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Die
Erfindung betrifft einen Stator für einen Line-Start-Elektromotor,
mit einem Rotoraufnahmeraum, in dem ein Rotor drehbar aufnehmbar
ist, der Aufnahmeräume
für Leiterstäbe und Aufnahmeräume für Permanentmagnete
umfasst, und mit einer Statorwicklung, die mehrere Windungen umfasst,
die ein Magnetfeld mit einer Hauptachse erzeugen. Die Erfindung
betrifft auch einen Stator für
einen Line-Start-Elektromotor,
mit einem Rotoraufnahmeraum, in dem ein Rotor drehbar aufnehmbar
ist, der Aufnahmeräume
für Leiterstäbe und Aufnahmeräume für Permanentmagnete
umfasst, und mit einer Hauptstatorwicklung, die mehrere Windungen
umfasst und die ein Magnet- feld mit einer Hauptachse erzeugt, die
senkrecht zu einer Hilfsachse eines Magnetfelds angeordnet ist,
das von einer Hilfsstatorwicklung erzeugt wird, die mehrere Windungen
umfasst.
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Bei
herkömmlichen
Line-Start-Elektromotoren, wie sie zum Beispiel aus der deutschen
Offenlegungsschrift
DE
34 04 960 A1 bekannt sind, sind die Windungen der Statorwicklungen über den
gesamten Statorumfang verteilt. Die Windungen sind aus Kupferdraht
gebildet. Das in dem Kupferdraht enthaltene Kupfer führt im Betrieb
des Line-Start-Elektromotors zu einem so genannten Kupferverlust,
der sich negativ auf den Wirkungsgrad des Line-Start-Elektromotors auswirkt.
Aus der europäischen
Pa tentschrift
EP 0
809 343 B1 ist eine dauermagneterregte Synchronmaschine
bekannt, die einen mit einer Wicklung versehenen Ständer und
einen mit Dauermagneten bestückten
Läufer
aufweist. Um die Überlastfähigkeit der
bekannten Synchronmaschine zu verbessern, ist die Außenkontur
des Läuferblechpakets
so gestaltet, dass der zwischen dem Läufer und dem Ständer bestehende
Luftspalt in der Polmitte am kleinsten ist und sich zu den Pollücken hin
vergrößert. Aus
der deutschen Auslegeschrift
DE
1 012 681 ist eine synchronisierte Asynchronmaschine bekannt,
deren dreiphasige Erregerwicklung für die Gleichstromspeisung aus
zwei parallel geschalteten Phasen in Reihe mit der dritten Phase
besteht. Die beiden parallel geschalteten Phasen weisen einen geringeren
Wicklungsquerschnitt als die dritte Phase auf. Um eine sinusförmige Flussverteilung
zu erreichen, ist der Gesamtzahnquerschnitt in jeder der den beiden
parallel geschalteten Phasen zugeordneten Wicklungszonen größer als
der Gesamtzahnquerschnitt in der der dritten Phase zugeordneten
Wicklungszone.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Stator für einen Line-Start-Elektromotor
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 oder gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 2 zu schaffen, durch den der Wirkungsgrad des
Line-Start-Elektromotors erhöht
werden kann.
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Die
Aufgabe ist bei einem Stator für
einen Line-Start-Elektromotor,
mit einem Rotoraufnahmeraum, in dem ein Rotor drehbar aufnehmbar
ist, der Aufnahmeräume
für Leiterstäbe und Aufnahmeräume für Permanentmagnete
umfasst, und mit einer Statorwicklung, die mehrere Windungen umfasst,
die ein Magnetfeld mit einer Hauptachse erzeugen, dadurch gelöst, dass
der Rotoraufnahmeraum keinen konstanten Innenradius aufweist, sondern
im Bereich einer Senkrechten zu der Hauptachse einen größeren Innenradius
aufweist als in den benachbarten Bereichen. Durch das Zusammenwirken
von Rotor und Stator wird im Betrieb des Line-Start-Elektromotors ein
Drehfeld erzeugt. Durch eine Konzentration von zumindest einem Teil
der Windungen der Statorwicklung im Bereich einer Senkrechten zu
der Hauptachse kann die für
die Windungen benötigte
Kupfermenge reduziert werden. Allerdings verliert das Drehfeld seine
ansonsten übliche
Sinusform und verläuft
stattdessen im Wesentlichen zinnenförmig. Dieser im Wesentlichen
viereckige Verlauf der magnetomotorischen Kraft ist mit der Ausbildung
von vielen stark ausgeprägten
Harmonischen verbunden, die sich negativ auf den Wirkungsgrad des
Line-Start-Elektromotors auswirken. Durch die Variation des Innendurchmessers
des Ro toraufnahmeraums kann die Amplitude der harmonischen Frequenz
im Vergleich zu einem kreisrunden Rotoraufnahmeraum reduziert werden,
was sich positiv auf den Wirkungsgrad des Line-Start-Elektromotors auswirkt.
Der vergrößerte Luftspalt
zwischen Rotor und Stator wirkt sich aufgrund der Magnetisierung
der Rotormagneten nicht negativ auf den Wirkungsgrad aus.
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Die
Aufgabe ist bei einem Stator für
einen Line-Start-Elektromotor,
mit einem Rotoraufnahmeraum, in dem ein Rotor drehbar aufnehmbar
ist, der Aufnahmeräume
für Leiterstäbe und Aufnahmeräume für Permanentmagnete
umfasst, und mit einer Hauptstatorwicklung, die mehrere Windungen
umfasst und die ein Magnetfeld mit einer Hauptachse erzeugt, die
senkrecht zu einer Hilfsachse eines Magnetfelds angeordnet ist,
das von einer Hilfsstatorwicklung erzeugt wird, die mehrere Windungen
umfasst, dadurch gelöst,
dass der Rotoraufnahmeraum keinen konstanten Innenradius aufweist,
sondern in den Bereichen zwischen der Hauptachse und der Hilfsachse
einen größeren Innenradius
aufweist als in den benachbarten Bereichen. Durch das Zusammenwirken
von Rotor und Stator wird im Betrieb des Line-Start-Elektromotors ein
Drehfeld erzeugt. Durch eine Konzentration von zumindest einem Teil
der Windungen der Statorwicklungen im Bereich der Hauptachse und
der Hilfsachse kann die für
die Windungen benötigte
Kupfermenge reduziert werden. Allerdings verliert das Drehfeld seine
ansonsten übliche
Sinusform und verläuft
stattdessen im Wesentlichen zinnenförmig.
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Dieser
im Wesentlichen viereckige Verlauf der magnetomotorischen Kraft
ist mit der Ausbildung von vielen stark ausgeprägten Harmonischen verbunden,
die sich negativ auf den Wirkungsgrad des Line-Start-Elektromotors auswirken. Durch
die Variation des Innendurchmessers des Rotoraufnahmeraums kann
die Amplitude der harmonischen Frequenz im Vergleich zu einem kreisrunden
Rotoraufnahmeraum reduziert werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad
des Line-Start-Elektromotors auswirkt. Der vergrößerte Luftspalt zwischen Rotor
und Stator wirkt sich aufgrund der Magnetisierung der Rotormagneten
nicht negativ auf den Wirkungsgrad aus.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Stators ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptstatorwicklung
mehrere Windungen umfasst, die konzentriert in der Nähe der Hilfsachse
angeordnet sind, und dadurch, dass die Hilfsstatorwicklung mehrere Windungen
umfasst, die konzentriert in der Nähe der Hauptachse angeordnet
sind.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Stators ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil
der Windungen einer Statorwicklung in zwei diametral gegenüberliegenden
Windungsaufnahmebereichen des Stators konzentriert ist.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Stators ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil
der Windungen einer Statorwicklung durch mehrere paarweise diametral
angeordnete Stator wicklungsaufnahmeräume verlaufen, wobei außerhalb
der Statorwicklung beziehungsweise den Statorwicklungen keine Statorwicklungsaufnahmeräume angeordnet
sind. Vorzugsweise ist die Anzahl der Statorwicklungsaufnahmeräume auf
vier, sechs, acht oder zehn begrenzt. Es können aber im Extremfall auch
nur zwei Statorwicklungsaufnahmeräume diametral gegenüberliegend
angeordnet sein.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Stators ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Aufnahmeräumen gleichmäßig über den
Umfang des Stators verteilt ist, wobei zwischen den Statorwicklungsaufnahmeräumen Aufnahmeräume ohne
Windungen angeordnet sind. Alternativ können die leeren Aufnahmeräume auch weggelassen
werden.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Stators ist dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Statorwicklungsaufnahmeräume an die
Anzahl der darin enthaltenen Windungen angepasst ist. Das führt dazu,
dass Aufnahmeräume
mit vielen Windungen einen größeren Querschnitt
aufweisen, als Aufnahmeräume
mit wenig oder gar keinen Windungen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Stators ist dadurch gekennzeichnet, dass der innere Umfang des
Rotoraufnahmeraums, im Querschnitt betrachtet, im Wesentlichen so
gewellt ist, dass das im Betrieb auftretende Magnetfeld im Wesentlichen
sinusförmig
verläuft.
Dadurch ist es möglich,
trotz der Windungskonzentration in einem oder mehreren Aufnahmeräumen einen
annähernd sinusförmigen Verlauf
der magnetomotorischen Kraft im Betrieb des Line-Start-Elektromotors
zu erreichen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Stators ist dadurch gekennzeichnet, dass der Radius des Rotoraufnahmeraums
um 0,5 bis 2 %, insbesondere um 1,5 bis 1,7 %, variiert. Diese Werte
haben sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders vorteilhaft
erwiesen.
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Bei
einem Line-Start-Elektromotor mit einem Stator, in dem ein Rotoraufnahmeraum
vorgesehen ist, in dem ein Rotor drehbar aufnehmbar ist, der Aufnahmeräume für Leiterstäbe und Aufnahmeräume für Permanentmagnete
umfasst, ist die oben bezeichnete Aufgabe durch Verwendung eines
vorab beschriebenen Stators gelöst.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung
verschiedene Ausführungsbeispiele
im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und
in der Beschreibung erwähnten Merkmale
jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es
zeigen:
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1 eine
Auftragung der magnetomotorischen Kraft über den Nuten bei einer im
Wesentlichen sinusförmigen
Windungsverteilung;
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2 eine
Auftragung der magnetomotorischen Kraft über der Sequenz der Harmonischen
zu der in 1 dargestellten Windungsverteilung;
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3 eine
Auftragung der relativen magnetomotorischen Kraft über der
Sequenz der Harmonischen zu der in 1 dargestellten
Windungsverteilung;
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4 eine
Auftragung der magnetomotorischen Kraft über den Nuten, wobei die Windungen
in nur zwei diametral angeordneten Nuten angeordnet sind;
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5 eine
Auftragung der magnetomotorischen Kraft über der Sequenz der Harmonischen
zu der Windungsverteilung aus 4;
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6 eine
Auftragung der relativen magnetomotorischen Kraft über der
Sequenz der Harmonischen zu der Windungsverteilung aus 4;
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7 ein
Statorblech gemäß der vorliegenden
Erfindung im Querschnitt;
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8 das
Statorblech aus 7 mit einer Hauptstatorwicklung
und einer Hilfsstatorwicklung;
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9 eine
Auftragung der magnetomotorischen Kraft über den Nuten analog zu 4, wobei der
Innendurchmesser des Stators im Bereich von zwölf Nuten einen größeren Radius
aufweist als in den übrigen
Nuten;
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10 eine
Auftragung der magnetomotorischen Kraft über der Sequenz der Harmonischen
zu dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel;
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11 die
Auftragung der relativen magnetomotorischen Kraft über der
Sequenz der Harmonischen zu dem in 10 dargestellten
Ausführungsbeispiel;
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12 eine
Auftragung der magnetomotorischen Kraft über den Nuten, wobei der Innendurchmesser
des Rotoraufnahmeraums im Bereich von vier Nuten einen größeren Radius
aufweist, als bei den anderen Nuten;
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13 eine
Auftragung der magnetomotorischen Kraft über der Sequenz der Harmonischen
gemäß dem in 12 dargestellten
Ausführungsbeispiel
und
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14 eine
Auftragung der relativen magnetomotorischen Kraft über der
Sequenz der Harmonischen zu dem in 12 dargestellten
Ausführungsbeispiel.
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Ein
herkömmlicher
Stator eines Line-Start-Elektromotors
enthält
eine Vielzahl von Windungen einer Statorwicklung oder mehrere Statorwicklungen.
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Der
Stator wird von einer Vielzahl von Statorblechen gebildet, die im
Wesentlichen die Gestalt von Kreisringscheiben haben. Die Aufnahmeräume für die Windungen
sind innen offen und werden deshalb auch als Nuten bezeichnet. Die
Windungen sind aus Kupferdraht gebildet und in unterschiedlichen
Anzahlen in den einzelnen Nuten verteilt. Die Verteilung der Windungen
pro Nut folgt in der Regel einer Sinusverteilung. Dadurch wird erreicht,
dass das im Betrieb des Line-Start-Elektromotors aus dem Zusammenwirken
von Stator und Rotor resultierende Drehfeld annähernd sinusförmig verläuft, wenn
man, wie es in 1 dargestellt ist, die magnetomotorische
Kraft MMK über
den Nuten aufträgt.
In 1 ist die magnetomotorische Kraft MMK über Nuten 1 bis 24 aufgetragen.
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In
den 2 und 3 ist die magnetomotorische
Kraft MMK beziehungsweise die relative magnetomotorische Kraft über der
Sequenz der Harmonischen 1 bis 30 aufgetragen.
In den 2 und 3 sieht man, dass bei einer
im Wesentlichen sinusförmigen
Verteilung der Windungsdrähte
eine große
erste Harmonische auftritt, die besonders kritische dritte Harmonische
sowie die fünfte
und siebte Harmonische aber nur schwach ausgeprägt sind.
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Das
in den Windungsdrähten
enthaltene Kupfer verursacht einen Kupferverlust, der den Wirkungsgrad
des Line-Start-Elektromotors reduziert. Wenn man die im Stator enthaltene
Kupfermenge reduzieren könnte,
dann würde
das den Wirkungsgrad des Line-Start- Elektromotors vergrößern. Im Rahmen der vorliegenden
Erfindung wurde herausgefunden, dass die in dem Stator enthaltene
Kupfermenge reduziert werden kann, indem die Konzentration der Kupferdrähte in einigen
Nuten erhöht
wird. Ein Line-Start-Motor liefert das gleiche Drehmoment, wenn
man zum Beispiel die Kupferdrähte
anstatt über
fünf Nuten
nur über
vier Nuten verteilt. Durch die Konzentrationserhöhung der Windungsdrähte werden
die magnetischen Pole im Stator konzentriert. Allerdings verliert
das Drehfeld, wenn man die Windungsdrähte in wenigen Nuten konzentriert,
seine Sinusform und wird stattdessen annähernd viereckig.
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Bei
den in den 4 bis 6 dargestellten Diagrammen
sind die Windungsdrähte
aus Kupfer auf nur zwei Nuten verteilt, die diametral also um 180° versetzt
zueinander angeordnet sind. Die magnetomotorische Kraft MMK verläuft über den
Nuten 1 bis 24 rechteckförmig. Von den Nuten 1 bis 12 hat
die magnetomotorische Kraft MMK einen Wert von plus 10 und fällt dann
auf minus 10 ab. Von den Nuten 12 bis 24 hat die
magnetomotorische Kraft MMK den Wert minus 10.
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In
den 5 und 6 sieht man das Ergebnis einer
Fourier-Analyse. Die Auftragung der magnetomotorischen Kraft über den
Harmonischen zeigt, dass insbesondere die dritte, fünfte und
siebte Harmonische einen recht hohen Wert aufweisen, was zu einer
inakzeptablen Reduzierung des Wirkungsgrads führt.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausführung des
Stators kann die in dem Stator enthaltene Kupfermenge reduziert
werden, wobei gleichzeitig der Wirkungsgrad reduzierende Einfluss
durch die Harmonischen beziehungsweise die harmonischen Frequenzen
reduziert wird.
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In 7 ist
ein Statorblech im Querschnitt dargestellt. Das Statorblech hat
im Wesentlichen die Gestalt einer Kreisringscheibe, in der eine
Vielzahl von Nuten 1 bis 24 ausgespart ist, die
radial innen offen sind. In dem Statorblech 30 ist ein
Rotoraufnahmeraum ausgebildet, der im Wesentlichen eine kreisrunde
Form aufweist. Allerdings ist der Innenradius des Rotoraufnahmeraums 32 nicht
konstant. Der Rotoraufnahmeraum 32 weist eine Vielzahl
unterschiedlicher Radien 41 bis 52 auf.
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In 8 sind
in einzelnen der Nuten Windungen einer Hauptwicklung und einer Hilfswicklung
aufgenommen. Die Hauptwicklung umfasst bei dem in 8 dargestellten
Ausführungsbeispiel
zwei Windungen, die bei 61 und 63 in den Nuten 21 und 22 aus
der Zeichenebene heraustreten und bei 62 und 64 in
den Nuten 9 und 10 in die Zeichenebene eintreten.
Die Windungen 61 bis 64 der Hauptwicklung erzeugen
im Betrieb des Line-Start-Elektromotors ein Magnetfeld, dessen Hauptachse
mit 71 bezeichnet ist. Die Hilfswicklung umfasst zwei Windungen,
die bei 65 und 67 in den Nuten 3 und 4 aus
der Zeichenebene heraustreten und bei 66, 68 in
den Nuten 15, 16 in die Zeichenebene eintreten.
Die Windungen 65 bis 68 der Hilfswicklung erzeugen
im Betrieb des Line-Start-Elektromotors
ein Magnetfeld, dessen Hilfsachse mit 72 bezeichnet ist.
Die Hilfsachse 72 ist senkrecht zur Hauptachse 71 angeordnet.
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In 8 sieht
man, dass die beiden Windungen 61 bis 64 der Hauptwicklung
auf vier paarweise diametral angeordnete Nuten 21, 22, 9, 10 verteilt sind.
Die beiden Windungen 65 bis 68 der Hilfswicklung
sind auf zwei paarweise diametral angeordnete Nuten 3, 4, 15, 16 verteilt.
In den übrigen
Nuten sind keine Windungen angeordnet.
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Der
Radius des Rotoraufnahmeraums 32 ist im Bereich der Nuten 3, 4, 9, 10, 15, 16 und 21, 22, in
denen Windungen 61 bis 68 der Hauptwicklung und
der Hilfswicklung angeordnet sind, kleiner als in den benachbarten
Bereichen. Die Nuten, in denen Windungen 61 bis 68 angeordnet
sind, werden auch als Statorwicklungsaufnahmeräume oder Statorwicklungsaufnahmenuten 3, 4, 9, 10, 15, 16, 21, 22 bezeichnet.
Im Bereich der Statorwicklungsaufnahmenuten hat der Radius 44 des
Rotoraufnahmeraums 32 einen Wert von 31,52 mm. Bei 41, 43, 45, 46, 47, 49, 50 und 52 hat
der Radius des Rotoraufnahmeraums 32 einen Wert von 31,7
mm. Bei 42, 76, 48 und 51 hat
der Radius des Rotoraufnahmeraums 32 einen Wert von 32
mm.
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Der
Radius des Rotoraufnahmeraums 32 ist also im Bereich der
Statorwicklungsaufnahmenuten am kleinsten und nimmt dann im Bereich
der leeren Nuten jeweils bis zu den Winkelhalbierenden zwischen
der Haupt- und der Hilfsachse stetig zu. Die Größe des Radius des Rotoraufnahmeraums 32 variiert
zwischen den Statorwicklungsaufnahmenuten der verschiedenen Wicklungen
im Wesentlichen wellenförmig,
um einen im Wesentlichen sinusförmigen Verlauf
des im Betrieb auftretenden Magnetfelds zu erreichen. Dadurch kann
die Amplitude der harmonischen Frequenzen im Verhältnis zu
einem Stator mit einem konstanten Innenradius reduziert werden. Durch
den variierenden Radius wird das Magnetfeld im Luftspalt zwischen
Stator und Rotor dort reduziert, wo der Radius am größten ist.
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Wenn
der in 8 dargestellte Stator nur eine Statorwicklung,
zum Beispiel die Hauptstatorwicklung mit den Windungen 61–64 aufweisen
würde,
dann wäre
der Radius des Rotoraufnahmeraums 32 im Bereich der Hauptstatorwicklungsaufnahmenuten 9, 10; 21, 22 am
größten und
würde im
Bereich der leeren Nuten stetig abnehmen. Der größte Radius von 32 mm des Rotoraufnahmeraums 32 läge dann
in den Bereichen, in denen die größten Kupferkonzentrationen
des Stators enthalten wäre.
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In 9 ist
die magnetomotorische Kraft über
den Nuten 1 bis 24 eines Stators dargestellt.
Der Rotorinnenraum des Stators weist im Bereich der Nuten 1, 5 bis 8, 13, 17 bis 20 und 24 einen
Radius von 32 mm auf. Im Bereich der Nuten 2, 4, 9, 11, 14, 16, 21, 23 hat
der Radius des Rotoraufnahmeraums einen Wert von 31,7 mm. Im Bereich
der Nuten 3, 10, 15, 22 hat
der Radius des Rotoraufnah meraums einen Wert von 31,52 mm. In den
Nuten mit einem Radius von 32 mm sind keine Windungen der Haupt- und
der Hilfswicklung angeordnet. In den übrigen Nuten sind Windungen
angeordnet.
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Aus
den 10 und 11 geht
hervor, dass insbesondere die Größe der besonders
kritischen dritten Harmonischen durch die erfindungsgemäße Verteilung
der Wicklungswindungen und durch den variierenden Rotoraufnahmerauminnendurchmesser
reduziert werden konnte.
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Das
in 12 dargestellte Diagramm geht auf einen Stator
zurück,
der nur im Bereich der Nuten 2, 11, 14 und 23 einen
kleineren Radius aufweist als im Bereich der übrigen Nuten. Allerdings sieht
man in den 13 und 14, dass
die Wirkung auf insbesondere die dritte Harmonische dann nicht mehr
so groß ist
wie bei dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel.
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Eine
Lösung
mit mehreren verschiedenen Radien wird bevorzugt. Bei Versuchen
hat sich herausgestellt, dass die Unterschiede der Radien des Rotoraufnahmeraums
nicht zu groß sein
dürfen.
Ansonsten wirkt sich das negativ auf den Wirkungsgrad des Line-Start-Elektromotors
aus.
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Der
Innenradius des Rotoraufnahmeraums kann in den Bereichen zwischen
den Nuten konstant sein, so dass die Innenradien der Nutzwischenräume, die
auch als Zähne
bezeichnet werden, von Zahn zu Zahn variie ren. Es ist aber auch
möglich,
dass der Innenradius eines Zahns nicht konstant ist, sondern variiert.