Die
Aufgabe der Erfindung liegt deshalb darin, eine elektrische Maschine
der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die ein weiter verbessertes Drehmomentverhalten
mit möglichst
niedriger Welligkeit aufweist.
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 1. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist
dadurch gekennzeichnet dass,
- a) jeder Wicklungsstrang
mindestens eine Spulengruppe enthält,
- b) jede Spulengruppe eine gerade Anzahl an elektrisch in Reihe
geschalteter Einzelspulen enthält, die
jeweils ein Einzelmagnetfeld hervorrufen, und
- c) jeweils zwei der Einzelspulen einer Spulengruppe so in einer
Umfangsrichtung des Ständers gegeneinander
versetzt angeordnet sind, dass die zugehörigen Einzelmagnetfelder bei
der sechsten Oberwelle der Nutzpolpaarzahl gegeneinander einen elektrischen
Versatzwinkel aufweisen, der gleich einem ungeradzahligen Vielfachen
von 180° ist.
Im
Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass eine Ursache der Drehmomentwelligkeit
eine durch Sättigungserscheinungen
hervorgerufene Schwankung des magnetischen Leitwerts ist. Je nach
aktueller Drehstromeinprägung
in das Wicklungssystem des Ständers
können
sich im Ständer örtlich begrenzte
Bereiche ausbilden, in denen das magnetische Material des Ständer-Blechpakets vorübergehend
in Sättigung
geht. Entsprechend der zeitlich sich ändernden Drehstromeinprägung ändert sich
auch die Position dieser Sättigungsbereiche
innerhalb des Ständers.
Insbesondere
anhand der einfachsten Ausführungsform
einer dreiphasigen Synchronmaschine, die zwei Pole und ein in insgesamt
sechs Ständer-Nuten
angeordnetes dreisträngiges
Wicklungssystem umfasst, lässt
sich veranschaulichen, dass jede Strombelag-Konstellation der Drehstromeinprägung insgesamt
sechsmal pro Umfang auftaucht. Die genannten Sättigungseffekte führen deshalb
zu einer Drehmomentwelligkeit mit der sechsten Oberwelle. Der Einfluss
dieser Sättigungseffekte
lässt sich
erfassen, indem dem Ständer
zusätzliche
virtuelle Zähne zugewiesen
werden. Bei der genannten zweipoligen Drehstrom-Synchronmaschine
wären zwei
zusätzliche
virtuelle Zähne vorzusehen,
die fiktiv in gleichmäßigem Abstand über den
Umfang des Ständers
verteilt angeordnet sind.
Erfindungsgemäß lässt sich
der Einfluss dieser virtuellen Zähne
unterdrücken,
indem eine wechselseitige Kompensation der umlaufenden Bereiche mit
lokaler Sättigung
vorgesehen wird. Dies wird mittels des erfindungsgemäßen und
diesbezüglich
besonders vorteilhaften Wicklungssystems erreicht. Die von den beiden
Einzelspulen erzeugten Einzelmagnetfeldern haben bei der Nutzpolpaarzahl
einen elektrischen Versatzwinkel (= Phasenverschiebung) von einem
ungeradzahligen Vielfachen von 30° und
bei der sechsten Oberwelle der Nutzpolpaarzahl einen elektrischen
Versatzwinkel von einem ungeradzahligen Vielfachen von 180°. Die Einzelmagnetfelder
heben sich also bei der sechsten Oberwelle und damit gerade in ihrer
durch die virtuellen Zähne
bedingten nachteiligen Wirkung auf das Drehmoment gegenseitig auf,
so dass insgesamt ein stark verbessertes Drehmomentverhalten mit
einer verringerten Welligkeit resultiert.
Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ergeben
sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
Günstig ist
eine Variante, bei der die Einzelspulen als Zahnspulen ausgebildet
sind und insbesondere jeweils einen zwischen benachbarten Nuten angeordneten
Zahn umschließen.
Zahnspulen vereinfachen die Herstellung der elektrischen Maschine erheblich.
Weiterhin
kann der Ständer
zur Aufnahme der Zahnspulen Nuten mit Seitenwänden aufweisen, wobei die Seitenwände der
Nuten, die einer Zahnspule zugeordnet sind, parallel zueinander
sind. Die jeweiligen Nuten und auch der von der Zahnspule umschlossene
Zahn sind also parallelflankig ausgebildet. Dies vereinfacht die
Fertigung weiter. Dann lassen sich vorgefertigte und deshalb sehr
kostengünstige
Zahnspulen problemlos in den Ständer
einsetzen.
Vorzugsweise
ist die elektrische Maschine eine permanenterregte Maschine, bei
der ein mit Permanentmagneten ausgestatteter Läufer vorgesehen ist. Permanenterregte
Maschinen, insbesondere permanenterregte Synchronmaschinen wie Synchronmotoren,
sind heute oftmals Massenprodukte, die eine kleine Baugröße haben.
Die vorzugsweise eingesetzten platzsparenden Zahnspulen tragen dem Rechnung.
Die darüber
hinaus erzielbare niedrige Drehmomentwelligkeit bietet einen Kostenvorteil,
der gerade bei Massenprodukten besondere Relevanz hat.
Gemäß einer
anderen Variante weist der Ständer
zur Aufnahme der Einzelspulen insgesamt vierundzwanzig Nuten auf.
Außerdem
ist eine Nutzpolpaarzahl pN von insbesondere
sieben vorgesehen. Damit errechnet sich eine Rastpolpaarzahl pR gemäß: pR = kgV(N, 2·pN)zu 168, wobei kgV für das kleinste
gemeinsame Vielfache und N für
eine Nutanzahl steht. Die Rastpolpaarzahl pR beschreibt
ein durch Reluktanzkräfte
zwischen Permanentmagneten des Läufers
und Zähnen des
Ständers
verursachtes Nutrasten. Die Rastpolpaarzahl pR von
168 führt
zu einem Oberfeldanteil mit einer sehr hohen Ordnung. Folglich ist
dieser Oberfeldanteil bereits stark gedämpft, und das zugehörige Nutrasten
fällt praktisch
kaum ins Gewicht. Gesonderte Unterdrückungsmaßnahmen, wie beispielsweise
eine Schrägung
im Ständer
und/oder im Läufer, sind
damit nicht erforderlich. Dies wirkt sich günstig auf die Herstellungskosten
aus.
Vorzugsweise
sind die Spulengruppen jedes der Wicklungsstränge elektrisch in Reihe geschaltet. Dies
ist günstig
für elektrische
Maschinen, die für eine
niedrige Drehzahl ausgelegt sind.
Bei
einer weiteren Ausgestaltung sind die Spulengruppen jedes der Wicklungsstränge elektrisch
parallel geschaltet. Dies ist günstig
für elektrische
Maschinen, die für
eine hohe Drehzahl ausgelegt sind.
Günstig ist
weiterhin eine Variante, bei der ein als Außenläufer oder als Innenläufer ausgebildeter
Läufer
vorgesehen ist. Das vorstehend beschriebene günstige Wicklungssystem kann
bei beiden Ausführungsformen
mit den genannten Vorteilen eingesetzt werden.
Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. Es zeigt:
1 ein
Ausführungsbeispiel
einer elektrischen Maschine mit parallelflankigen Ständer-Nuten in
Querschnittsdarstellung,
2 eine
vergrößerte Ausschnittsdarstellung
einer mit einer Zahnspule bestückten
Ständer-Nut
der elektrischen Maschine von 1,
3 ein
erstes Ausführungsbeispiel
für ein Wicklungsschema
der elektrischen Maschine von 1 und
4 ein
zweites Ausführungsbeispiel
für ein
Wicklungsschema der elektrischen Maschine von 1.
Einander
entsprechende Teile sind in den 1 bis 4 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer elektrischen Maschine 1 in Querschnittsdarstellung gezeigt.
Sie ist als permanenterregter Synchronmotor ausgebildet und enthält einen
Ständer 2 sowie
einen Läufer 3,
der um eine Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Der Läufer 3 ist
ein Innenläufer,
der im Ausführungsbeispiel
mit insgesamt vierzehn Permanentmagneten 5 versehen ist,
so dass sich eine Nutzpolpaarzahl pN von
sieben ergibt. Der Ständer 2 enthält an seiner
dem Läufer 3 zugewandten
inneren Wandung mehrere, im Ausführungsbeispiel
von 1 insgesamt vierundzwanzig, gleichmäßig über den Umfang
verteilte Nuten 6, zwischen denen jeweils ein parallelflankiger
Zahn 7 oder ein nicht-parallelflankiger Zahn 8 angeordnet
ist. In Umfangsrichtung wechseln sich die Zähne 7 und 8 ab.
Sie sind durch ein außen
umlaufendes Joch miteinander verbun den. Innerhalb der Nuten 6 verlaufen
elektrische Leiter 9 eines dreisträngigen Wicklungssystems 10.
Das Wicklungssystem 10 ist mittels Zahnspulen 11 realisiert, von
denen aus Gründen
einer besseren Übersichtlichkeit
in der Querschnittsdarstellung gemäß 1 nur zwei
eingetragen sind.
Wie
aus der vergrößerten Ausschnittsdarstellung
gemäß 2 ersichtlich,
umschließt
jede der Zahnspulen 11 einen der parallelflankigen Zähne 7.
Die beiden angrenzenden Nuten 6 und der umschlossene Zahn 7 weisen
jeweils parallele Seitenwände
auf, so dass sich die vorgefertigte Zahnspule 11 problemlos
in das Blechpaket des Ständers 2 einsetzen
lässt.
Dies erleichtert die Herstellung der elektrischen Maschine 1 erheblich.
Außerdem
lässt sich so
eine hohe Nutfüllung
erreichen, und die elektrische Maschine 1 kann sehr kompakt
sowie mit geringem Materialaufwand realisiert werden.
Die
Zahnspulen 11 sind einschichtig ausgebildet. Die elektrischen
Leiter 9 der jeweiligen Zahnspulenwindungen füllen die
Nuten 6, in denen sie verlegt sind, im Wesentlichen vollständig aus.
Details
des Wicklungssystems 10 sind den beiden vereinfachten Wicklungsschemata
gemäß 3 und 4 zu
entnehmen. Dargestellt sind zwei Ausführungsbeispiele für ein Wicklungssystem 12 bzw. 13,
die grundsätzlich
nach dem gleichen Prinzip aufgebaut sind, aber eine unterschiedliche Verschaltung
im Bereich eines Wickelkopfs 14 enthalten. Wie in den 3 und 4 angedeutet
ist in axialer Richtung, also in Richtung der Drehachse 4, auf
beiden Stirnseiten des eigentlichen aktiven Teils des Ständers 2 jeweils
ein Bereich für
einen Wickelkopf 14 und 15 vorgesehen. Während im
Bereich des Wickelkopfs 15 lediglich die Leiter 9 der
Zahnspulenwindungen umgelenkt werden, erfolgt im Bereich des Wickelkopfs 14 auch
eine elektrische Zusammenschaltung der Zahnspulen 11.
Die
Einzelspulen bildenden Zahnspulen 11 sind in den beiden
Ausführungsbeispielen
zu insgesamt sechs Spulengruppen 16 bis 21 zusammengefasst,
von denen jeweils zwei einem von drei Wicklungssträngen 22 bis 24 zugeordnet
sind. In den Ausführungsbeispielen
sind die beiden zu einer der Spulengruppen 16 bis 21 zusammengefassten
Zahnspulen 11 in Umfangsrichtung nebeneinander und um einen
Umfangswinkel φmech von 30° gegeneinander versetzt angeordnet.
Sie sind außerdem
elektrisch in Reihe geschaltet, wobei beide Zahnspulen 11 gegenläufig gewickelt
sind.
Beim
Wicklungssystem 12 gemäß 3 sind
die einem der Wicklungsstränge 22 bis 24 zugeordneten
Spulengruppen 16 und 17, 18 und 19 bzw. 20 und 21 elektrisch
in Reihe geschaltet, wohingegen sie beim Wicklungssystem 13 gemäß 4 elektrisch
parallel geschaltet sind. Der erste Wicklungsstrang 22 ist
mit durchgezogener Linienführung,
der zweite Wicklungsstrang 23 mit gestrichelter Linienführung und
der dritte Wicklungsstrang 24 mit strichpunktierter Linienführung dargestellt.
Unter
Berücksichtigung
der in 3 und 4 zusätzlich eingetragenen durchgehenden Nummerierung
der Nuten 6 ergibt sich für das Wicklungssystem 12 bzw. 13 folgender
Aufbau:
Der erste Wicklungsstrang 22 enthält die erste
Spulengruppe 16 mit zwei Zahnspulen 11, deren
Leiter 9 in der ersten und zweiten bzw. in der dritten
und vierten Nut 6 verlaufen, und die zweite Spulengruppe 17 mit
zwei Zahnspulen 11, deren Leiter 9 in der dreizehnten
und vierzehnten bzw. in der fünfzehnten
und sechzehnten Nut 6 verlaufen.
Der
zweite Wicklungsstrang 23 enthält die dritte Spulengruppe 18 mit
zwei Zahnspulen 11, deren Leiter 9 in der neunten
und zehnten bzw. elften und zwölften
Nut 6 verlaufen, und die vierte Spulengruppe 19 mit
zwei Zahnspulen 11, deren Leiter 9 in der einundzwanzigsten
und zweiundzwanzigsten bzw. dreiundzwanzigsten und vierundzwanzigsten Nut 6 verlaufen.
Der
dritte Wicklungsstrang 24 enthält die fünfte Spulengruppe 20 mit
zwei Zahnspulen 11, deren Leiter 9 in der siebenzehn ten
und achtzehnten bzw. in der neunzehnten und zwanzigsten Nut 6 verlaufen,
und die sechste Spulengruppe 21 mit zwei Zahnspulen 11,
deren Leiter 9 in der fünften
und sechsten bzw. in der siebenten und achten Nut 6 verlaufen.
Jeder
der Wicklungsstränge 22 bis 24 enthält Paare
von Zahnspulen 11, die eine halbe Umfangsdrehung versetzt
gegeneinander angeordnet sind. Im Wicklungsstrang 22 sind
dies beispielsweise die beiden Zahnspulen 11, deren Leiter 9 in
der ersten und zweiten bzw. in der dreizehnten und vierzehnten Nut 6 verlaufen.
Die beiden Zahnspulen 11 derartiger Paare sind jeweils
gegenläufig
gewickelt, um eine wechselseitige Kompensation der von beiden Zahnspulen 11 erzeugten
Einzelmagnetfelder bei der Nutzpolpaarzahl pN zu
verhindern.
Im
Folgenden wird die Wirkungsweise der elektrischen Maschine 1 und
vor allem auch der besonders vorteilhaften Wicklungssysteme 12 und 13 beschrieben.
Während des
Betriebs kann die elektrische Maschine 1 eine unerwünschte Drehmomentwelligkeit
aufweisen, für
die verschiedene Ursachen in Frage kommen.
Zum
einen verursachen Reluktanzkräfte
zwischen den Permanentmagneten 5 und den Zähnen 7 bzw. 8 ein
Nutrasten mit einer Rastpolpaarzahl pR. Letztere
wird durch die Nutzpolpaarzahl pN und die Anzahl
N der Nuten 6 im Ständer 2 bestimmt.
Im Ausführungsbeispiel
hat pN einen Wert von sieben und N einen
Wert von vierundzwanzig. Damit nimmt die Rastpolpaarzahl pR einen hohen Wert von 168 an, so dass der
zugehörige
Feldanteil stark gedämpft
ist und das Nutrasten als Ursache für die Drehmomentwelligkeit
praktisch ausgeschlossen werden kann.
Neben
dem Nutrasten existiert eine weitere Ursache für die unerwünschte Drehmomentwelligkeit.
Es handelt sich um zeitlich und örtlich
variable Sättigungserscheinungen
im Ständer 2,
die lokal eng begrenzt auftreten, von der Stromeinprägung in
das Wicklungssystem 10, 12, bzw. 13 abhängen und
in Um fangsrichtung mit umlaufen können. Diese Sättigungserscheinungen
verursachen Schwankungen des magnetischen Leitwerts und führen zu
einer Drehmomentwelligkeit bei der sechsten Oberwelle der Nutzpolpaarzahl
pN. Der Sättigungseinfluss lässt sich
durch die fiktive Einführung
zusätzlicher
virtueller Zähne
im Ständer 2 beschreiben.
Die
speziellen Wicklungssysteme 12 und 13 unterdrücken die
Ausbildung der Sättigungsbereiche und
damit der virtuellen Zähne
weitestgehend, so dass eine sehr niedrige Drehmomentwelligkeit resultiert.
Die
Zahnspulen 11 erzeugen jeweils ein Einzelmagnetfeld. Aufgrund
der in Umfangsrichtung versetzten Anordnung weisen die Einzelmagnetfelder der
einer der Spulengruppen 16 bis 21 zugeordneten Zahnspulen 11 einen
elektrischen Versatzwinkel φel auf. Letzterer ist bei der für den Einfluss
der virtuellen Zähne
maßgeblichen
sechsten Oberwelle der Nutzpolpaarzahl pN gleich
einem ungeradzahligen Vielfachen von 180°, so dass sich diese Einzelmagnetfelder
bei der sechsten Oberwelle gegenseitig aufheben.
Die
für die
sechste Oberwelle zu erfüllende Bedingung
lautet also: φel = φmech·6·pN = (2·n – 1)·180°mit
n ∊ {1, 2, 3, ...}.
Sie
ist im Ausführungsbeispiel
mit pN = 7 und φmech =
30° erfüllt.
Aufgrund
der vorteilhaften Ausgestaltung der Wicklungssysteme 12 und 13 entfällt somit
der ungünstige
Einfluss der virtuellen Zähne
auf die Drehmomentwelligkeit der elektrischen Maschine 1.
Das
vorstehend am konkreten Beispiel für N = 24 und pN =
7 beschriebene Funktionsprinzip ist nicht auf diesen Anwendungsfall
beschränkt.
Es lässt sich
verallgemeinern.
So
ist eine Vervielfachung der Nutanzahl N leicht möglich. Bei einer Verdoppelung
können
pro Wicklungsstrang vier Spulengruppen mit jeweils zwei Zahnspulen
oder zwei Spulengruppen mit jeweils vier Zahnspulen vorgesehen sein.
Wichtig
ist, dass zu jeder Einzelspule eine korrespondierende andere Einzelspule
vorgesehen ist, deren jeweilige Einzelmagnetfelder sich bei der sechsten
Oberwelle der Nutzpolpaarzahl pN gegenseitig
aufheben. Insbesondere weisen die Einzelmagnetfelder bei der sechsten
Oberwelle der Nutzpolpaarzahl pN einen elektrischen
Versatzwinkel φel von einem ungeradzahligen Vielfachen von
180° auf.
Vorzugsweise ist diese Bedingung mit Spulengruppen zu erfüllen, die
eine gerade Anzahl an Einzelspulen haben.
Andere,
insbesondere ungeradzahlige Nutzpolpaarzahlen pN lassen
sich beispielsweise mittels der Anzahl der auf dem Läufer 3 vorgesehenen
Permanentmagnete 5 einstellen.
Insgesamt
bietet die elektrische Maschine 1 die unter Fertigungsgesichtspunkten
günstige
Möglichkeit,
Zahnspulen 11 einzusetzen. Es kann auf ansonsten übliche kostspielige
Maßnahmen
wie Schrägung
oder Staffelung der Nuten 6 oder der Permanentmagnete 5 verzichtet
werden. Trotzdem resultiert aufgrund der günstigen Eigenschaften des Wicklungssystems 10, 12 oder 13 eine
sehr niedrige Drehmomentwelligkeit. Insbesondere unterdrückt das Wicklungssystem 10, 12 oder 13 den
Einfluss der virtuellen Zähne,
so dass diese keinen Beitrag zur Drehmomentwelligkeit leisten.