elektrische Leitfähigkeit
höchstens 10 Prozent der ersten elektrischen Leitfähigkeit. Die geringere elektrische Leitfähigkeit des zweiten Materials trägt vorteilhaft zur Reduzierung der Verdrängungseffekte in der elektrischen Wicklung bei. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen
Maschine weisen die Nuten eine Öffnung zum Luftspalt auf. Alternativ weisen die Nuten keine Öffnung zum Luftspalt auf. Außerdem kann die Form der Nuten zum Luftspalt schmaler werden oder abgerundet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen
Maschine weist mindestens eine erste Nut eine Öffnung zum Luftspalt auf und mindestens eine zweite Nut keine Öffnung zum Luftspalt auf. Es ist also möglich, dass einige Nuten eine Öffnung zum Luftspalt aufweisen und einige andere Nuten keine Öffnung zum Luftspalt aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen
Maschine ist das zweite Material durch Luft gebildet oder da zweite Material ist verschieden von Luft und/oder umfasst Kunststoff oder Edelstahl. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das zweite Material Zinn, Bronze, Titan, Flüssigkeiten oder Gase umfassen. Falls das zweite Material kompressibel ist, kann es unterschiedliche Wärmeausdehnungen des ersten Materials und des Materials des Rotors ausgleichen. Die geometrische Form des zweiten Materials kann in diesem Fall so gewählt sein, dass die unterschiedliche Wärmeausdehnung des ersten Materials und des Materials des Rotors nicht zu mechanischen Spannungen führt oder nur zu geringen
mechanischen Spannungen führt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen
Maschine weist der Randbereich, in dem sich das zweite
Material befindet, eine asymmetrische Form bezüglich einer Radialachse des Rotors auf. Der Randbereich kann
beispielsweise eine schräge Form aufweisen. Der Randbereich kann beispielsweise für eine radiale Richtung einen größeren Anteil der Nut ausfüllen als für eine andere radiale
Richtung. Eine asymmetrische Form des Randbereichs ist vorteilhaft für elektrische Maschinen mit fester oder
überwiegend konstant bleibender Drehrichtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die elektrische Maschine den Stator und den Rotor, wobei der Rotor auf der dem Stator abgewandten Seite des Luftspaltes angeordnet ist.
Im Folgenden wird die hier beschriebe elektrische Maschine in Verbindung mit Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Figur 1A zeigt einen Ausschnitt eines beispielhaften
Statorblechschnittes mit einer geschlossenen Nut. Figur 1B zeigt einen Ausschnitt eines beispielhaften
Statorblechschnittes mit einer offenen Nut.
Figur 2 zeigt beispielhaft zwei Nuten, welche vollständig mit einem ersten Material gefüllt sind.
Figur 3 zeigt beispielhaft geschlossene Nuten in einem Stator und einem Rotor, welche vollständig mit einem ersten Material gefüllt sind. Figur 4 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts eines
Ausführungsbeispiels mit offenen Nuten im Stator und Rotor.
Figur 5 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts eines
Ausführungsbeispiels mit geschlossenen Nuten im Stator und im Rotor .
Figur 6 zeigt ein exemplarisches Nutenquerfeld in einem
Querschnitt eines Ausführungsbeispiels. Figur 7 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels mit geschlossenen Nuten. Figur 1A zeigt einen Ausschnitt von einem Querschnitt eines beispielhaften Statorblechs 13 mit einer geschlossenen Nut 14. In der Nut 14 befinden sich das erste Material 15, das zweite Material 16 und das dritte Material 19. Das erste Material 15 kann einem Stab der elektrischen Wicklung mit beispielsweise rundem, elliptischem oder eckigem Querschnitt entsprechen und füllt die Nut 14 nicht vollständig aus. Das zweite Material 16 befindet sich ausschließlich in einem Randbereich 20 der Nut 14, wobei sich der Randbereich 20 auf der dem Luftspalt 17 zugewandten Seite in der Nut 14
befindet. Das dritte Material 19 ist so angeordnet, dass es das erste Material 15 elektrisch vom Statorblech 13 isoliert.
Figur 1B zeigt einen Ausschnitt von einem Querschnitt durch ein beispielhaftes Statorblech 13 mit einer Nut 14, welche eine Öffnung 18 zum Luftspalt 17 aufweist. In der Nut 14 sind das erste Material 15, das zweite Material 16 und das dritte Material 19 angeordnet.
Figur 2 zeigt beispielhaft zwei Nuten 14, welche in einem Rotorblech 21 angeordnet sind und welche Öffnungen 18 zum
Luftspalt 17 aufweisen. Das erste Material 15 füllt die Nuten 14 vollständig aus. Diese Bauform ist üblich für
Kurzschlussläufer in Asynchronmaschinen. Figur 3 zeigt beispielhaft geschlossene Nuten 14 in einem
Statorblech 13 und einem Rotorblech 21. Das erste Material 15 füllt die Nuten 14 vollständig aus. Da die Nuten 14 keine Öffnung 18 zum Luftspalt 17 aufweisen, sind die Oberwellen des Nutenquerfeldes gedämpft.
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts eines Ausführungsbeispiels mit Nuten 14 in einem Statorblech 13 und einem Rotorblech 21. Die Nuten 14 weisen Öffnungen 18 zum Luftspalt 17 auf. In den Nuten 14 befinden sich das erste Material 15, das zweite Material 16 und das dritte Material 19. Das erste Material 15 füllt die Nuten 14 nicht
vollständig aus und das zweite Material 16 befindet sich ausschließlich in einem Randbereich 20 der Nuten 14, welcher sich auf der dem Luftspalt 17 zugewandten Seite in den Nuten 14 befindet. Das dritte Material 19 ist so angeordnet, dass das erste Material 15 elektrisch gegen das Statorblech 13 isoliert ist. Im dargestellten Statorblech 13 kann das zweite Material 16 beispielsweise Luft umfassen. In diesem Fall können die Nuten 14 offen zum Luftspalt 17 ausgebildet sein. Die Form der Nuten 14 kann zum Luftspalt 17 hin abgerundet oder schmaler sein. Das Statorblech 13 und das Rotorblech 21 können durch gestapelte Bleche mit Nuten 14 gebildet sein.
Figur 5 zeigt einen Ausschnitt von einem Querschnitt von einem Ausführungsbeispiel mit geschlossenen Nuten 14 in einem
Statorblech 13 und einem Rotorblech 21. Die Nuten 14 weisen also keine Öffnung 18 zum Luftspalt 17 auf.
Figur 6 zeigt beispielhaft ein Nutenquerfeld in einem Stator 11 und einem Rotor 12. Der Stator 11 und der Rotor 12 weisen geschlossene Nuten 14 auf. Im Rotor 12 sind die Nuten 14 vollständig mit dem ersten Material 15 gefüllt. Im Stator 11 sind die Nuten 14 teilweise mit dem ersten Material 15 und teilweise mit dem zweiten Material 16 gefüllt. In allen Nuten 14 im Stator 11 und im Rotor 12 ist das dritte Material 19 so angeordnet, dass das erste Material 15 elektrisch vom Stator- und Rotorblech 13, 21 isoliert ist. In den Nuten 14 im Rotor 12 durchdringt das Nutenquerfeld das erste Material 15 über den gesamten Bereich der Nuten 14. In den Nuten 14 im Stator 11 durchdringt das Nutenquerfeld das erste Material 15 nicht vollständig, da sich das zweite Material 16 nahe dem
Luftspalt 17 in den Nuten 14 befindet. Das zweite Material 16 in den Nuten 14 kann also den Nutenquerfluss erschweren und die lokal erhöhten Stromdichten verringern. Somit kann ein besserer Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 10 erreicht werden .
Figur 7 zeigt einen Ausschnitt von einem Querschnitt von einem weiteren Ausführungsbeispiel mit Nuten 14 im Stator 11 und im Rotor 12. In den Nuten 14 befinden sich das erste
Material 15, das zweite Material 16 und das dritte Material 19. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Randbereich 20, in dem sich das zweite Material 16 befindet, eine
asymmetrische Form bezüglich einer Radialachse des Stators 11 auf. Der Randbereich 20 kann also geschrägt ausgebildet sein. Der Randbereich 20 kann auch andere asymmetrische Formen aufweisen. Dieses Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft für Maschinen mit fester oder überwiegend konstant bleibender Drehrichtung .
Bezugs zeichenliste
10: Elektrische Maschine
11: Stator
12 : Rotor
13: Statorblech
14: Nut
15: erstes Material
16: zweites Material
17 : Luftspalt
18: Öffnung
19: drittes Material
20: Randbereich
21: Rotorblech

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine (10) mit:
- einem Stator (11), welcher eine Vielzahl von Nuten (14) aufweist und an einen Luftspalt (17) angrenzt,
- einem ersten Material (15) mit einer ersten elektrischen Leitfähigkeit, wobei das erste Material (15) die Nuten (14) jeweils teilweise, aber nicht vollständig, ausfüllt, und
- einem zweiten Material (16) mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit, welche geringer als die erste elektrische Leitfähigkeit ist, wobei
- das zweite Material (16) ausschließlich einen Randbereich (20) der Nuten (14) ausfüllt und sich der Randbereich (20) auf der dem Luftspalt (17) zugewandten Seite in den Nuten
(14) befindet, und
- das erste Material (15) in den Nuten (14) auf einer ersten Seite des Stators (11) elektrisch leitend miteinander verbunden ist.
2. Elektrische Maschine (10) gemäß Anspruch 1, bei der das erste Material (15) in jeder Nut (14) die Form eines Stabes aufweist, wobei jeder Stab dazu eingerichtet ist auf einer zweiten Seite des Stators (11) von einer
Stromversorgungseinheit mit einer jeweils eigenen
elektrischen Phase versorgt zu werden.
3. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der vorherigen
Ansprüche, bei der ein drittes Material (19) in den Nuten (14) so angeordnet ist, dass das erste Material (15)
elektrisch vom Material des Stators (11) isoliert ist.
4. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der vorherigen
Ansprüche, bei der die zweite elektrische Leitfähigkeit höchstens 10 % der ersten elektrischen Leitfähigkeit beträgt.
5. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der vorherigen
Ansprüche, bei der die Nuten (14) eine Öffnung (18) oder keine Öffnung (18) zum Luftspalt (17) aufweisen.
6. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der mindestens eine erste Nut (14) eine Öffnung (18) zum Luftspalt (17) aufweist und mindestens eine zweite Nut (14) keine Öffnung (18) zum Luftspalt (17) aufweist.
7. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der vorherigen
Ansprüche, bei der das zweite Material (16) durch Luft gebildet ist oder das zweite Material (16) verschieden von Luft ist und/oder Kunststoff oder Edelstahl umfasst.
8. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der vorherigen
Ansprüche, bei der der Randbereich (20), in dem sich das zweite Material (16) befindet, eine asymmetrische Form bezüglich einer Radialachse des Stators (11) aufweist.
9. Elektrische Maschine (10) mit:
- zumindest einem Rotor (12), welcher eine Vielzahl von
Nuten (14) aufweist und an einen Luftspalt (17) angrenzt, - einem ersten Material (15) mit einer ersten elektrischen Leitfähigkeit, wobei das erste Material (15) die Nuten (14) jeweils teilweise, aber nicht vollständig, ausfüllt, - einem zweiten Material (16) mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit, welche geringer als die erste elektrische Leitfähigkeit ist, - einem dritten Material (19), das so in den Nuten (14) angeordnet ist, dass das erste Material (15) elektrisch vom Material des Rotors (12) isoliert ist, wobei
- das zweite Material (16) ausschließlich einen Randbereich (20) der Nuten (14) ausfüllt und wobei sich der
Randbereich (20) auf der dem Luftspalt (17) zugewandten Seite in den Nuten (14) befindet, und
- das erste Material (15) in den Nuten (14) auf einer ersten Seite des Rotors (12) elektrisch leitend miteinander verbunden ist.
10. Elektrische Maschine (10) gemäß Anspruch 9, bei der die zweite elektrische Leitfähigkeit höchstens 10 % der ersten elektrischen Leitfähigkeit beträgt.
11. Elektrische Maschine (10) gemäß Anspruch 9 oder 10, bei der die Nuten (14) eine Öffnung (18) oder keine Öffnung (18) zum Luftspalt (17) aufweisen.
12. Elektrische Maschine (10) gemäß Anspruch 9 oder 10, bei der mindestens eine erste Nut (14) eine Öffnung (18) zum Luftspalt (17) aufweist und mindestens eine zweite Nut (14) keine Öffnung (18) zum Luftspalt (17) aufweist.
13. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der Ansprüche 9 bis
12, bei der das zweite Material (16) durch Luft gebildet ist oder das zweite Material (16) verschieden von Luft ist und/oder Kunststoff oder Edelstahl umfasst.
14. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der Ansprüche 9 bis
13, bei der der Randbereich (20), in dem sich das zweite Material (16) befindet, eine asymmetrische Form bezüglich einer Radialachse des Rotors (12) aufweist.
15. Elektrische Maschine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 8, mit einem Rotor (12) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14 wobei der Rotor (12) auf der dem Stator (11) abgewandten Seite des Luftspaltes (17) angeordnet ist.
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