DE102016218324A1

DE102016218324A1 - Elektrische Maschine und Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102016218324A1
Application number: DE102016218324.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Leich
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-09-24
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2017-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine (1) einen Stator (2) und einen Rotor (3) umfasst, wobei der Stator (2) mindestens drei Statorzähne (SZ1, ..., SZ6) aufweist, wobei jeder Statorzahn (SZ1, ..., SZ6) mit einer Phasenwicklungen (PW1, ..., PW6) umwickelt ist, wobei die Phasenwicklungen (PW1, ..., PW6) in einem Sternpunkt (S) elektrisch verbunden sind, wobei der Rotor (3) mindestens einen Rotorzahn (RZ1, RZ2) aufweist, wobei der mindestens eine Rotorzahn (RZ1, RZ2) derart ausgebildet ist, dass in einem bestromten Zustand der elektrischen Maschine (1) ein magnetischer Widerstand eines magnetischen Kreises (M), der sich über den Rotorzahn (RZ1) und einen Statorzahn (SZ1, ..., SZ6) mit einer bestromten Phasenwicklung (PW1, ..., PW6) schließt, dann minimal ist, wenn sich der magnetische Kreis (M) über einen zu diesem Statorzahn (SZ1, ..., SZ6) benachbarten Statorzahn (SZ1, ..., SZ6) mit einer bestromten Phasenwicklung (PW1, ..., PW6) schließt.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine.
Zum Antrieb von Elektrofahrzeugen dienen in der Regel permanenterregte Synchronmaschinen mit elektronischer Dreiphasen-Sinuskommutierung. Derartige Maschinen weisen insbesondere ein im Vergleich

a) geringes Gewicht,
b) geringe Fertigungskosten,
c) eine hohe Drehmomentdichte und damit geringe Getriebeuntersetzung,
d) eine hohe Leistungsdichte,
e) einen geringen Verschleiß sowie
f) ein geringes Schleppmoment auf, wodurch keine Notwendigkeit von Freilauf oder Kupplung besteht.

Nachteilig ist die vorhandene sogenannte elektromotorische Gegenkraft, durch die

1) eine Begrenzung des Drehzahlbereiches und der Leistung erfolgt,
2) eine verminderte Eigensicherheit der elektrischen Maschine besteht,
3) permanente Ummagnetisierungsverluste erzeugt werden und
4) eine Abhängigkeit von der Verfügbarkeit von Rohstoffen für die Herstellung starker Permanentmagnete besteht.

Weiter bekannt sind geschaltete Reluktanzmotoren. Diese weisen unter anderem folgende Eigenschaften auf:

I. eine geringere Kupfer-Ausnutzung als permanenterregte Maschine, daher geringere gravimetrische und volumetrische Drehmomentdichte, Bauraumprobleme im Fahrzeug,
II. geringere Ausnutzung des Luftspaltes im Vergleich mit einer permanenterregten Maschine,
III. im Allgemeinen höhere Lärmentwicklung aufgrund der üblichen Block-Kommutierung,
IV. geringere Induktivität im unausgerichteten Zustand „unaligned“, erhöhter schaltungstechnischer Aufwand zur Vermeidung von EMV-Problemen,
V. höhere Zahl von Phasenleitungen im Vergleich mit anderen Motorkonzepten (6 statt 3 Phasenleitungen).

Die DE 38 131 30 C2 beschreibt einen geschalteten Reluktanzmotor, der mehrere unabhängige Statorphasen sowie einen Rotor aufweist, mit einem Stromrichter, an den die Statorphasen angeschaltet sind.
Die JP 2011-035995 A beschreibt einen Motorcontroller, der einen SR-Motor betreiben kann.
Die US 2002/0125783 offenbart die physikalischen Prinzipien eines SR-Motors, der in der Lage ist, ein konstantes Drehmoment bereitzustellen, wenn dieser mit drei sinusförmigen Spannungen betrieben wird.
Die JP 2003-180 059 A offenbart einen geschalteten Reluktanzgenerator, welcher auch als Reluktanzmotor verwendet werden kann. Dieser weist eine sternförmige sogenannte Ankerwicklung und eine Feldwicklung auf. Die Feldwicklung ist hierbei zwingend zur Magnetisierung des Rotors und somit für den Betrieb des Reluktanzgenerators erforderlich. Nur durch diese Magnetisierung des Rotors kann bei der Rotation des Rotors dann eine Änderung des magnetischen Felds in der Maschine erreicht werden, die dann ein elektrisches Feld in den Statorzahnwicklungen induziert. Die Druckschrift offenbart keine vollständige Abdeckung von benachbarten Statorzähnen durch einen Rotorzahn.
Es stellt sich das technische Problem, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine zu schaffen, die eine gravimetrische und/oder volumetrische Drehmomentdichte erhöht und einen schaltungstechnischen Aufwand verringert.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorgeschlagen wird eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator und einen Rotor. Der Stator weist mindestens drei Statorzähne auf. Ein Statorzahn kann hierbei einen Polschuh aufweisen oder ausbilden.
Der Stator kann z.B. im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet sein, wobei entlang eines Innenumfangs des Stators mindestens drei, vorzugsweise mehr als drei, Statorzähne vorgesehen sind. Zwei Statorzähne können mindestens eine Statornut begrenzen. Auch kann ein Statorzahn von zwei Statornuten begrenzt sein. Diese Statorzähne können z.B. von einer inneren Mantelfläche des hohlzylinderförmigen Stators abstehen. Der Stator kann insbesondere als Stator einer sogenannten Schenkelpolmaschine ausgebildet sein, wobei ein Schenkelpol einem Statorzahn entspricht.
Jeder Statorzahn ist mit einer Phasenwicklung umwickelt. Somit umfasst die elektrischen Maschine Phasenwicklungen. Insbesondere umfasst die elektrische Maschine mindestens drei voneinander verschiedene Phasenwicklungen. Die elektrischen Maschine kann hierbei eine m-phasige Maschine sein, wobei m größer als oder gleich 3 ist und wobei jeder Phase mindestens eine Phasenwicklungen zugeordnet ist.
Der einer Phase zugeordnete Statorzahn kann somit einen Statorzahn bezeichnen, der mit einer Phasenwicklung umwickelt ist, die der entsprechenden Phase zugeordnet ist. Einer Phase können auch mehr als eine Phasenwicklung zugeordnet sein, wobei jede dieser Phasenwicklungen voneinander verschiedene Statorzähne umwickelt. Auch kann eine Phasenwicklung mehr als einen Statorzahn umwickeln.
Die Phasenwicklungen können in einem Sternpunkt elektrisch verbunden sein. Die Phasenwicklungen können hierbei insbesondere derart elektrisch verbunden sein, dass die Phasen in einem Sternpunkt elektrischen verbunden sind. Mit anderen Worten sind die Phasenwicklungen bzw. die Phasen in einer Sternschaltung verschaltet.
Insbesondere können benachbarte Phasenwicklungen um 360°/m/n versetzt zueinander angeordnet sein. Hierbei kann n die Anzahl der Statorzähne pro Phase bezeichnen. Ein Statorzahn kann einen Pol bilden. Somit kann die Gesamtzahl der statorseitigen Pole m × n sein. Benachbarte Phasenwicklungen können insbesondere entlang des Innenumfangs benachbart zueinander angeordnet sein. Somit können auch Statorzähne, die von diesen benachbarten Statorwicklungen umwickelt sind, um 360°/m/n benachbart zueinander angeordnet sein. Benachbarte Phasenwicklungen können insbesondere Phasenwicklungen sein, die voneinander verschiedenen Phasen zugeordnet sind. Phasenwicklungen können insbesondere derart entlang des Innenumfangs angeordnet sein, dass m Phasenwicklungen, die entlang des Innenumfangs aufeinander folgen, jeweils einer der m Phasen zugeordnet sind.
Die Phasenwicklungen können entsprechend einem Wicklungsschema einer permanent erregten Synchronmaschine angeordnet sein.
Der Rotor weist mindestens einen Rotorzahn auf. Vorzugsweise weist der Rotor mehr als einen Rotorzahn auf. Der Rotor kann z.B. im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet sein, wobei entlang eines Außenumfangs des Rotors der mindestens eine Rotorzahn vorgesehen ist. Der Rotorzahn kann z.B. von einer äußeren Mantelfläche des Rotors abstehen. In diesem Fall können ein Rotorzahn oder mehrere Rotorzähne mindestens eine Rotornut begrenzen. Auch kann ein Rotorzahn von zwei Rotornuten begrenzt sein. Dies ist jedoch nicht zwingend. Der Rotorzahn kann auch als Abschnitt des Rotors ausgebildet sein, dessen Oberfläche einen Teil der Außenfläche des Rotors bildet, wobei der Abschnitt eine vorbestimmte magnetische Leitfähigkeit aufweist. Diese kann insbesondere höher sein als die magnetische Leitfähigkeit eines zentralen Abschnitts des Rotors.
Der Rotor, insbesondere der Rotorzahn, kann aus einem nicht-permanentmagnetischen Material ausgebildet sein. Der Rotorzahn kann vorzugsweise aus einem magnetisch leitfähigem Material ausgebildet sein. Ein Rotorzahn kann einen Rotorpol bilden.
Die elektrische Maschine kann als Innenläufermaschine ausgebildet sein. Allerdings ist es auch vorstellbar, die elektrische Maschine als Außenläufermaschine auszubilden. Sowohl Stator als auch Rotor können geblecht ausgebildet sein.
Weiter ist der mindestens eine Rotorzahn derart ausgebildet, dass in einem bestromten Zustand der elektrischen Maschine ein magnetischer Widerstand eines magnetisches Kreises, der sich über den Rotorzahn und einen Statorzahn mit einer bestromten Phasenwicklung schließt, dann minimal ist, wenn sich der magnetische Kreis über einen zu diesem Statorzahn benachbarten Statorzahn mit einer (ebenfalls) bestromten Phasenwicklung schließt. Dieser minimale magnetische Widerstand kann sich insbesondere dann ergeben, wenn sich der Rotor in einer ersten Winkelposition befindet. Der magnetische Kreis schließt sich hierbei über keinen weiteren Rotorzahn.
Der magnetische Kreis kann einen geschlossenen Pfad bezeichnen, insbesondere den Verlauf einer Feldlinie, wobei zumindest ein Abschnitt des Pfades jeweils in den Statorzähnen als auch in dem Rotorzahn angeordnet ist. Weitere Abschnitte des Pfades können im Luftspalt und im Statorkörper angeordnet sein.
Der bestromte Zustand einer Phasenwicklung kann einen Zustand bezeichnen, in dem ein Strom durch die Phasenwicklung fließt. Auch kann der bestromte Zustand einen Zustand bezeichnen, in dem ein Strom durch die Phasenwicklung fließt, dessen Amplitude größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist. Der bestromte Zustand kann insbesondere einen Zustand bezeichnen, der sich zu einem Zeitpunkt eines Blockkommutierungsbetriebs der elektrischen Maschine einstellt.
Ist die elektrische Maschine eine dreiphasige Maschine, so kann der Blockkommutierungsbetrieb insbesondere ein sogenannter 120°-Rechteckkommutierungsbetrieb sein. Hierbei fließt ein Strom durch Phasenwicklungen, die zwei der drei Phasen zugeordnet sind, während die der verbleibenden Phase zugeordneten Phasenwicklungen stromlos sind. Nach jeweils 60° (elektrisch) wird der Stromfluss auf das nächste Phasenpaar weitergeschaltet.
Hierbei können verschiedene Bestromungszustände existieren. In verschiedenen Bestromungszuständen können z.B. jeweils verschiedene Phasenwicklungen bestromt werden. Hierdurch sind auch bestromungszustandsabhängig verschiedene Statorzähne mit bestromten Phasenwicklungen umwickelt.
Somit kann einem Bestromungszustand eine Winkelposition des Rotors zugeordnet sein, in der vorhergehend erläuterte minimale magnetische Widerstand des magnetisches Kreises, der sich über den Rotorzahn und die Statorzähne mit einer bestromten Phasenwicklung schließt, bereitgestellt wird.
Die erste Winkelposition kann einem ersten Bestromungszustand zugeordnet sein. Weitere Winkelpositionen können weiteren Bestromungszuständen zugeordnet sein.
Mit anderen Worten ist der mindestens eine Rotorzahn derart ausgebildet, dass der Rotorzahn, insbesondere in der ersten Winkelposition, den magnetischen Widerstand des magnetischen Kreises, der sich in dem bestromten Zustand über zwei benachbarte Statorzähne mit jeweils bestromten Phasenwicklungen und den mindestens einen Rotorzahn schließt, minimiert. Somit können in der ersten Winkelposition des Rotors die magnetische Widerstände aller davon verschiedenen magnetischen Kreise, die sich in dem bestromten über den ersten bestromten Statorzahn schließen, größer sein.
Somit schließt der Rotorzahn in der ersten Winkelposition die bestromten Phasenwicklungen der benachbarten Statorzähne magnetisch kurz bzw. maximiert ihre magnetische Kopplung bzw. minimiert die Reluktanz zwischen ihnen.
Mit noch anderen Worten ist der mindestens eine Rotorzahn derart ausgebildet, dass in der ersten Winkelposition ein Zustand minimaler Reluktanz erreicht wird.
Umfasst die elektrische Maschine mehrere Rotorzähne, so können in der ersten Winkelposition des Rotors die magnetischen Widerstände mehrerer, entsprechender magnetischer Kreise minimal sein.
Die magnetischen Widerstände von weiteren magnetischen Kreisen, die sich über einen Rotorzahn oder einen Abschnitt eines Rotorzahns und einen nicht von dem Rotorzahn verdeckten Statorzahn oder einen Abschnitt eines solchen nicht verdeckten Statorzahns schließen, können hierbei größer als der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises sein, der sich über den Rotorzahn, den ersten Statorzahn und den zu dem ersten Statorzahn benachbarten Statorzahn schließt. Insbesondere können die magnetischen Widerstände von weiteren magnetischen Kreisen, die sich über einen ersten Statorzahn, einen entgegen der Drehrichtung zum ersten Statorzahn unmittelbar benachbarten Statorzahn und einen Rotorzahn schließen, größer sein als der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises, der sich über den Rotorzahn, den ersten Statorzahn und einen in Drehrichtung zum ersten Statorzahn unmittelbar benachbarten Statorzahn schließt. Insbesondere können die magnetischen Widerstände dieser weiteren magnetischen Kreise genau dann maximal sein, wenn der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises, der sich über den Rotorzahn, den ersten Statorzahn und einen in Drehrichtung zum ersten Statorzahn unmittelbar benachbarten Statorzahn schließt, minimal ist.
Die elektrische Maschine unterscheidet sich von einer permanent erregten Synchronmaschine dadurch, dass kein Rotor aus permanentmagnetischem Material benötigt wird. Von einer geschalteten Reluktanzmaschine unterscheidet sich die elektrische Maschine dadurch, dass zum Betrieb weniger Phasenleitungen benötigt werden. Bei einer dreiphasigen Maschine werden z.B. nur 3 Phasenleitungen statt der bei einer dreiphasigen Reluktanzmaschine benötigten vier bzw. sechs Phasenleitungen benötigt. Wie nachfolgend noch näher erläutert, ermöglicht die vorgeschlagene Maschine bei vergleichbarem Bauraum eine höhere gravimetrische und volumetrische Drehmomentdichte als die geschaltete Reluktanzmaschine.
Die vorgeschlagene Maschine kann auch als geschalteter Reluktanzmotor in Sternschaltung (SRS) bezeichnet werden.
Erfindungsgemäß verdeckt eine Oberfläche des mindestens einen Rotorzahns die Polflächen der benachbarten Statorzähne mit bestromten Phasenwicklungen vollständig. Somit verdeckt ein erster Teil der Oberfläche des Rotorzahns die gesamte Polfläche des ersten Statorzahns mit bestromter Phasenwicklung und ein weiterer Teil der Oberfläche des Rotorzahns die gesamte Polfläche des benachbarten Statorzahns mit bestromter Phasenwicklung. Somit kann ein Rotorpol mit Bezug auf einen Statorpol als Doppelpol ausgebildet sein.
Dies kann insbesondere in der ersten Winkelposition der Fall sein.
Ein verdeckter Abschnitt der Polfläche eines Statorzahns kann einen Abschnitt bezeichnen, dem relativ zum Luftspalt zwischen Stator und Rotor gegenüberliegend ein Abschnitt der Oberfläche des Rotorzahns angeordnet ist. Somit kann eine Luftspaltbreite zwischen dem verdeckten Abschnitt der Polfläche des Statorzahns und dem Rotor minimal sein, wobei die Luftspaltbreite z.B. entlang einer Senkrechten zum verdeckten Abschnitt der Polfläche gemessen wird.
Das Merkmal, dass eine Oberfläche des mindestens einen Rotorzahns die Polflächen der benachbarten Statorzähne mit bestromten Phasenwicklungen vollständig verdeckt, kann hierbei äquivalent zu dem Merkmal sein, dass der mindestens eine Rotorzahn derart ausgebildet ist, dass in einem bestromten Zustand der elektrischen Maschine ein magnetischer Widerstand eines magnetischen Kreises, der sich über den Rotorzahn und einen ersten Statorzahn mit einer bestromten Phasenwicklung schließt, dann minimal ist, wenn sich der magnetische Kreis über einen zu dem ersten Statorzahn benachbarten Statorzahn mit einer bestromten Phasenwicklung schließt.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Herstellung der elektrischen Maschine.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Winkel zwischen einer Tangente in einem Punkt, insbesondere in einem beliebigen Punkt oder in jedem Punkt, einer äußeren Mantelfläche eines Statorzahns und einer radialen Nutmittellinie der von der äußeren Mantelfläche begrenzten Statornut einen Wert zwischen 0 (einschließlich) und π/8 (einschließlich) auf. Der Winkel kann insbesondere der Winkel in einer Querschnittsebene sein, die senkrecht zur Rotationsachse des Rotors orientiert ist.
Mit anderen Worten kann der Statorzahn also derart angeordnet und/oder ausgebildet sein, dass der Winkel zwischen der Tangente und der radialen Nutmittellinie einen Wert zwischen 0 und π/8 aufweist. Die Tangente und die radiale Nutmittellinie können in der erläuterten Querschnittsebene angeordnet sein bzw. verlaufen.
Eine Tangente kann hierbei eine Gerade sein, die die äußere Mantelfläche zumindest, jedoch nicht zwingend ausschließlich, in dem Punkt der äußeren Mantelfläche berührt. Weiter kann die Tangente senkrecht zu einer Oberflächennormalen der äußeren Mantelfläche im Berührungspunkt orientiert sein.
Ein Statorzahn kann hierbei einen Polkernabschnitt aufweisen. Weiter kann ein Statorzahn auch einen Polschuhabschnitt aufweisen oder ausbilden. Dies ist jedoch nicht zwingend. Ein Polschuhabschnitt kann z.B. einen Abschnitt des Statorzahns bezeichnen, in dem sich eine Breite des Statorzahns in der erläuterten Querschnittsebene hin zur Rotationsachse des Rotors vergrößert. Die Breite kann hierbei eine Breite entlang einer Umfangsrichtung sein.
Die äußere Mantelfläche des Statorzahns kann eine Fläche bezeichnen, die eine Statornut begrenzt. Mit anderen Worten kann die äußere Mantelfläche Teil einer Wandfläche einer Seitenwand der Statornut sein. Die Statornut ist hierbei zwischen zwei benachbarten Statorzähnen angeordnet.
Die radiale Nutmittellinie der von der äußeren Mantelfläche begrenzten Statornut kann hierbei eine Linie bezeichnen, die sich in Radialrichtung von der Rotationsachse des Rotors zu einem Statorjochabschnitt erstreckt, wobei der Statorjochabschnitt ebenfalls die Statornut begrenzt, insbesondere in der vorhergehend erläuterten Querschnittsebene. Z.B. kann sich die radiale Nutmittellinie von einem Mittelpunkt des Statorjochabschnitts zwischen den beiden benachbarten Statorzähnen zur Rotationsachse des Rotors erstrecken, insbesondere in der vorhergehend erläuterten Querschnittsebene.
Somit kann also der Winkel zwischen einer Tangente in einem beliebigen Punkt der äußeren Mantelfläche des Statorzahns und der radialen Nutmittellinie der von der äußeren Mantelfläche begrenzten Statornut einen Wert zwischen 0 und π/8 aufweisen.
Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein möglichst geringer magnetischer Widerstand des magnetischen Kreises erreicht werden, der sich über den Rotorzahn, den ersten Statorzahn und den zu dem ersten Statorzahn benachbarten Statorzahn schließt. Dies wiederum ermöglicht in vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Entfaltung des Drehmoments bzw. eine Reduktion von Drehmomentschwankungen sowie die Bereitstellung eines hohen Wirkungsgrads.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Phasenwicklungen in einem Sternpunkt elektrisch verbunden. Dies wurde vorhergehend bereits erläutert. Die Verbindung der Phasenwicklungen in einem Sternpunkt ermöglicht in vorteilhafter Weise den Betrieb einer mehrpoligen elektrischen Maschine mit einer minimalen Anzahl von Phasenleitungen. So kann z.B. eine elektrische Maschine mit sechs Statorpolen mit 3 Phasenleitungen betrieben werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Stator 3 × n Statorzähne auf, wobei der Rotor n Rotorzähne aufweist. Hierbei kann n eine ganzzahlige positive Zahl sein, also n = 1, 2, ... . In diesem Fall kann die elektrische Maschine insbesondere eine dreiphasige Maschine (m = 3) sein. Z.B. kann der Stator 6 Statorzähne und der Rotor 2 Rotorzähne aufweisen.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine höhere gravimetrische und volumetrische Drehmomentdichte als bei einer geschalteten Reluktanzmaschine gemäß Stand der Technik sowie eine höhere gravimetrische volumetrische Leistungsdichte.
In einer weiteren Ausführungsform deckt jeweils einer der 1 × n Rotorzähne ein Winkelsegment von 4π/(3 × n) des Luftspalts und jeweils einer der 3 × n Statorzähne ein Winkelsegment von π/(3 × n) des Luftspalts ab. Ein abgedeckter Abschnitt des Luftspalts zwischen Stator und Rotor kann einen Abschnitt bezeichnen, der zwischen dem jeweiligen Stator- bzw. Rotorzahn und dem jeweils gegenüberliegenden Abschnitt der Oberfläche des Rotors bzw. Stators angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein geringer, insbesondere ein geringstmöglicher, magnetischer Widerstand und somit ein hoher Wirkungsgrad.
In einer weiteren Ausführungsform bilden die Statorzähne jeweils einen Polschuh aus. Dies kann bedeuten, dass sich eine Breite des Statorzahns hin zum freien Ende des Statorzahns vergrößert und/oder am freien Ende maximal ist. Die Breite kann entlang des Umfangs, z.B. entlang eines Innenumfangs des Stators bei einer Innenläufermaschine oder entlang eines Außenumfangs des Stators bei einer Außenläufermaschine erfasst werden.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein höherer Wirkungsgrad aufgrund des geringeren magnetischen Widerstands.
In einer alternativen Ausführungsform weist der Stator 3 × n Statorzähne auf, wobei der Rotor 2 × n Rotorzähne aufweist. Z.B. kann der Stator 6 Statorzähne und der Rotor 4 Rotorzähne aufweisen. Hierbei kann n eine ganzzahlige positive Zahl sein, also n = 1, 2, ... .
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine weitere Erhöhung der Drehmomentdichte, insbesondere im Vergleich zu der vorhergehend erläuterten Ausführungsform.
In einer weiteren Ausführungsform deckt jeweils einer der 2 × n Rotorzähne ein Winkelsegment von 2π/(2 × n) des Luftspalts und jeweils einer der 3 × n Statorzähne ein Winkelsegment von 2π/(6 × n) des Luftspalts ab. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine hohe, insbesondere die höchstmögliche, Drehmomentdichte. Diese kann im Vergleich zu einem geschalteten Reluktanzmotor mit gleicher Nutenzahl um 50% höher sein.
In einer weiteren Ausführungsform bilden die Statorzähne keinen Polschuh aus. Dies kann bedeuten, dass sich eine Breite des Statorzahns hin zum freien Ende des Statorzahns verringert oder konstant bleibt. Alternativ oder kumulativ kann die Breite am freien Ende minimal sein.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine kompaktere Bauform.
Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen, wobei die Phasenwicklungen der elektrischen Maschinen in einem Kommutierungsbetrieb bestromt werden. Vorzugsweise ist der Kommutierungsbetrieb ein Blockkommutierungsbetrieb. Im Blockkommutierungsbetrieb können die Phasenwicklungen mit zeitlich wechselnden Spannungsblöcken spannungsversorgt werden. Alternativ kann der Kommutierungsbetrieb ein Sinuskommutierungsbetrieb sein.
Im Blockkommutierungsbetrieb werden, je nach Zeitpunkt, die Phasenwicklungen um verschiedene Statorzähne bestromt. In verschiedenen Bestromungszuständen ist der magnetische Widerstand für verschiedene magnetische Kreise minimal, wobei sich die verschiedenen magnetischen Kreise über den mindestens einen Rotorzahn und die Statorzähne mit den entsprechend bestromten Phasenwicklungen schließen. Folgen verschiedene Bestromungszustände zeitlich aufeinander, so wird der Rotor, um die Reluktanz zu minimieren, die Winkelposition verändern. So wird der Rotor von einer ersten Winkelposition im ersten Bestromungszustand in einer weitere Winkelposition rotierten, wenn der Bestromungszustand in einen weiteren Bestromungszustand wechselt, der dieser weitere Winkelposition zugeordnet ist. Mit anderen Worten wird der Rotor in eine bestromungszustandsabhängige Winkelposition rotieren, wobei die Winkelpositionen von verschiedenen Bestromungszuständen voneinander verschieden sind.
Nachfolgend werden einige technische Erläuterungen, insbesondere auch zum Vergleich einer permanterregten Synchronmaschine (PMSM), einer geschalteten Reluktanzmaschine (S/R) und einer vorgeschlagenen elektrischen Maschine (SRS) ausgeführt.
Die nachfolgenden Erläuterungen betreffen ein analytisches Modell, welches benutzt werden kann, um die prinzipiell erreichbare Drehmoment- und Leistungsdichte der verschiedenen Maschinentypen zu vergleichen.
Zuerst kann die Leistungs- und Drehmomentdichte eines permanenterregten Synchronmotors (PMSM) bestimmt werden. Die maximale Leistungsabgabe eines Elektromotors mit Permanenterregung ergibt sich bei einer gewissen Maximaldrehzahl ω_m und einem maximalen Drehmoment M, welches der Motor bei dieser Drehzahl aufbringen kann. P(ω) = ϖ_mM (1.1)
Vereinfachend wird angenommen, dass die maximale Drehzahl ω_m erreicht ist, wenn die elektromagnetische Gegenkraft des Motors gleich groß ist wie die Zwischenkreisspannung U_ZK. Die Gegeninduktion U_EMK ergibt sich allgemein aus U_EMK = dΦ / dt (1.2) wobei Φ den Fluss bezeichnet.
Bei einer Phasenwicklung kann man allgemein davon ausgehen, dass gilt Φ = BA_Corec_wN_Z (1.3) wobei

N_Z: ... die Zahl der Windungen auf dem einzelnen Statorzahn,
A_Core: ... den magnetisch wirksamer Querschnitt des Eisenkerns

_w

Die Zeit für die Änderung der magnetischen Flussdichte von B_max bis –B_max ergibt sich aus der Ummagnetisierungfrequenz. Diese kann aus der Drehzahl der Maschine und der Polzahl N _P des Polrads näherungsweise wie folgt berechnet werden:
Einsetzen von Gleichungen (1.4) und (1.3) in (1.2) ergibt folgende Näherungsformel:
d.h. für die maximale Drehzahl gilt:
Für das Drehmoment soll vereinfachend mit der Drehmomentkonstanten gerechnet werden, welche sich aus der Auslegung des PMSM ergibt. Auf die Herleitung eines analytischen Ausdrucks für k_i wird verzichtet. Die maximale Leistung der Maschine ergibt sich dann zu:
wobei I den Phasenstrom bezeichnet.
Bevor die Verhältnisse im geschalteten Reluktanzmotor betrachtet werden, werden in diesem Abschnitt Überlegungen zur maximal möglichen Stromstärke im Motor angestellt. Analog zum elektrischen Stromkreis gilt:
Dabei wird mit V_m die sogenannte magnetische Spannung bezeichnet und mit R_m der magnetische Widerstand. Es gilt allgemein: Φ = BA_Core
Und speziell wenn der magnetische Kreis in Sättigung geht: Φ = B_maxA_Core (2.2) V_m = NI (2.3) und, unter der vereinfachenden Annahme, dass allein der Luftspalt für den magnetischen Widerstand maßgeblich ist, gilt
mit

l_air: ... Breite des Luftspalts,
N_w: ... Zahl der Windungen im magnetischen Kreis,
A_Pole: ... Polfläche,
µ₀: ... Permeabilität des Vakuums,
µ_r: ... relative Permeabilität des Statorzahnmaterials.

Bei einem geschalteten Reluktanzmotor ist die Polfläche genau so groß wie der magnetisch wirksame Querschnitt des Statorzahns. Bei einer Maschine mit Polschuhen ist das im Allgemeinen nicht so. Daher wird ein Faktor C_m eingeführt, welcher das Verhältnis zwischen Fläche des Polschuhs und dem magnetisch wirksamen Querschnitt A_core bestimmt.
Gleichungen (2.2), (2.3) und (2.4) eingesetzt in (2.1) ergeben:
Mittels Gleichung (2.5) können die Polfläche und der magnetisch wirksame Querschnitt aus der Gleichung eliminiert werden:
Umstellen nach der elektromagnetischen Spannung ergibt für die maximal mögliche magnetische Spannung:
Nachfolgend wir der geschaltete Reluktanzmotor betrachtet, der auch als geschaltete Reluktanzmaschine bezeichnet werden kann. Insbesondere wird die Berechnung für das maximale Drehmoment und die maximale Drehzahl für einen geschalteten Reluktanzmotor abgeleitet.
Für das Drehmoment gilt wegen der Erhaltung der magnetischen Co-Energie:
wobei L die Induktivität, N_N die Zahl der Nuten und dφ die Änderung des Rotorwinkels/Arbeitsschritt bezeichnen. Die Zahl der Nuten kann gleich der Zahl der Statorzähne sein.
In Näherung gilt, dass
Wobei das Kürzel „aligned“ den Zustand des geschlossenen magnetischen Kreises und „unaligned“ den Zustand des offenen magnetischen Kreises bezeichnen. N_Z ist die Zahl der Statorzähne, R_mSR ist der magnetische Widerstand des S/R-Motors im Zustand aligned und φ_SR ist Rotorwinkel des S/R-Motors.
Einsetzen der Gleichung (3.4) in Gleichung (3.3) ergibt:
Einsetzen der Gleichung (3.5) in Gleichung (3.2) und (3.1) ergibt
Unter Berücksichtigung von Gleichung (2.6) folgt für das maximale Drehmoment der Maschine:
Eine kompaktere Darstellung von Gleichung (3.7) lässt sich durch einsetzen von Gleichung (2.4) herleiten:
Es wird von der idealisierten Annahme ausgegangen, dass die Polfläche das gesamte Winkelsegment abdeckt. Daher gilt:
Wobei r_ls den Radius des Luftspalts und l_s die Länge des Stators bezeichnen.
Weiterhin gilt
Eingesetzt in (3.8) folgt
Es gilt: C_mSR = 1, sodass nach kürzen folgender Ausdruck entsteht:
Zur Berechnung der maximalen Drehzahl wird wieder von Gleichungen (1.2) und (1.3) ausgegangen. Statt (1.4) ergibt sich bei einem S/R-Motor ein anderer Ausdruck. Dabei ist zu berücksichtigen, dass beim S/R Motor die Zahl der Nuten und nicht der Pole für die Ummagnetisierungsgeschwindigkeit maßgeblich ist. Immer wenn eine Phasenwicklung bestromt wird, bewegt sich der Rotor um (2N_N)^–1 Umdrehungen weiter. Dies geschieht innerhalb einer Zeit ∆t und umso schneller, je höher die Drehzahl des Motors ist. Statt (1.4) gilt daher für die Zeit für die Ummagnetisierung von 0 bis B_max:
Da im Gegensatz zu Gleichung (1.5) in einem S/R Motor die magnetische Flussdichte nicht von –B_max bis B_max steigt sondern nur von 0 bis B_max, folgt statt Gleichung (1.5):
Für die Maximaldrehzahl des Motors ergibt sich statt Gleichung (1.6):
Gleichung (3.14) kann weiter vereinfacht werden, indem der magnetisch wirksame Querschnitt A_core mittels Gleichung (3.9) ausgedrückt wird:
Für die maximale Leistung gilt unter Berücksichtigung von Gleichung (3.11)
In der Praxis hängen N_N und c_wSR zusammen. Da die vom Umrichter gelieferte maximale Stromstärke begrenzt ist, sieht das Wickelschema i.d.R. vor, alle Zahnwicklungen einer Phase in Reihe zu schalten, sodass gilt:
Aus Gleichung (3.15) ist ersichtlich, dass die Möglichkeiten zur Leistungssteigerung eines S/R Motors ganz allgemein begrenzt sind. Konstruktive Maßnahmen wie eine Vergrößerung der Statortiefe, eine Erhöhung der Zahl der Nuten oder des Luftspaltradius sind allein geeignet das maximale Drehmoment, nicht jedoch die Leistung zu erhöhen. Die Möglichkeiten zur Erhöhung der Leistung beschränken sich auf:

1. Eine Vergrößerung des Luftspaltes, was mit einer Verringerung des Wirkungsgrades einhergeht,
2. eine Erhöhung der Zwischenkreisspannung,
3. eine Änderung des Wickelschemas (Beeinflussung von c_wSR und/oder N_Z) und entsprechend Verwendung eines Umrichters, der größere Phasenströme liefern kann.

Hinsichtlich 3. ist zu beachten, dass Umrichter und Motorspule einen Tiefsetzsteller bilden. Dessen Drossel hat im Fall des S/R-Motors im Zustand „unaligned“ eine extrem geringe Induktivität, was Folgendes nach sich zieht:

– In Kombination mit großen Stromstärken sind EMV-Probleme zu erwarten.
– Ein Tiefsetzsteller eine Anordnung zur Spannungswandlung, welche die Drossel als Energiespeicher nutzt. Ist die Induktivität der Spule zu gering um die notwendige Energie zu speichern, so erfordert es das Wirkprinzip des Tiefsetzstellers, die Schaltfrequenz zu erhöhen, was die zu erwartenden EMV-Probleme verstärkt. Zudem sinkt der Wirkungsgrad des Tiefsetzstellers, da jeder Schaltvorgang Schaltverluste im Umrichter erzeugt.

Eine weitere Implikation aus Gleichung (3.15) ist, dass beispielsweise die Länge des Stators und damit das Gewicht des Motors nicht direkt die maximale Leistungsabgabe des Motors beeinflusst. So kann die gravimetrische Leistungsdichte durch Verringerung der Länge des Stators erhöht werden, wobei der Motor jeweils weniger Drehmoment liefert, aber eine höhere Drehzahl erreicht. Die Möglichkeiten sind hierbei dadurch begrenzt, dass die Ummagnetisierungsverluste mit steigender Drehzahl überproportional zunehmen und dass das Untersetzungsverhältnis in der Praxis nicht beliebig groß gewählt werden kann.
Um die Ummagnetisierungsverluste berücksichtigen zu können, wird von folgender Näherungsformel ausgegangen:
wobei

f_core: ... Ummagnetisierungsfrequenz

Die Ummagnetisierungsfrequenz steigt mit der Zahl der Pole und der Drehzahl des Motors
wobei

m_Fe: ... Masse des Kernmaterials, welches von der Ummagnetisierung betroffen ist
k_1,5T: ... Verlustziffer des verwendeten Kernmaterials bei 1,5 Tesla

Für die Masse des Kernmaterials wird folgende Schätzformel benutzt: m_Fe ≈ A_Core (r_A – r_ls)N_Nρ_F _e

r_A: ... Außendurchmesser des Stators

Der der magnetisch wirksame Querschnitt A_core bzw. der Eisenquerschnitt kann wiederum mittels (3.9) ausgedrückt werden:
Eingesetzt in Gleichung (3.16) ergibt sich:
Nun wird ein SRS Motor mit sechs Nuten und zwei Doppelpolen betrachtet. Der Rotor-Doppelpol verdeckt beim SRS-Prinzip jeweils zwei benachbarte Statorzähne des Stators.
Da beim SRS-Motor gleichzeitig zwei magnetische Kreise geschlossen werden, unterscheiden sich Gleichung (4.1) und Gleichung (3.1) um den Faktor 2.
Bei gleicher Nutenzahl gilt:
Um L_unaligned zu bestimmen, werden die zu den Phasenwicklungen der benachbarten Statorzähne (Wicklung A und Wicklung C) gehörenden magnetischen Kreise separat betrachtet. Es entstehen Teilsystem 1 (Wicklung A) und Teilsystem 2 (Wicklung C).
Teilsystem 1 und Teilsystem 2 sind elektrisch in Reihe geschaltet und magnetisch parallel geschaltet. Aufgrund der elektrischen Reihenschaltung ergibt sich:
Gleichung (3.12) und Gleichung (3.9) eingesetzt in Gleichung (3.8) ergibt:
Gleichung (4.6) eingesetzt in Gleichung (4.1) ergibt:
Um wiederum mittels Gleichung (2.6) eine kompaktere Form erreichen zu können, ist zu kürzen und mit dem Faktor 4/4 zu erweitern:
Aufgrund der etwa doppelt so großen Polfläche wird angenommen:
Mittels der Gleichungen (4.3) und (4.9) kann Gleichung (4.8) in eine Form gebracht werden, welche den direkten Vergleich mit dem S/R Motor ermöglicht:
Eine kompaktere Darstellung von Gleichung (4.8) lässt sich wiederum mit Hilfe von Gleichung (2.4) gewinnen:
Es wird von der idealisierten Annahme ausgegangen, dass die Polfläche das gesamte Winkelsegment abdeckt. Daher gilt:
weiterhin gilt
Eingesetzt in Gleichung (4.11) folgt
Kürzen ergibt:
Vergleicht man Gleichungen (3.11) und (4.14) so erkennt man, dass das Drehmoment des SRS bei gleicher Nutenzahl höher ist als das Drehmoment des S/R Motors, solange

L_unaligned2 = 0 (4.17)
Eine geeignete Wahl ist beispielsweise C_mSRS = 0,9. Als Maximalwert ist C_mSRS = 1 anzunehmen. Bei geeigneter Wahl von C_mSRS = 0,9 wird ein um 21,5% höheres Drehmoment erzeugt als beim S/R Motor mit gleicher Nutenzahl. Beim Maximalwert C_mSRS = 1 ergibt sich eine Steigerung um maximal 50%.
Zur Berechnung der maximalen Drehzahl wird wieder von Gleichung (1.2) und (1.3) ausgegangen. Statt Gleichung (1.4) ergibt sich bei einem SRS Motor ein anderer Ausdruck. Dabei ist wiederum zu berücksichtigen, dass beim SRS Motor die Zahl der Nuten und nicht der Pole für die Ummagnetisierungsgeschwindigkeit maßgeblich ist.
Immer wenn eine Motorspule bestromt wird, bewegt sich der Rotor um N_N ^–1 Umdrehungen weiter, d.h. doppelt so schnell wie beim S/R Motor. Wiederum
geschieht dies innerhalb einer Zeit ∆t und umso schneller, je höher die Drehzahl des Motors ist:
Nun werden in Sternschaltung jeweils zwei Phasenwicklungen verschiedener Phasen in Reihe vom Phasenstrom durchflossen. Deren elektromagnetische Gegenkraft ist daher zu summieren. Es werden wiederum die vorhergehend erläuterten Teilsystem 1 und Teilsystem 2 betrachtet. Die magnetische Flussdichte steigt im Teilsystem 1 von B_max/2 auf B_max, während sie in Teilsystem 2 von 0 auf B_max steigt. Für einen SRS Motor mit sechs Nuten bzw. 6 Statorzähnen ergibt sich: c_wSRS64 = 4, weil die elektromagnetische Gegenkraft in vier Zähnen induziert wird. Da in den zwei der vier Statorzähnen – und zwar denjenigen, die Teilsystem 1 zugeordnet sind – die magnetische Flussdichte nur halb so schnell zunimmt wie in den anderen beiden Statorzähnen, welche Teilsystem 2 zugeordnet sind, muss zusätzlich ein Korrekturfaktor von ¾ eingeführt werden. Statt Gleichung (3.13) folgt daher
Für die Maximaldrehzahl des Motors ergibt sich statt (2.9):
Um einen direkten Vergleich zwischen der Maximaldrehzahl des S/R und des SRS Motors zu ermöglichen, wird von folgenden Annahmen ausgegangen:

– aufgrund der Sternschaltung gilt: c_wSRS = 2c_wSR
– für den magnetisch wirksamen Querschnitt gilt: A_CoreSRS = 2C_mA_CoreSR
– der Luftspaltradius soll gleich bleiben (nach Optimierung ist der Luftspaltradius eines S/R Motors im Vergleich zu einem SRS-Motor größer, insbesondere bei kleiner Nutenzahl)

Der Vergleich der Gleichungen (4.20) und (3.9) ergibt
Gleichung (4.20) kann weiter vereinfacht werden, indem mittels (3.9) und der Beziehung A_CoreSRS = 2C_mA_CoreSR der magnetisch wirksame Querschnitt ersetzt wird:
Für die maximale Leistung ergibt sich mit Gleichungen (4.21) und (4.14) folgender Ausdruck
Der direkte Vergleich mit Gleichung (3.15) unter Berücksichtigung von c_wSRS = 2c_wSR ergibt:
Gleichung (4.23) macht deutlich, dass ein SRS Motor abhängig von C_m eine geringere maximale Leistung abgibt als ein S/R-Motor.
Nimmt man an, dass die Erhöhung der Leistungsdichte durch Erhöhung der Drehzahl erfolgt, ist zu berücksichtigen, dass die maximale Leistung im Vergleich zum S/R Motor bei einer geringeren Drehzahl abgegeben wird. Eine geringere Drehzahl führt zu einer geringeren Ummagnetisierungsfrequenz, wobei der Proportionalitätsfaktor die Polzahl ist. Aufgrund der geringeren Polzahl ist die Ummagnetisierungsfrequenz beim SRS 6x/2x besonders niedrig.
Dies gibt einen großen Spielraum zur Verbesserung der Leistungsdichte, da die Ummagnetisierungsfrequenz überproportional in die Eisenverluste eingeht. Somit kann bei einem SRS mit 6 Statorzähnen und 4 Rotorzähnen (SRS 6/4) eine höhere Leistungsdichte erreicht werden als beim S/R Motor.
Eine Erhöhung der Leistungsdichte kann durch zwei Maßnahmen erfolgen, die gleichzeitig durchzuführen sind: Verwendung eines Umrichters mit mit größerer Stromtragfähigkeit, Verringerung der Zahl der Windungen pro Zahn (N_Z).
Im Gegensatz zum S/R-Motor ist die minimale Induktivität des SRS jeweils halb so groß wie dessen maximale Phaseninduktivität. Im Vergleich zum S/R Motor sind keine EMV Probleme zu erwarten.
Bezüglich der Ummagnetisierungsverluste ergibt sich wiederum basierend auf Gleichung (3.16), dass im Vergleich zum S/R Motor ein SRS mit 6 Statorzähnen und 2 Rotorzähnen (SRS 6/2) aufgrund der geringeren Polzahl mit halb so hoher Ummagnetisierungsfrequenz arbeitet. Jedoch ist die Polfläche doppelt so groß. Somit ist die Masse des von Ummagnetisierung betroffenen Kernmaterials doppelt so groß: m_Fe ≈ A_Core (r_A – r_ls)N_Nρ_F _e
Der magnetisch wirksame Querschnitt, der auch als Eisenquerschnitt bezeichnet werden kann, kann mittels Gleichung (3.9) und A_CoreSRS = 2C_mA_CoreSR ausgedrückt werden:
Eingesetzt in Gleichung (3.16) ergibt sich
Nachfolgend wird eine vorgeschlagene elektrische Maschine mit 6 Statorzähnen und 4 Rotorzähnen (SRS 6/4) betrachtet. Bei dieser Bauform kann wie beim S/R Motor C_m = 1 gewählt werden, was zu einer um 50% höheren Drehmomentdichte und gleichen Leistungsdichte führt. Wie beim S/R-Motor ist jedoch auch die Ummagnetisierungsfrequenz doppelt so hoch.
Wiederum kann von Gleichung (4.8) ausgegangen werden:
Beim SRS 6/4 ändern sich gegenüber dem SRS 6/2 der magnetische Widerstand und der Drehwinkel pro Arbeitsschritt: aufgrund der geringeren Polfläche verdoppelt sich der magnetische Widerstand, aufgrund der halb so großen Schrittweite halbiert sich ∆φ_SRS.
Beide Effekte kompensieren sich, sodass für das maximale Drehmoment weiterhin Gleichung (4.14) gilt. Mit C_m = 1 ist das maximale Drehmoment eines SRS 6/4 genau 50% höher als das maximale Drehmoment eines S/R 6/4 Motors.
Da beim SRS gleichzeitig zwei magnetische Kreise geschlossen werden, deren induzierte Spannung sich in Reihenschaltung addiert (c_wSRS = 2c_wSR), kann zur Berechnung der gegen EMK Gleichung (3.13) analog Gleichung (4.19) verwendet werden:
Unter Berücksichtigung von Gleichung (3.9) ergibt sich statt Gleichung (4.21):
Für die maximale Leistung folgt aus Gleichungen (4.14) und (5.1):
Die maximale Leistung ist also bei ansonsten gleichen Parametern beim SRS 6x/4x genau so groß wie beim S/R Motor.
Nimmt man an, dass die Erhöhung der Leistungsdichte durch Erhöhung der Drehzahl erfolgt, ist zu berücksichtigen, dass die maximale Leistung im Vergleich zum S/R Motor bei einer um 1/3 geringeren Drehzahl abgegeben wird. Eine geringere Drehzahl und damit geringere Ummagnetisierungsfrequenz geben mehr Spielraum zur Verbesserung der Leistungsdichte, da die Ummagnetisierungsfrequenz überproportional in die Eisenverluste eingeht. Somit kann bei einem SRS 6/4 eine höhere Leistungsdichte erreicht werden als beim S/R Motor, aber eine geringere als beim SRS 6/2.
Für die Ummagnetisierungsverluste wird wieder von Gleichung (3.16) ausgegangen. Eine Auszählung der Ummagnetisierungsvorgänge zeigt, dass die Ummagnetisierungsfrequenz genauso hoch ist, wie beim S/R Motor, sodass die entsprechenden Eisenverluste näherungsweise gleich groß sind:
Folgend werden Motorauslegungen in verschiedenen Technologien PMSM, S/R und SRS miteinander verglichen.
Ausgangssituation kann eine Antriebslösung für ein Elektrofahrzeug auf Basis eines PMSM mit folgenden Parametern bilden:

– Maximales Drehmoment: 40 Nm
– Maximale Leistung: 7,5kW
– Maximale Drehzahl: 1700/Min
– Der Bauraum ist wie folgt festgelegt: Außendurchmesser Stator: 180mm; Länge Stator: 75mm
– Die Motoren werden an einer Zwischenkreisspannung von 48V betrieben.
– Der Umrichter liefert einen maximalen Phasenstrom von 240A.

Die Auslegung der Motoren erfordert eine geeignete Wahl des Luftspaltradius. Dieser ist so zu wählen, dass in den Nuten genügend Platz für die Phasenwicklungen bleibt. Der Luftspaltradius wurde Näherungsweise mittels eines Berechnungstableaus bestimmt, welches hier nicht aufgeführt wird. Zusätzlich wurde ein Puffer einbezogen, um die fertigungstechnische Realisierbarkeit sicherzustellen. Ergebnis der Bestimmung von r_ls wird in der Tabelle aufgeführt, was die Auslegung rechnerisch nachvollziehbar macht. Der Maximalstrom jeder Auslegung wird jeweils angepasst, sodass die Sättigungsflussdichte B_max = 1,2T erreicht wird. Eine Referenzauslegung eines PMSM mit 18 Nuten bzw. 18 Statorzähnen und 16 Polen bzw. 16 Rotorzähnen liegt vor.

In Tabelle 1 sind verschiedene Motortypen dargestellt. Dabei bezeichnet die erste Zahl bei der Motortypbezeichnung die Anzahl der Statorzähne (Anzahl der Nuten) und die zweite Zahl die Anzahl der Rotorzähne (Anzahl der Pole). Tabelle 1: Drehmoment und Leistung verschiedener Motorauslegungen

Bezeichnung	r_ls (m)	c_w	N_Z	N_N	C_m	A_Core [m^2]	ϖ_m [1/Min]	M_max [Nm]	P_max [kW]
PMSM 18/16	0,05	12	3	18	0,9	0,00118	1768	40,0	7,4
S/R 18/15	0,05	6	4	18	1	0,00065	4244	12,9	5,7
SRS 18/6	0,05	12	4	18	0,9	0,00118	3144	15,7	5,2
SRS 18/12	0,05	12	4	18	1	0,00065	2829	19,3	5,7
S/R 42/35	0,053	14	4	42	1	0,00030	1716	31,8	3,3
SRS 27/18	0,053	18	4	27	1	0,00046	1780	30,7	5,7
SRS 30/10	0,053	20	4	30	0,9	0,00075	1780	27,3	5,1
SRS 36/10	0,053	24	4	36	0,9	0,00062	1483	33,2	5,2
SRS 36/20	0,053	24	4	36	1	0,00035	1335	40,9	5,7

Aus Tabelle 1 ergibt sich, dass mittels des SRS Prinzips der Abstand zwischen PMSM und geschaltetem Reluktanzmotor hinsichtlich der Drehmomentdichte verringert wird. Ein S/R Motor mit 18 Nuten erreicht 32% des Drehmoments eines PMSM, ein SRS 18/12 erreicht 48% des Drehmoments eines vergleichbaren PMSM. Die Maximaldrehzahlen liegen jeweils höher als beim vergleichbaren PMSM. Bei vergleichbarer Maximaldrehzahl wird mittels eines geschalteten Reluktanzmotors (S/R oder SRS) ein maximales Drehmoment von 75% im Vergleich zum PMSM erreicht. Beim SRS 6x/2x ist das maximale Drehmoment geringer, da gilt: C_m < 1. Folgende Nutenzahlen müssen jeweils realisiert werden:

– S/R Motor: 42 Nuten
– SRS 6/2: 30 Nuten
– SRS 6/4: 27 Nuten

Ein SRS 36/24 erreicht dieselbe volumetrische Drehmomentdichte wie der Referenzmotor mit 18 Nuten in PMSM-Technologie. Die zu erwartende gravimetrische Drehmomentdichte ist geringer als bei einem PMSM, da doppelt so viele Kupferwicklungen vorgesehen werden müssen.
Um den Referenzmotor zu ersetzen, muss die Leistungsdichte der Antriebslösung erhöht werden. Dies ist durch Verwendung eines Umrichters mit erhöhter Stromtragfähigkeit möglich (siehe Tabelle 2).

Tabelle 2 Eine Modifizierung des Wicklungsschemas am SRS 36/20 und Erhöhung der Stromtragfähigkeit führen zu gleichem Leistungs- und Drehmomentniveau wie bei PMSM 18/16

Bezeichnung	r_ls (m)	c_w	N_Z	N_N	C_m	A_Core [m^2]	ϖ_m [1/Min]	M_max [Nm]	P_max [kW]
PMSM 18/16	0,05	12	3	18	0,9	0,00118	1768	40,0	7,4
SRS 36/20 @320A	0,053	24	3	36	1	0,00035	1780	40,9	7,6

Für den gegebenen Motor in PMSM-Technologie soll die Leistungsdichte erhöht werden. Aufgrund von Bauraum und Kühlung können hierbei folgende Randbedingungen gelten: der Statordurchmesser soll gleich bleiben, allein die Länge des Stators soll verändert werden.

– Um das Zieldrehmoment zu erreichen soll ein Untersetzungsgetriebe Verwendung finden.
– Die maximale Drehzahl des Motors soll 15000/Min nicht überschreiten, um die zusätzlichen Aufwände für Lagerung und Lüftung gering zu halten.
– Aufgrund des passiven Kühlungskonzeptes sollen die Eisenverluste im Motor 4% der Maximalleistung des Motors nicht überschreiten.
– Damit alle betrachteten Varianten dasselbe Leistungsniveau erreichen, wird für alle S/R und SRS ein Umrichter mit erhöhter Stromtragfähigkeit verwendet. Die Zahl der Wicklungen beträgt damit bei PMSM, SRS und S/R N_Z = 3.

Tabelle 3 führt Referenzauslegungen der Motoren in PMSM, S/R und SRS Technologie sowie die möglichen Steigerungen der Leistungsdichte auf. Als Schätzmaß für die Steigerung der Leistungsdichte wird die Statorlänge herangezogen. So wird beispielsweise eine mögliche Verkürzung des Stators um den Faktor zwei als mögliche Verdopplung der gravimetrischen und volumetrischen Leistungsdichte des Motors bewertet. Tabelle 3: Erhöhung der gravimetrischen und volumetrischen Leistungsdichte
In Tabelle 3 ist ersichtlich, dass unter den gegebenen Randbedingungen die Möglichkeiten zur Erhöhung der Leistungsdichte bei einem PMSM-Motor bei > 800% liegen, bei einem S/R Motor bei lediglich 20%. Ein SRS 6/2 Motor (SRS 36/12) erreicht mögliche Steigerungen von 600% und stellt daher einen aussichtsreichen Ansatz zur Erhöhung der Leistungsdichte von geschalteten Reluktanzmotoren dar.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1a einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine in einem ersten Bestromungszustand und ein schematischer Stromflussplan,
1b einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine in einem zweiten Bestromungszustand und ein schematischer Stromflussplan,
1c einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine in einem dritten Bestromungszustand und ein schematischer Stromflussplan,
1d einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine in einem vierten Bestromungszustand und ein schematischer Stromflussplan,
1e einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine in einem fünften Bestromungszustand und ein schematischer Stromflussplan,
1f einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine in einem sechsten Bestromungszustand und ein schematischer Stromflussplan,
2a einen schematischen Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße elektrische Maschine in einem ersten Bestromungszustand und ein schematischer Stromflussplan,
2b einen schematischen Querschnitt durch die weitere erfindungsgemäße elektrische Maschine in einem zweiten Bestromungszustand und ein schematischer Stromflussplan,
2c einen schematischen Querschnitt durch die weitere erfindungsgemäße elektrische Maschine in einem dritten Bestromungszustand und ein schematischer Stromflussplan,
3 einen schematischen Stromlaufplan der verschiedenen Bestromungszustände,
4 einen schematischen Querschnitt durch eine elektrische Maschine in einer weiteren Ausführungsform und
5 einen schematischen Querschnitt durch eine elektrische Maschine in einer weiteren Ausführungsform.
Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
1a zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine elektrische Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 2 und einen Rotor 3. Der Stator 2 weist sechs Statorzähne SZ1, SZ2, SZ3, SZ4, SZ5, SZ6 auf. Die Statorzähne SZ1, ..., SZ6 weisen jeweils einen Polschuh auf bzw. bilden einen solchen aus. Der Rotor 3 weist zwei Rotorzähne RZ1, RZ2 auf. Eine erste Phasenwicklung P1 umwickelt den ersten Statorzahn SZ1. Eine erste Phasenwicklung PW1 umwickelt den ersten Statorzahn SZ1. Eine zweite Phasenwicklung PW2 umwickelt den zweiten Statorzahn SZ2. Eine dritte Phasenwicklung PW3 umwickelt den dritten Statorzahn SZ3. Eine vierte Phasenwicklung PW4 umwickelt den vierten Statorzahn SZ4. Eine fünfte Phasenwicklung PW5 umwickelt den ersten Statorzahn SZ5. Eine sechste Phasenwicklung PW6 umwickelt den sechsten Statorzahn SZ6. Somit ist in 1a eine SRS 6/2 dargestellt.
Die erste Phasenwicklung PW1 und die vierte Phasenwicklung PW4 sind einer ersten Phase P1 zugeordnet. Die zweite Phasenwicklung PW2 und die fünfte Phasenwicklung PW5 sind einer zweiten Phasen P2 zugeordnet. Die dritte Phasenwicklung PW3 und die sechste Phasenwicklung PW6 sind einer dritten Phase P3 zugeordnet.
Die Phasen P1, P2, P3 und die ihnen zugeordneten Phasenwicklungen PW1, ..., PW6 sind in einem Sternpunkt S elektrisch verbunden.
In 1a ist die elektrische Maschine 1 in einem ersten Bestromungszustand dargestellt. In diesem ersten Bestromungszustand wird die erste Phase P1 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW1, PW4 bestromt. Weiter wird die dritte Phase P3 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW3, PW6 bestromt. Der Stromfluss und seine Richtung sind durch Pfeile I angedeutet. Die zweite Phase P2 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW2, PW5 sind nicht bestromt.
Der Rotor 3 befindet sich in einer ersten Winkelposition. In dieser Winkelposition verdeckt eine Oberfläche des ersten Rotorzahns RZ1 die Polflächen des ersten Statorzahns SZ1 und die Polfläche des sechsten Statorzahns SZ6. Weiter verdeckt eine Oberfläche des zweiten Rotorzahns RZ2 die Polflächen des dritten Statorzahns SZ3 und die Polfläche des vierten Statorzahns SZ4.
In 1a ist schematisch ein magnetischer Kreis M dargestellt. Die Rotorzähne RZ1, RZ2 sind somit derart ausgebildet ist, dass in der ersten Winkelposition und dem ersten Bestromungszustand der elektrischen Maschine 1 ein magnetischer Widerstand des magnetischen Kreises M, der sich über den ersten Rotorzahn RZ1 und den ersten Statorzahn SZ1 mit einer bestromten Phasenwicklung PW1 schließt, dann minimal ist, wenn sich der magnetische Kreis M über den zu dem ersten Statorzahn SZ1 benachbarten sechsten Statorzahn SZ6 mit einer bestromten Phasenwicklung PW6 schließt. Weiter ist auch ein magnetischer Widerstand des nicht dargestellten magnetischen Kreises, der sich über den zweiten Rotorzahn RZ2 und den vierten Statorzahn SZ4 mit einer bestromten Phasenwicklung PW4 schließt, dann minimal, wenn sich der magnetische Kreis über den zu dem vierten Statorzahn SZ4 benachbarten dritten Statorzahn SZ3 mit einer bestromten Phasenwicklung PW3 schließt.
Weiter sind in 1a ein Versorgungspotential VP dargestellt, an welches Phasenleitungen der Phasen P1, P2, P3 über eine Wechselrichter, der durch Schalter dargestellt ist, angeschlossen sind.
Die bestromten Phasen P1, P3 bilden zwei Teilsysteme. Diese sind elektrisch in Reihe und magnetisch parallel geschaltet. Das erste magnetische Teilsystem umfasst magnetische Kreise, die sich über den ersten Statorzahn SZ1 und den sechsten Statorzahn SZ6 schließen, sowie magnetische Kreise, die sich über den ersten Statorzahn SZ1 und den zweiten Statorzahn SZ2 schließen. Welchen dieser magnetischen Kreise das erste Teilsystem umfasst, hängt von der Winkelposition des Rotors 3 ab. Wird der Rotor 3 von der nachfolgend noch näher erläuterten sechsten Winkelposition in die erste Winkelposition verdreht, so umfasst das erste magnetische Teilsystem erst den magnetischen Kreis, der sich über den ersten Statorzahn SZ1 und den zweiten Statorzahn SZ2 schließt und später im Verlauf der Verdrehung dann den magnetischen Kreis, der sich über den ersten Statorzahn SZ1 und den sechsten Statorzahn SZ6 schließt. Entsprechend umfasst das zweite Teilsystem erst den magnetischen Kreis, der sich über den ersten Statorzahn SZ1 und den sechsten Statorzahn SZ6 schließt und später im Verlauf der Verdrehung dann den magnetischen Kreis, der sich über den sechsten Statorzahn SZ6 und den fünften Statorzahn SZ5 schließt.
Das zweite magnetische Teilsystem umfasst magnetische Kreise, die sich über den sechsten Statorzahn SZ6 und den ersten Statorzahn SZ1 schließen, sowie magnetische Kreise, die sich über den sechsten Statorzahn SZ6 und den fünften Statorzahn SZ5 schließen.
1b zeigt einen schematischen Querschnitt durch die in 1a dargestellte elektrische Maschine 1 in einem zweiten Bestromungszustand, der in einem Blockkommutierungsbetrieb der elektrischen Maschine 1 zeitlich auf den ersten Bestromungszustand folgt.
In diesem zweiten Bestromungszustand wird die zweite Phase P2 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW2, PW5 bestromt. Weiter wird die dritte Phase P3 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW3, PW6 bestromt. Der Stromfluss und seine Richtung ist durch Pfeile I angedeutet. Die erste Phase P1 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW1, PW4 sind nicht bestromt.
Der Rotor 3 bewegt sich beim Übergang von dem ersten Bestromungszustand in den zweiten Bestromungszustand aus der ersten Winkelposition in eine zweite Winkelposition. In dieser zweiten Winkelposition verdeckt eine Oberfläche des ersten Rotorzahns RZ1 die Polflächen des sechsten Statorzahns SZ6 und die Polfläche des fünften Statorzahns SZ5. Weiter verdeckt eine Oberfläche des zweiten Rotorzahns RZ2 die Polflächen des dritten Statorzahns SZ3 und die Polfläche des zweiten Statorzahns SZ2.
In 1b ist schematisch ein magnetischer Kreis M dargestellt. Die Rotorzähne RZ1, RZ2 sind somit derart ausgebildet ist, dass in der zweiten Winkelposition und dem zweiten Bestromungszustand der elektrischen Maschine 1 ein magnetischer Widerstand des magnetischen Kreises M, der sich über den ersten Rotorzahn RZ1 und den sechsten Statorzahn SZ6 mit einer bestromten Phasenwicklung PW6 schließt, dann minimal ist, wenn sich der magnetische Kreis M über den zu dem sechsten Statorzahn SZ6 benachbarten fünften Statorzahn SZ5 mit einer bestromten Phasenwicklung PW5 schließt. Weiter ist auch ein magnetischer Widerstand des nicht dargestellten magnetischen Kreises, der sich über den zweiten Rotorzahn RZ2 und den dritten Statorzahn SZ3 mit einer bestromten Phasenwicklung PW3 schließt, dann minimal, wenn sich der magnetische Kreis über den zu dem dritten Statorzahn SZ3 benachbarten zweiten Statorzahn SZ2 mit einer bestromten Phasenwicklung PW2 schließt.
1c zeigt einen schematischen Querschnitt durch die in 1a dargestellte elektrische Maschine 1 in einem dritten Bestromungszustand, der in einem Blockkommutierungsbetrieb der elektrischen Maschine 1 zeitlich auf den zweiten Bestromungszustand folgt.
In diesem dritten Bestromungszustand wird die zweite Phase P2 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW2, PW5 bestromt. Weiter wird die erste Phase P1 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW1, PW4 bestromt. Der Stromfluss und seine Richtung ist durch Pfeile I angedeutet. Die dritte Phase P3 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW3, PW6 sind nicht bestromt.
Der Rotor 3 bewegt sich beim Übergang von dem zweiten Bestromungszustand in den dritten Bestromungszustand aus der zweiten Winkelposition in eine dritte Winkelposition. In dieser dritten Winkelposition verdeckt eine Oberfläche des ersten Rotorzahns RZ1 die Polflächen des fünften Statorzahns SZ5 und die Polfläche des vierten Statorzahns SZ4. Weiter verdeckt eine Oberfläche des zweiten Rotorzahns RZ2 die Polflächen des zweiten Statorzahns SZ2 und die Polfläche des ersten Statorzahns SZ1.
In 1c ist schematisch ein magnetischer Kreis M dargestellt. Die Rotorzähne RZ1, RZ2 sind somit derart ausgebildet ist, dass in der dritten Winkelposition und dem dritten Bestromungszustand der elektrischen Maschine 1 ein magnetischer Widerstand des magnetischen Kreises M, der sich über den ersten Rotorzahn RZ1 und den fünften Statorzahn SZ5 mit einer bestromten Phasenwicklung PW5 schließt, dann minimal ist, wenn sich der magnetische Kreis M über den zu dem fünften Statorzahn SZ5 benachbarten vierten Statorzahn SZ4 mit einer bestromten Phasenwicklung PW4 schließt. Weiter ist auch ein magnetischer Widerstand des nicht dargestellten magnetischen Kreises, der sich über den zweiten Rotorzahn RZ2 und den zweiten Statorzahn SZ2 mit einer bestromten Phasenwicklung PW2 schließt, dann minimal, wenn sich der magnetische Kreis über den zu dem zweiten Statorzahn SZ2 benachbarten ersten Statorzahn SZ1 mit einer bestromten Phasenwicklung PW1 schließt.
1d zeigt einen schematischen Querschnitt durch die in 1a dargestellte elektrische Maschine 1 in einem vierten Bestromungszustand, der in einem Blockkommutierungsbetrieb der elektrischen Maschine 1 zeitlich auf den dritten Bestromungszustand folgt.
In diesem vierten Bestromungszustand wird die dritte Phase P3 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW3, PW6 bestromt. Weiter wird die erste Phase P1 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW1, PW4 bestromt. Der Stromfluss und seine Richtung ist durch Pfeile I angedeutet. Die zweiten Phase P2 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW2, PW5 sind nicht bestromt.
Der Rotor 3 bewegt sich beim Übergang von dem dritten Bestromungszustand in den vierten Bestromungszustand aus der dritten Winkelposition in eine vierte Winkelposition. In dieser vierten Winkelposition verdeckt eine Oberfläche des ersten Rotorzahns RZ1 die Polflächen des vierten Statorzahns SZ4 und die Polfläche des dritten Statorzahns SZ3. Weiter verdeckt eine Oberfläche des zweiten Rotorzahns RZ2 die Polflächen des ersten Statorzahns SZ1 und die Polfläche des sechsten Statorzahns SZ6.
In 1d ist schematisch ein magnetischer Kreis M dargestellt. Die Rotorzähne RZ1, RZ2 sind somit derart ausgebildet ist, dass in der vierten Winkelposition und dem vierten Bestromungszustand der elektrischen Maschine 1 ein magnetischer Widerstand des magnetischen Kreises M, der sich über den ersten Rotorzahn RZ1 und den vierten Statorzahn SZ4 mit einer bestromten Phasenwicklung PW4 schließt, dann minimal ist, wenn sich der magnetische Kreis M über den zu dem vierten Statorzahn SZ4 benachbarten dritten Statorzahn SZ3 mit einer bestromten Phasenwicklung PW3 schließt. Weiter ist auch ein magnetischer Widerstand des nicht dargestellten magnetischen Kreises, der sich über den zweiten Rotorzahn RZ2 und den ersten Statorzahn SZ1 mit einer bestromten Phasenwicklung PW1 schließt, dann minimal, wenn sich der magnetische Kreis über den zu dem ersten Statorzahn SZ1 benachbarten sechsten Statorzahn SZ6 mit einer bestromten Phasenwicklung PW6 schließt.
1e zeigt einen schematischen Querschnitt durch die in 1a dargestellte elektrische Maschine 1 in einem fünften Bestromungszustand, der in einem Blockkommutierungsbetrieb der elektrischen Maschine 1 zeitlich auf den vierten Bestromungszustand folgt.
In diesem fünften Bestromungszustand wird die dritte Phase P3 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW3, PW6 bestromt. Weiter wird die zweite Phase P2 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW2, PW5 bestromt. Der Stromfluss und seine Richtung ist durch Pfeile I angedeutet. Die erste Phase P1 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW1, PW4 sind nicht bestromt.
Der Rotor 3 bewegt sich beim Übergang von dem vierten Bestromungszustand in den fünften Bestromungszustand aus der vierten Winkelposition in eine fünfte Winkelposition. In dieser fünften Winkelposition verdeckt eine Oberfläche des ersten Rotorzahns RZ1 die Polflächen des zweiten Statorzahns SZ2 und die Polfläche des dritten Statorzahns SZ3. Weiter verdeckt eine Oberfläche des zweiten Rotorzahns RZ2 die Polflächen des fünften Statorzahns SZ5 und die Polfläche des sechsten Statorzahns SZ6.
In 1e ist schematisch ein magnetischer Kreis M dargestellt. Die Rotorzähne RZ1, RZ2 sind somit derart ausgebildet ist, dass in der fünften Winkelposition und dem fünften Bestromungszustand der elektrischen Maschine 1 ein magnetischer Widerstand des magnetischen Kreises M, der sich über den ersten Rotorzahn RZ1 und den zweiten Statorzahn SZ2 mit einer bestromten Phasenwicklung PW2 schließt, dann minimal ist, wenn sich der magnetische Kreis M über den zu dem zweiten Statorzahn SZ2 benachbarten dritten Statorzahn SZ3 mit einer bestromten Phasenwicklung PW3 schließt. Weiter ist auch ein magnetischer Widerstand des nicht dargestellten magnetischen Kreises, der sich über den zweiten Rotorzahn RZ2 und den sechsten Statorzahn SZ6 mit einer bestromten Phasenwicklung PW6 schließt, dann minimal, wenn sich der magnetische Kreis über den zu dem sechsten Statorzahn SZ6 benachbarten fünften Statorzahn SZ5 mit einer bestromten Phasenwicklung PW5 schließt.
1f zeigt einen schematischen Querschnitt durch die in 1a dargestellte elektrische Maschine 1 in einem sechsten Bestromungszustand, der in einem Blockkommutierungsbetrieb der elektrischen Maschine 1 zeitlich auf den fünften Bestromungszustand folgt.
In diesem sechsten Bestromungszustand wird die erste Phase P1 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW1, PW4 bestromt. Weiter wird die zweite Phase P2 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW2, PW5 bestromt. Der Stromfluss und seine Richtung ist durch Pfeile I angedeutet. Die dritte Phase P3 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW3, PW6 sind nicht bestromt.
Der Rotor 3 bewegt sich beim Übergang von dem fünften Bestromungszustand in den sechsten Bestromungszustand aus der fünften Winkelposition in eine sechste Winkelposition. In dieser sechsten Winkelposition verdeckt eine Oberfläche des ersten Rotorzahns RZ1 die Polflächen des zweiten Statorzahns SZ2 und die Polfläche des ersten Statorzahns SZ1. Weiter verdeckt eine Oberfläche des zweiten Rotorzahns RZ2 die Polflächen des fünften Statorzahns SZ5 und die Polfläche des vierten Statorzahns SZ4.
In 1f ist schematisch ein magnetischer Kreis M dargestellt. Die Rotorzähne RZ1, RZ2 sind somit derart ausgebildet ist, dass in der sechsten Winkelposition und dem sechsten Bestromungszustand der elektrischen Maschine 1 ein magnetischer Widerstand des magnetischen Kreises M, der sich über den ersten Rotorzahn RZ1 und den zweiten Statorzahn SZ2 mit einer bestromten Phasenwicklung PW2 schließt, dann minimal ist, wenn sich der magnetische Kreis M über den zu dem zweiten Statorzahn SZ2 benachbarten ersten Statorzahn SZ1 mit einer bestromten Phasenwicklung PW1 schließt. Weiter ist auch ein magnetischer Widerstand des nicht dargestellten magnetischen Kreises, der sich über den zweiten Rotorzahn RZ2 und den vierten Statorzahn SZ4 mit einer bestromten Phasenwicklung PW4 schließt, dann minimal, wenn sich der magnetische Kreis über den zu dem vierten Statorzahn SZ4 benachbarten fünften Statorzahn SZ5 mit einer bestromten Phasenwicklung PW5 schließt.
Zeitlich nach dem sechsten Bestromungszustand kann die elektrische Maschine 1 wieder in dem ersten Bestromungszustand bestromt werden. In den aufeinanderfolgenden Bestromungszuständen kann der Strom I jeweils einen Phasenwinkel aus den Intervallen von [0°–60°], [60°–120°], [120°–180°], [180°–240°], [240°–300°], [300°–360°] aufweisen.
Beim Übergang von einer Winkelposition zur nächsten Winkelposition kann der Rotor 3 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Verdrehung um 60° durchführen.
2a zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine elektrische Maschine 1 in einer weiteren Ausführungsform. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 2 und einen Rotor 3. Der Stator 2 weist sechs Statorzähne SZ1, SZ2, SZ3, SZ4, SZ5, SZ6 auf. Die Statorzähne SZ1, ..., SZ6 weisen jeweils keinen Polschuh aus bzw. bilden keinen solchen Polschuh aus ausgeführt. Der Rotor 3 weist vier Rotorzähne RZ1, RZ2, RZ3, RZ4 auf. Eine erste Phasenwicklung P1 umwickelt den ersten Statorzahn SZ1. Eine zweite Phasenwicklung PW2 umwickelt den zweiten Statorzahn SZ2. Eine dritte Phasenwicklung PW3 umwickelt den dritten Statorzahn SZ3. Eine vierte Phasenwicklung PW4 umwickelt den vierten Statorzahn SZ4. Eine fünfte Phasenwicklung PW5 umwickelt den ersten Statorzahn SZ5. Eine sechste Phasenwicklung PW6 umwickelt den sechsten Statorzahn SZ6. Somit ist in 1a eine SRS 6/4 dargestellt.
Der Rotor 3 ist umfasst einen inneren Abschnitt 4, der aus einem magnetisch nicht leitenden Material ausgebildet ist. Die äußeren Abschnitte, die die Rotorzähne RZ1, ..., RZ4 ausbilden, sind aus magnetisch leitfähigem Material ausgebildet. Der innere Abschnitt 4 ist hierbei derart ausgebildet, dass vier Rotorzähne RZ1, ..., RZ4 ausgebildet werden. Der zweite Rotorzahn RZ2 liegt dem ersten Rotorzahn RZ1 gegenüber. Ebenfalls liegt der vierte Rotorzahn RZ4 dem dritten Rotorzahn RZ3 gegenüber.
Die erste Phasenwicklung PW1 und die vierte Phasenwicklung PW4 sind einer ersten Phase P1 zugeordnet. Die zweite Phasenwicklung PW2 und die vierte fünfte Phasenwicklung PW5 sind einer zweiten Phasen P2 zugeordnet. Die dritte Phasenwicklung PW3 und die sechste Phasenwicklung PW6 sind einer dritten Phase P3 zugeordnet.
Die Phasen P1, P2, P3 und die ihnen zugeordneten Phasenwicklungen PW1, ..., PW6 sind in einem Sternpunkt S elektrisch verbunden.
In 2a ist die elektrische Maschine 1 in einem ersten Bestromungszustand dargestellt. In diesem ersten Bestromungszustand wird die erste Phase P1 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW1, PW4 bestromt. Weiter wird die dritte Phase P3 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW3, PW6 bestromt. Der Stromfluss und seine Richtung ist durch Pfeile I angedeutet. Die zweite Phase P2 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW2, PW5 sind nicht bestromt.
Der Rotor 3 befindet sich in einer ersten Winkelposition. In dieser Winkelposition verdeckt eine Oberfläche des ersten Rotorzahns RZ1 die Polflächen des ersten Statorzahns SZ1 und die Polfläche des sechsten Statorzahns SZ6. Weiter verdeckt eine Oberfläche des zweiten Rotorzahns RZ2 die Polflächen des dritten Statorzahns SZ3 und die Polfläche des vierten Statorzahns SZ4. Weiter verdeckt eine Oberfläche des dritten Rotorzahns RZ3 die Polfläche des fünften Statorzahns SZ5 sowie die Nuten zwischen dem fünften Statorzahn SZ5 und dem sechsten Statorzahn SZ6 sowie dem vierten Statorzahn SZ4. Weiter verdeckt eine Oberfläche des vierten Rotorzahns RZ4 die Polfläche des zweiten Statorzahns SZ2 und die Nuten zwischen dem zweiten Statorzahn SZ2 und dem ersten Statorzahn SZ1 sowie dem dritten Statorzahn SZ3.
In 2a ist schematisch ein magnetischer Kreis M dargestellt. Die Rotorzähne RZ1, RZ2 sind somit derart ausgebildet ist, dass in der ersten Winkelposition und dem ersten Bestromungszustand der elektrischen Maschine 1 ein magnetischer Widerstand des magnetischen Kreises M, der sich über den ersten Rotorzahn RZ1 und den ersten Statorzahn SZ1 mit einer bestromten Phasenwicklung PW1 schließt, dann minimal ist, wenn sich der magnetische Kreis M über den zu dem ersten Statorzahn SZ1 benachbarten sechsten Statorzahn SZ6 mit einer bestromten Phasenwicklung PW6 schließt. Weiter ist auch ein magnetischer Widerstand des nicht dargestellten magnetischen Kreises, der sich über den zweiten Rotorzahn RZ2 und den vierten Statorzahn SZ4 mit einer bestromten Phasenwicklung PW4 schließt, dann minimal, wenn sich der magnetische Kreis über den zu dem vierten Statorzahn SZ4 benachbarten dritten Statorzahn SZ3 mit einer bestromten Phasenwicklung PW3 schließt.
Weiter sind in 1a ein Versorgungspotential VP dargestellt, an welches Phasenleitungen der Phasen P1, P2, P3 über eine Wechselrichter, der durch Schalter dargestellt ist, angeschlossen sind.
2b zeigt einen schematischen Querschnitt durch die in 2a dargestellte elektrische Maschine 1 in einem zweiten Bestromungszustand, der in einem Blockkommutierungsbetrieb der elektrischen Maschine 1 zeitlich auf den ersten Bestromungszustand folgt.
In diesem zweiten Bestromungszustand wird die zweite Phase P2 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW2, PW5 bestromt. Weiter wird die dritte Phase P3 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW3, PW6 bestromt. Der Stromfluss und seine Richtung ist durch Pfeile I angedeutet. Die erste Phase P1 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW1, PW4 sind nicht bestromt.
Der Rotor 3 bewegt sich beim Übergang von dem ersten Bestromungszustand in den zweiten Bestromungszustand aus der ersten Winkelposition in eine zweite Winkelposition. In dieser zweiten Winkelposition verdeckt eine Oberfläche des ersten Rotorzahns RZ1 die Polflächen des sechsten Statorzahns SZ6 und die Polfläche des fünften Statorzahns SZ5. Weiter verdeckt eine Oberfläche des zweiten Rotorzahns RZ2 die Polflächen des dritten Statorzahns SZ3 und die Polfläche des zweiten Statorzahns SZ2. Weiter verdeckt eine Oberfläche des dritten Rotorzahns RZ3 die Polfläche des vierten Statorzahns SZ4 sowie die Nuten zwischen dem vierten Statorzahn SZ4 und dem fünften Statorzahn SZ5 sowie dem dritten Statorzahn SZ3. Weiter verdeckt eine Oberfläche des vierten Rotorzahns RZ4 die Polfläche des ersten Statorzahns SZ1 und die Nuten zwischen dem ersten Statorzahn SZ1 und dem sechsten Statorzahn SZ1 sowie dem zweiten Statorzahn SZ2.
In 2b ist schematisch ein magnetischer Kreis M dargestellt. Die Rotorzähne RZ1, RZ2 sind somit derart ausgebildet ist, dass in der zweiten Winkelposition und dem zweiten Bestromungszustand der elektrischen Maschine 1 ein magnetischer Widerstand des magnetischen Kreises M, der sich über den ersten Rotorzahn RZ1 und den sechsten Statorzahn SZ6 mit einer bestromten Phasenwicklung PW6 schließt, dann minimal ist, wenn sich der magnetische Kreis M über den zu dem sechsten Statorzahn SZ6 benachbarten fünften Statorzahn SZ5 mit einer bestromten Phasenwicklung PW5 schließt. Weiter ist auch ein magnetischer Widerstand des nicht dargestellten magnetischen Kreises, der sich über den zweiten Rotorzahn RZ2 und den dritten Statorzahn SZ3 mit einer bestromten Phasenwicklung PW3 schließt, dann minimal, wenn sich der magnetische Kreis über den zu dem dritten Statorzahn SZ3 benachbarten zweiten Statorzahn SZ2 mit einer bestromten Phasenwicklung PW2 schließt.
2c zeigt einen schematischen Querschnitt durch die in 2a dargestellte elektrische Maschine 1 in einem dritten Bestromungszustand, der in einem Blockkommutierungsbetrieb der elektrischen Maschine 1 zeitlich auf den zweiten Bestromungszustand folgt.
In diesem dritten Bestromungszustand wird die zweite Phase P2 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW2, PW5 bestromt. Weiter wird die erste Phase P1 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW1, PW4 bestromt. Der Stromfluss und seine Richtung ist durch Pfeile I angedeutet. Die dritte Phase P3 und somit die ihr zugeordneten Phasenwicklungen PW3, PW6 sind nicht bestromt.
Der Rotor 3 bewegt sich beim Übergang von dem zweiten Bestromungszustand in den dritten Bestromungszustand in aus der zweiten Winkelposition in eine dritte Winkelposition. In dieser dritten Winkelposition verdeckt eine Oberfläche des ersten Rotorzahns RZ1 die Polflächen des fünften Statorzahns SZ5 und die Polfläche des vierten Statorzahns SZ4. Weiter verdeckt eine Oberfläche des zweiten Rotorzahns RZ2 die Polflächen des zweiten Statorzahns SZ2 und die Polfläche des ersten Statorzahns SZ1. Weiter verdeckt eine Oberfläche des dritten Rotorzahns RZ3 die Polfläche des dritten Statorzahns SZ3 sowie die Nuten zwischen dem dritten Statorzahn SZ3 und dem vierten Statorzahn SZ4 sowie dem zweiten Statorzahn SZ2. Weiter verdeckt eine Oberfläche des vierten Rotorzahns RZ4 die Polfläche des sechsten Statorzahns SZ6 und die Nuten zwischen dem sechsten Statorzahn SZ6 und dem ersten Statorzahn SZ1 sowie dem fünften Statorzahn SZ5.
In 2c ist schematisch ein magnetischer Kreis M dargestellt. Die Rotorzähne RZ1, RZ2 sind somit derart ausgebildet ist, dass in der dritten Winkelposition und dem dritten Bestromungszustand der elektrischen Maschine 1 ein magnetischer Widerstand des magnetischen Kreises M, der sich über den ersten Rotorzahn RZ1 und den fünften Statorzahn SZ5 mit einer bestromten Phasenwicklung PW5 schließt, dann minimal ist, wenn sich der magnetische Kreis M über den zu dem fünften Statorzahn SZ5 benachbarten vierten Statorzahn SZ4 mit einer bestromten Phasenwicklung PW4 schließt. Weiter ist auch ein magnetischer Widerstand des nicht dargestellten magnetischen Kreises, der sich über den zweiten Rotorzahn RZ2 und den zweiten Statorzahn SZ2 mit einer bestromten Phasenwicklung PW2 schließt, dann minimal, wenn sich der magnetische Kreis über den zu dem zweiten Statorzahn SZ2 benachbarten ersten Statorzahn SZ1 mit einer bestromten Phasenwicklung PW1 schließt.
Zeitlich nach dem dritten Bestromungszustand kann die elektrische Maschine 1 in einem nicht dargestellten vierten, fünften und sechsten Bestromungszustand bestromt werden. In den aufeinanderfolgenden Bestromungszuständen kann der Strom I jeweils Phasenwinkel aus den Intervallen von [0°–60°], [60°–120°], [120°–180°], [180°–240°], [240°–300°], [300°–360°] aufweisen.
Beim Übergang von einer Winkelposition zur nächsten Winkelposition kann der Rotor 3 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Verdrehung um 60° durchführen.
3 zeigt einen schematischen Stromlaufplan der verschiedenen Bestromungszustände. Hierbei sind die Ströme I in den verschiedenen Phasen P1, P2, P3 für verschiedene Zeitintervalle in einem Blockkommutierungsbetrieb dargestellt. Der erste Bestromungszustand ist zwischen 0° (elektrisch) und 60° (elektrisch) eingestellt. Der zweite Bestromungszustand ist zwischen 60° (elektrisch) und 120° (elektrisch) eingestellt. Der dritte Bestromungszustand ist zwischen 120° (elektrisch) und 180° (elektrisch) eingestellt. Der vierte Bestromungszustand ist zwischen 180° (elektrisch) und 240° (elektrisch) eingestellt. Der fünfte Bestromungszustand ist zwischen 240° (elektrisch) und 300° (elektrisch) eingestellt. Der sechste Bestromungszustand ist zwischen 300° (elektrisch) und 360° (elektrisch) eingestellt. Die Ströme I können z.B. durch einen Wechselrichter bereitgestellt werden, wobei Schaltelemente des Wechselrichters in entsprechender Weise angesteuert werden.
Die vorgeschlagene elektrische Maschine 1 weist einen Stator 2 auf, der vergleichbar mit dem Stator einer permanenterregten Synchronmaschine ist. Die Polschuhe der Statorzähne SZ1, ... SZ6 können im Gegensatz zur PMSM so ausgebildet sein, dass sie beim Übergang vom Zustand „unaligned“ zu „aligned“ nicht in Sättigung gehen. Der Stator 2 kann mit einer Einzelzahnwicklung versehen werden, vergleichbar mit dem Stator einer permanenterregten Synchronmaschine. Die Phasen P1, P2, P3 bzw. die Phasenwicklungen PW1, ..., PW6 der vorgeschlagenen elektrischen Maschine 1 werden in Sternschaltung betrieben, vergleichbar mit dem Stator einer permanenterregten Synchronmaschine. Weiter kann die elektrische Maschine 1 einen Rotor 3 mit Doppelpolen aufweisen. Ein Doppelpol bedeckt jeweils die Statorzähne SZ1, ..., SZ6 zweier benachbarter, verschiedenen Phasen P1, P2, P3 zugehöriger Phasenwicklungen PW1, ..., PW6 und schließt diese im Zustand „aligned“ magnetisch kurz. Die zur jeweils verbleibenden Phase gehörigen Phasenwicklungen PW1, ... PW6 sind magnetisch isoliert, wenn die erläuterten Phasenwicklungen PW1, ..., PW6 magnetisch kurzgeschlossen sind. Während der Rotation können z.B. jeweils die Phasenwicklungen PW1, ..., PW6 der Phasen P1–P2, danach P2–P3 und danach P3–P1 magnetisch nacheinander kurzgeschlossen werden, wobei der Rotor 3 eine Drehbewegung durchführt und ein Antriebsdrehmoment abgibt.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine elektrische Maschine 1 in einer weiteren Ausführungsform, wobei die elektrische Maschine 1 im Wesentlichen wie die in den 1a bis 1f dargestellte elektrische Maschine 1 ausgebildet ist. Dargestellt sind ein Stator 2 und ein Rotor 3 der elektrischen Maschine 1 in einer Querschnittsebene, wobei die Querschnittsebene senkrecht zu einer Rotationsachse RA des Rotors 3 orientiert ist. Der Stator 2 weist sechs Statorzähne SZ1, SZ2, SZ3, SZ4, SZ5, SZ6 auf. Der Rotor 3 weist zwei Rotorzähne RZ1, RZ2 auf. Der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind Phasenwicklungen des Stators 2.
Jeder der Statorzähne SZ1, ..., SZ6 weist einen Polschuh auf bzw. bildet einen solchen aus. Insbesondere weist jeder Statorzahn SZ1, ..., SZ6 einen Polkernabschnitt 5 und einen Polschuhabschnitt 6 auf. Im Polschuhabschnitt vergrößert sich einen Breite eines Statorzahns SZ1, ..., SZ6 entlang der Radialrichtung hin zur Rotationsachse RA, wobei die Breite entlang einer Umfangsrichtung einer Kreislinie um die Rotationsachse RA bezeichnen kann.
Weiter dargestellt sind äußeren Mantelflächen 7 der Statorzähne SZ1, ..., SZ6, die eine Statornut 8 zwischen benachbarten Statorzähnen SZ1, ..., SZ6 begrenzen. Die äußeren Mantelflächen 7 können hierbei äußere Mantelflächen sowohl des Polkernabschnitts 5 als auch des Polschuhabschnitts 6 sein. Weiter dargestellt ist ein Statorjoch 9, wobei Abschnitte 10 des Statorsjochs 9 jeweils ebenfalls die Statornut 8 begrenzen.
Weiter dargestellt ist ein Punkt P der äußeren Mantelfläche 7 des ersten Statorzahns SZ1, wobei der Punkt P ein Punkt der äußeren Mantelfläche 7 des Polschuhabschnitts 6 des ersten Statorzahns SZ1 ist. Weiter dargestellt ist eine Tangente T an die äußeren Mantelfläche 7 in diesem Punkt P. Die Tangente T entspricht in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel Tangenten in weiteren Punkten der äußeren Mantelfläche 7 des Polschuhabschnitts 6 des ersten Statorzahns SZ1. Weiter dargestellt ist eine radiale Nutmittellinie ML der von der äußeren Mantelfläche 7 des ersten Statorzahns SZ1 begrenzten Statornut 8, wobei die Statornut 8 zwischen dem ersten Statorzahn SZ1 und dem zweiten Statorzahn SZ2 angeordnet ist. Die radiale Nutmittellinie ML schneidet sowohl die Rotationsachse RA des Rotors 3 als auch den Mittelpunkt bzw. eine zur Rotationsachse RA parallele Mittellinie des Abschnitts 10 des Statorjochs 9, der zwischen dem ersten und dem zweiten Statorzahn SZ1, SZ2 angeordnet ist. Weiter dargestellt ist ein Winkel α zwischen der Tangente T und der radialen Mittellinie ML, wobei der Winkel α in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Wert von π/8 aufweist. Sowohl die Tangente T als auch die Nutmittellinie ML sind in einer Querschnittsebene angeordnet, die orthogonal zur Rotationsachse RA orientiert ist.
5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine elektrische Maschine 1 in einer weiteren Ausführungsform, wobei die elektrische Maschine 1 im Wesentlichen wie die in den 2a bis 2f dargestellte elektrische Maschine 1 ausgebildet ist.. Dargestellt sind ein Stator 2 und ein Rotor 3 der elektrischen Maschine 1 in einer Querschnittsebene, wobei die Querschnittsebene senkrecht zu einer Rotationsachse RA des Rotors 3 orientiert ist. Der Stator 2 weist sechs Statorzähne SZ1, SZ2, SZ3, SZ4, SZ5, SZ6 auf. Der Rotor 3 weist vier Rotorzähne RZ1, RZ2, RZ3, RZ4 auf. Der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind Phasenwicklungen des Stators 2.
In dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Statorzähne SZ1, ..., SZ6 keinen Polschuh auf bzw. bildet keinen Polschuh aus. Insbesondere weist jeder Statorzahn SZ1, ..., SZ6 somit nur einen Polkernabschnitt 5 und keinen Polschuhabschnitt 6 auf.
Weiter dargestellt sind äußeren Mantelflächen 7 der Statorzähne SZ1, ..., SZ6, die eine Statornut 8 zwischen benachbarten Statorzähnen SZ1, ..., SZ6 begrenzen. Weiter dargestellt ist ein Statorjoch 9, wobei Abschnitte 10 des Statorsjochs 9 jeweils ebenfalls die Statornut 8 begrenzen.
Weiter dargestellt ist ein Punkt P der äußeren Mantelfläche 7 des ersten Statorzahns SZ1. Weiter dargestellt ist eine Tangente T an die äußeren Mantelfläche 7 in diesem Punkt P.
Die Tangente T entspricht in dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel Tangenten in weiteren Punkten der äußeren Mantelfläche 7 des ersten Statorzahns SZ1. Weiter dargestellt ist eine radiale Nutmittellinie ML der von der äußeren Mantelfläche 7 des ersten Statorzahns SZ1 begrenzten Statornut 8, wobei die Statornut 8 zwischen dem ersten Statorzahn SZ1 und dem zweiten Statorzahn SZ2 angeordnet ist. Die radiale Nutmittellinie ML schneidet sowohl die Rotationsachse RA des Rotors 3 als auch den Mittelpunkt bzw. eine zur Rotationsachse RA parallele Mittellinie des Abschnitts 10 des Statorjochs 9, der zwischen dem ersten und dem zweiten Statorzahn SZ1, SZ2 angeordnet ist. Weiter dargestellt ist ein Winkel α zwischen der Tangente T und der radialen Mittellinie ML, wobei der Winkel α in dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Wert von π/12 aufweist. Sowohl die Tangente T als auch die Nutmittellinie ML sind in einer Querschnittsebene angeordnet, die orthogonal zur Rotationsachse RA orientiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3813130 C2 [0005]
JP 2011-035995 A [0006]
US 2002/0125783 [0007]
JP 2003-180059 A [0008]

Claims

Elektrische Maschine, wobei die elektrische Maschine (1) einen Stator (2) und einen Rotor (3) umfasst, wobei der Stator (2) mindestens drei Statorzähne (SZ1, ..., SZ6) aufweist, wobei jeder Statorzahn (SZ1, ..., SZ6) mit einer Phasenwicklungen (PW1, ..., PW6) umwickelt ist, wobei der Rotor (3) mindestens einen Rotorzahn (RZ1, RZ2) aufweist, wobei der mindestens eine Rotorzahn (RZ1, RZ2) derart ausgebildet ist, dass in einem bestromten Zustand der elektrischen Maschine (1) ein magnetischer Widerstand eines magnetischen Kreises (M), der sich über den Rotorzahn (RZ1, RZ2) und einen Statorzahn (SZ1, ..., SZ6) mit einer bestromten Phasenwicklung (PW1, ..., PW6) schließt, dann minimal ist, wenn sich der magnetische Kreis (M) über einen zu diesem Statorzahn (SZ1, ..., SZ6) benachbarten Statorzahn (SZ1, ..., SZ6) mit einer bestromten Phasenwicklung (PW1, ..., PW6) schließt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des mindestens einen Rotorzahns (RZ1, RZ2) die Polflächen der benachbarten Statorzähne (SZ1, ..., SZ6) mit jeweils bestromten Phasenwicklungen (PW1, ..., PW6) vollständig verdeckt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel zwischen einer Tangente in einem Punkt einer äußeren Mantelfläche eines Statorzahns und einer radialen Nutmittellinie der von der äußeren Mantelfläche begrenzten Statornut einen Wert zwischen 0 und π/8 aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenwicklungen (PW1, ..., PW6) in einem Sternpunkt elektrisch verbunden sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) 3 × n Statorzähne (SZ1, ..., SZ6) aufweist, wobei der Rotor (3) 1 × n Rotorzähne (RZ1, RZ2) aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils einer der 1 × n Rotorzähne (RZ1, RZ2) ein Winkelsegment von 4π/(3 × n) des Luftspalts abdeckt, wobei jeweils einer der 3 × n Statorzähne (SZ1, ..., SZ6) ein Winkelsegment von π/(3 × n) des Luftspalts abdeckt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorzähne (SZ1, ..., SZ6) jeweils einen Polschuh ausbilden.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) 3 × n Statorzähne (SZ1, ..., SZ6) aufweist, wobei der Rotor (3) 2 × n Rotorzähne (RZ1, ..., RZ4) aufweist.
Elektrische Maschinen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils einer der 2 × n Rotorzähne (RZ1, RZ2) ein Winkelsegment von 2π/(2 × n) des Luftspalts abdeckt, wobei jeweils einer der 3 × n Statorzähne (SZ1, ..., SZ6) ein Winkelsegment von 2π/(6 × n) des Luftspalts abdeckt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorzähne (SZ1, ..., SZ6) keinen Polschuh ausbilden.
Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Phasenwicklungen (PW1, ..., PW6) der elektrischen Maschine (1) in einem Kommutierungsbetrieb bestromt werden.