Synchronmaschine

Die Erfindung betrifft eine permanenterregte Synchronmaschi¬ ne.

Permanenterregte Synchronmaschinen, welche eine Erregung ei¬ nes Rotors mittels Permanentmagneten aufweisen, weisen gegen- über elektrisch erregte Synchronmaschinen verschiedene Vor¬ teile auf. Beispielsweise benötigt der Rotor bei einer perma¬ nenterregten Synchronmaschine keinen elektrischen Anschluss. Permanentmagnete mit hoher Energiedichte, d.h. einem großen Produkt aus Flussdichte und Feldstärke, erweisen sich dabei den weniger energiestarken Permanentmagneten überlegen. Es ist weiterhin bekannt, dass Permanentmagnete nicht nur eine flache Anordnung zum Luftspalt aufweisen können, sondern auch in einer Art Sammelkonfiguration (Flusskonzentration) positi¬ oniert werden können.

Bei permanenterregten Synchronmaschinen können nachteilige Pendelmomente auftreten. Eine Schrägung eines Rotors oder ei¬ nes Stators der permanenterregten Synchronmaschine um bei¬ spielsweise eine Nutteilung, wie sie bei konventionellen Mo- toren in EP 0 545 060 Bl beschrieben ist, kann zu einer Redu¬ zierung des Drehmoments führen. Bei permanenterregten Syn¬ chronmaschinen mit konventioneller Wicklung, d.h., Wicklun¬ gen, welche in Einziehtechnik hergestellt werden, wird in der Regel eine Schrägung um eine Nutteilung vorgenommen, um Rast- momente, welche auch zu Pendelmomenten führen, zu reduzieren.

Bei permanenterregten Synchronmaschinen, welche Zahnspulen aufweisen, ist es beispielsweise möglich, die Pendelmomente durch eine besondere Formgebung der Magnete zu reduzieren. Nachteilig dabei ist, dass eine besondere Formgebung der Mag¬ nete zu erhöhten Herstellungskosten führt. Demnach liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine per¬ manenterregte Synchronmaschine anzugeben, bei der in einfach¬ er Art und Weise Pendelmomente, bzw. Rastmomente reduziert sind. Vorteilhafter Weise erfolgt diese Reduzierung ohne den Einsatz einer Schrägung beispielsweise der Permanentmagnete.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einer perma¬ nenterregten Synchronmaschine mit den Merkmalen nach Anspruch 1 oder 6. Die Unteransprüche 2 bis 5 und 7 bis 11 sind weite- re vorteilhafte Weiterbildungen der permanenterregten Syn¬ chronmaschine.

Bei einer permanenterregten Synchronmaschine, welche einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Stator vorzugswei- se eine dreiphasige Drehstromwicklung aufweist und der Rotor Permanentmagnete aufweist, ist der Stator derart ausgebildet, dass dieser 36 Nuten und 36 Zähne aufweist. Dabei ist nur je¬ der zweite Zahn mit einer Spule bewickelt. Der Rotor ist der¬ art ausgebildet, dass dieser 22 Magnetpole aufweist. Die Spu- Ie, welche um einen Zahn gewickelt ist, ist vorteilhafter¬ weise eine Zahnspule. Eine derartige permanenterregte Syn¬ chronmaschine weist am Stator 18 Pole auf.

Mittels der beschriebenen Ausführungsform gelingt es, dass die permanenterregte Synchronmaschine vorteilhafter Weise ei¬ ne hohe Ausnutzung und einen hohen Leistungsfaktor aufweist.

Mittels einer derartigen permanenterregten Synchronmaschine, kann ein hoher Wicklungsfaktor erzielt werden. Die Kombinati- on aus 22 Polen am Rotor und 36 Nuten im Stator führt zu ei¬ ner ersten möglichen Rastpolpaarzahl von pr=396. Die Rastpol¬ paarzahl ergibt sich aus dem kgV der 36 Nuten des Stators mit den 22 Polen des Rotors. Da die Polzahl des Rotors, also die Anzahl der Magnetpole des Rotors 22 beträgt weist der Rotor also 11 Magnetpolpaare auf. Daraus ergibt sich, dass die per¬ manenterregte Synchronmaschine eine Magnetpolzahl aufweist, welche eine Primzahl ist. Dies hat den Vorteil dass das kgV(Nl,2p) relativ hoch ist.

Mittels einer bestromten Wicklung des Stators ist ein Spekt- rum an Luftspaltfeldern erzeugbar. Bei Betrachtung dieses Spektrums von Luftspaltfeidern können über den Umfang von 360 Grand Oberwellenfelder und ein Grundfeld unterschieden wer¬ den. Das Grundfeld hat die Grundpolpaarzahl pg. Für die Pol¬ zahlen der Oberwellenfelder pi gilt:

pi>pg. Eine Grundpolpaarzahl pg ergibt sich bei der erfin¬ dungsgemäßen permanenterregten Synchronmaschine zu pg=l. Eine Nutzpolpaarzahl pn ergibt sich aus der Polpaarzahl des Rotors und ist folglich 11, da der Rotor 11 Magnetpolpaare aufweist.

Für die permanenterregte Synchronmaschine ergibt sich hieraus eine Nutzung einer elften Oberwelle. Die Grundwelle und die Oberwellen eines Feldverlaufes in einem Luftspalt einer elektrischen Maschine können beispielsweise mittels einer Fourier-Analyse ermittelt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Wicklung des Stators derart ausgeführt, dass insbesondere störende Ober¬ wellen wie die fünfte und siebte Oberwelle der Nutzpopaarzahl pN nur eine geringe Amplitude aufweisen. Die fünfte und die siebte Oberwelle der Nutzpolpaarzahl pn sind insbesondere deswegen von Nachteil, weil sie mit den entsprechenden Ober¬ wellen des Rotorfeldes, Pendeldrehmomente erzeugen.

Mittels der erfindungsgemäßen permanenterregten Synchron¬ maschine mit einer bestimmten Kombination aus einer Anzahl von Nuten im Stator und einer bestimmten Polzahl des Rotors ergibt sich eine verringerte Rastdrehmomentbildung. Die ge¬ ringere Rastmomentbildung ergibt sich insbesondere aus dem Wicklungskonzept, bei dem nur jeder zweite Zahn des Stators mit einer Zahnspule umwickelt ist. Vorteilhafterweise weist der Stator der permaneterregten Synchronmaschine eine Wick- lung gemäß den Figuren 2 und 3 auf. Die jeweilige Wicklung ist in der Figurenbeschreibung näher beschrieben.

Die permanenterregte Synchronmaschine, welche einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Stator eine dreiphasige Drehstromwicklung aufweist und der Rotor insbesondere Perma¬ nentmagnete aufweist, ist beispielsweise so ausbildbar, dass- der Stator 36 Nuten und 36 Zähne aufweist, wobei nur jeder zweite Zahn mit einer Spule bewickelt ist und die Spulen eine erste Wickelrichtung e und eine zweite Wickelrichtung z auf¬ weisen, wobei die erste Wickelrichtung e der zweiten Wickel¬ richtung entgegengesetzt ist. Die erste Wickelrichtung e ent¬ spricht beispielsweise einem Wickeln in einer Uhrzeigerrich¬ tung und die zweite Wickelrichtung z einem Wickeln entgegen der Uhrzeigerrichtung. Die Spulen einer Phase sind dabei in Reihe schaltbar, wobei in Reihe geschaltete Spulen einer Pha¬ se U, V und W zumindest eine Spulengruppe ausbilden, wobei die bewickelten Zähne gemäß der nachfolgenden Tabelle bewi¬ ckelt sind:

Der Rotor weist insbesondere 22 Magnetpole auf.

In einer Ausführungsform der Synchronmaschine sind alle Spu- len, welche einer Phase u, V oder W zugeordnet sind in Reihe geschaltet. In einer weiteren Ausführungsform sind: a) für die Phase U die Spulen des ersten, zweiten und sechs¬ ten bewickelten Zahnes zur Ausbildung einer erste Spulen¬ gruppe der Phase U in Reihe geschaltet und die Spulen des zehnten, elften und fünfzehnten bewickelten Zahnes zur Ausbildung einer zweiten Spulengruppe der Phase U in Reihe geschaltet und b) für die Phase V die Spulen des dritten, sechzehnten und siebzehnten bewickelten Zahnes zur Ausbildung einer erste Spulengruppe der Phase V in Reihe geschaltet und die Spu¬ len des siebten, achten und zwölften bewickelten Zahnes zur Ausbildung einer zweiten Spulengruppe der Phase V in Reihe geschaltet und c) für die Phase W die Spulen des vierten, fünften und neun¬ ten bewickelten Zahnes zur Ausbildung einer ersten Spulen¬ gruppe der Phase W in Reihe geschaltet und die Spulen des dreizehnten, vierzehnten und achtzehnten bewickelten Zah¬ nes zur Ausbildung einer zweiten Spulengruppe der Phase W in reihe geschaltet.

Drei Spulen einer Phase sind also zu einer Spulengruppe zu- sammengefasst. Sie Spulen einer Spulengruppe sind in Reihe geschaltet. Die Spulengruppen können in Reihe geschaltet sein oder sie können auch parallel geschaltet sein.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine permanenter- regte Synchronmaschine mit einem bestimmten Statorblech¬ schnitt und einer bestimmten Wicklung (siehe FIG 2 und 3) für eine Drehstrombestromung anzugeben, bei dem die permanenter¬ regte Synchronmaschine ohne Schrägung von Stator und/oder Ro¬ tor geringe Rastdrehmomente und geringe Oberwellen aufweist. Die Oberwellen betreffen den magnetischen Feldverlauf in ei¬ nem Luftspalt zwischen Stator und Rotor. Demzufolge betreffen die Oberwellen auch die EMK und sind somit auch als EMK- Oberwellen zu bezeichnen.

Die erfindungsgemäße permanenterregte Synchronmaschine weist insbesondere bei niedriger Drehzahl- und hohen Drehmomenten Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Ein derartiger An¬ wendungsfall mit niedriger Drehzahl und hohen Drehmomenten ergibt sich typischerweise bei Torquemotor-Anwendungen. Die permanenterregte Synchronmaschine ist also vorteilhafterweise ein Torquemotor. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der permanenterregten Syn¬ chronmaschine weist einen bewickelten Zahn und benachbarte Nuten des bewickelten Zahns auf, wobei der bewickelte Zahn und die benachbarten Nuten parallelflankig sind. Sowohl der Zahn als auch die Nuten weisen Flanken auf. Diese Flanken verlaufen parallel. Dies hat beispielsweise den Vorteil einer einfachen Montage der Wicklung des Zahnes . Die Wicklung ist insbesondere eine Zahnwicklung, wobei durch die Wicklung ei¬ nes Zahnes die Nuten, welche zu beiden Seiten des Zahnes vor- ahnden sind, gefüllt sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Stator mit Flachdraht oder mit Flachdrahtlitzen bewickelt. Dies er¬ möglicht einen hohen Füllungsgrat der Nuten mit Kupfer.

Weiterhin ist die permanenterregte Synchronmaschine derart ausgestaltbar, dass einer Phase sechs Spulen zugeordnet sind, wobei alle sechs Spulen der Phase in Reihe geschaltet sind. Eine Phase weist also sechs Spulen auf, welche in einer Rei- henschaltung bestrombar sind.

In einer weiteren Ausgestaltung sind einer Phase wiederum sechs Spulen zugeordnet, wobei die Spulen in zwei Spulen¬ gruppen aufteilt sind, wobei eine Spulengruppe vorteilhaf- terweise drei Spulen aufweist, welche in Reihe verschaltet sind und wobei die beiden Spulengruppen parallel geschaltet sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der permanenterregten Synchronmaschine weist einen Stator auf, welcher breite Zähne und schmale Zähne aufweist, wobei eine Nutteilungsbreite ans für die schmalen Zähne im Bereich von 9,1° > ans > 3° be¬ trägt und eine Nutteilungsbreite αnb für die breiten Zähne im Bereich von 10,9° < αnb < 17° liegt, wobei gilt, dass αnb + ans = 20° ist. Des Weiteren ist die permanenterregte Synchronmaschine derart ausgestaltbar, dass eine Lochzahl q = 6/11 vorliegt. Die Lochzahl q gibt an, auf wie viel Nuten pro Pol die Wicklung eines Stranges aufgeteilt ist, q ist also die Nutzahl pro Pol und Strang.

Um Rastdrehmomente von Permanentmagneten des Rotors mit Sta¬ torzähnen gering zu halten, sind Nutzahl und Polzahl so zu wählen, dass das kleinste gemeinsame Vielfache möglichst hoch ist. Dies wird erreicht, wenn die Polpaarzahl (Nutzpolpaar¬ zahl) eine Primzahl ist. Die Nutzpolpaarzahl ist also eine Primzahl.

Erfindungsgemäß ist ein Statorschnitt mit 36 Nuten und 18 Po- len, sowie eine Wicklung mit der Grundpolpaarzahl pg = 1 und einer Nutzpolpaarzahl pn = 11 bestimmt. Das kleinste gemein¬ same Vielfache ist somit 396. Damit ergibt sich eine Reluk- tanzrastpolpaarzahl von pr = 396 und damit relativ kleine Rastdrehmomente, weil das zum Rasten führende Rotorfeld der magnetischen Polpaarzahl prm = 198 (= 9. Rotor-Oberwelle) ei¬ ne kleine Amplitude hat.

Die Nutteilungsseite ist vorteilhafterweise zwischen 0,66 bis 1,23 von der Polteilungsweite des Rotors.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin¬ dung werden anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläu¬ tert. Darin zeigt:

FIG 1 schematisch den Aufbau einer permanenterregten Syn¬ chronmaschine, FIG 2 im Ausschnitt schematisch einen Blechschnitt eines Stators einer permanenterregten Synchronmaschine, FIG 3 ein erstes Wickelschaltbild und FIG 4 ein weiteres Wickelschaltbild. Die Darstellung gemäß FIG 1 zeigt eine permanenterregte Syn¬ chronmaschine 51, welche einen Stator 53 und einen Rotor 55 aufweist. Der Rotor 55 weist Permanentmagnete 57 auf. Der Stator 53 weist Spulen 59 auf, wobei der Verlauf der Spule 59 innerhalb des geblechten Stators 53 strichliniert dargestellt ist. Mit Hilfe der Spule 59 ist eine Wicklung ausgebildet. Die Spulen 59 bilden Wickelköpfe 61 aus. Die permanenterregte Synchronmaschine 51 ist zum Antrieb einer Welle 63 vorgese¬ hen.

Die Darstellung gemäß FIG 2 zeigt einen schematischen Aus¬ schnitt eines Blechschnitts 72. Der Blechschnitt 72 betrifft den Stator 53 der permanenterregten Synchronmaschine 51. Der Blechschnitt 72 weist Zähne 29 und Nuten 27 auf. Ist ein Zahn 29 bewickelt, so ist dies ein bewickelter Zahn 25. Die bewi¬ ckelten Zähne 25 sind von 1 bis 18 durchnumeriert. Der Stator 53 mit dem Blechschnitt 72 weist 18 bewickelte Zähne auf. Ei¬ ne Bewicklung eines Zahnes erfolgt beispielsweise durch Auf¬ setzen einer Spule 39. Dies ist besonders dann einfach durch- zuführen, wenn der bewickelte Zahn 25 und die benachbarten Nuten 27 des bewickelten Zahns 25 parallelflankig sind. Die Zähne 29 und die Nuten 27 weisen Flanken 28 auf. Diese Flan¬ ken 28 sind parallel ausgeführt. Der schematisch dargestellte Ausschnitt des Blechschnitts 72 gibt wieder, dass bei nur je- dem zweiten Zahn 29 eine Bewicklung vorliegt. Jeder zweite Zahn 29 ist also mit einer Zahnspule 39 umwickelt. Vorteil¬ hafterweise können hierfür vorgefertigte Formspulen verwendet werden. Durch die Parallelflankigkeit des zu umwickelnden Zahnes 25 und die Parallelflankigkeit der von der Spule 39 gefüllten Nuten 27, können vorteilhafterweise Formspulen aus Flachdraht eingesetzt werden, so dass eine Kupferfüllung in den Nuten 27 besonders hoch ist.

Durch die beschriebenen Maßnahmen können permanenterregte Synchronmaschinen, welche insbesondere als Motoren einsetzbar sind, mit geringen Verlusten und somit einer hohen Ausnutzung gebaut werden. Der Blechschnitt 72 weist abwechselnd einen schmalen Zahn 31 und einen breiten Zahn 33 auf. Durch die gezielte Auswahl der Nutteilungsbreite des breiten Zahnes 33 und des schmalen Zah¬ nes 31 kann zusammen mit der Wahl der Wicklungsschaltung ins- besondere gemäß Figur 3 und 4 ein Luftspaltfeld einer Nutz¬ welle hoch und die von störenden Oberwellen niedrig einge¬ stellt werden. Damit wird neben der hohen Ausnutzung eine ge¬ ringe Drehmomentwelligkeit erzielt.

Die Darstellung gemäß FIG 3 zeigt ein erstes Wickelschaltbild für einen Stator, welcher 36 Nuten aufweist. Der Rotor weist 22 Pole (Magnetpole) , also 11 Polpaare, auf, wobei der Rotor in FIG 3 nicht dargestellt ist. Gemäß des Wickelschaltbildes nach FIG 3 weist der Stator 18 Spulen 39 auf, wobei gemäß Fi- gur 3 für eine Phase U sechs Spulen 40 dargestellt sind. Die Spulen 40 der Phase U sind in FIG 3 mit einem durchgezogenen Strich dargestellt. Das Wicklungsschaltbild betrifft eine permanenterregte Synchronmaschine, welche mit drei Phasen U, V, W eines Drehstromes bestrombar ist. Die Wicklung der Phase U ist in FIG 3 mit allen Spulen 40 dargestellt. Für die Wick¬ lungen der Phasen V und W ist jeweils nur die erste Spule 47 für die Phase V und die Spule 49 für die Phase W dargestellt. Die Spulen 47 und 49 der Phasen V und W sind in FIG 3 gestri¬ chelt dargestellt. Die Wicklung der Phasen V und W entspricht der Wicklung der Phase U, wobei die Wicklung zur besseren Übersicht nicht komplett dargestellt ist. Anschlüsse der Pha¬ sen U, V und W sind mit ul, u2, vi, v2, wl und w2 bezeichnet.

Die Darstellung gemäß Figur 3 zeigt Zähne, welche durch Zah- len von 1 bis 18 symbolisiert sind, wobei die Zähne mit Spu¬ len 39 bewickelt sind. Zur einfachen Darstellung wurde eine schematische Aufbereitung des Wickelschaltbildes gewählt. Je¬ der zweite Zahn einer permanenterregten Synchronmaschine wel¬ che ein Wickelschaltbild nach FIG 3 aufweist ist bewickelt. In FIG 3 sind nur die bewickelten Zähne 1 bis 18 nummeriert. Zwischen zwei bewickelten Zähnen, welche von 1 bis 18 numme¬ riert sind, befindet sich ein unbewickelter Zahn, wobei unbe- wickelte Zähne in FIG 3, wie auch in der nachfolgenden FIG 4 nicht dargestellt sind. Eine erste Spule 40 der Phase U ist um den Zahn 1 in einer ersten Wickelrichtung 41 gewickelt. Anschließend erfolgt eine Wicklung um den Zahn 2 in einer zweiten Wickelrichtung 42. Der Zahn 2 ist der zweite bewi¬ ckelbare Zahn. Die erste Wickelrichtung 41 ist der zweiten Wickelrichtung 42 entgegengesetzt. Zwischen dem Zahn 1 und dem Zahn 2 ist noch ein ungewickelter Zahn, welcher in der Figur 3 nicht dargestellt ist. Entsprechend verhält es sich bei den Zähnen 3, 4, 5, 6 usw., zwischen denen sich jeweils noch ein Zahn befindet, der jedoch nicht dargestellt ist.

Die Spule 40 um den Zahn 2 weist eine zur Spule um den Zahn 1 entgegengesetzte Wickelrichtung 44 auf. Der Spule 40 um den Zahn 2 folgt für die Phase U eine Spule 40 um den Zahn 6. Hiernach folgt eine Spule 40 um die Zähne 10, 11 und 15. Die Wickelrichtung 44 wechselt nach jeder Spule der Phase U. Die Wickelrichtungen 44 der Spulen für die Phasen V und W ent¬ sprechen den Wickelrichtungen der Spulen 40 der Phase U.

Die erste Spule 47 der Phase V befindet sich auf dem Zahn 7. Dieser Spule 47 folgt eine Spule um den Zahn 8, die jedoch nicht dargestellt ist. Die Spule um den Zahn 8 weist eine zur Spule 47 um den Zahn 7 entgegengesetzte Wickelrichtung auf. Die Wickelrichtungen der Phase V und der Phase W entsprechen den Wickelrichtungen der Phase U. Bei allen Phasen wechselt also die Wickelrichtung nach jeder Spule. Die erste Spule 49 der Phase W befindet sich auf dem Zahn 13. Die sechs Spulen 40, welche jeweils einer Phase U, V und W zugeordnet sind, sind in Reihe geschaltet.

Die Darstellung gemäß FIG 4 zeigt eine weitere mögliche Spu¬ lenanordnung bzw. ein weiteres mögliches Wickelschaltbild für die erfindungsgemäße permanenterregte Synchronmaschine. Das Wicklungsschaltbild nach FIG 4 entspricht weitgehende dem Wicklungsschaltbild nach FIG 3, wobei gemäß FIG 4 eine Paral¬ lelschaltung von Spulengruppen 20 und 22 realisiert ist. Wie bei FIG 3 sind auch bei FIG 4 einer Phase sechs Spulen zuge¬ ordnet. Die Wickelrichtungen 41, 42 der Wickelschaltung nach FIG 4 entsprechen den Wickelrichtungen 41, 42 nach FIG 3.

Die sechs Spulen 40 einer Phase sind in zwei Gruppen 20 und 22 unterteilt. Eine erste Gruppe 20 weist drei Spulen 35 auf und eine zweite Gruppe 22 weist wiederum drei Spulen 37 auf. Die zwei Gruppen 20, 22 von Spulen 35,37 sind parallel ge¬ schaltet. Eine erste Spulengruppe 20 der Phase U beginnt mit einer Spule 35 um den Zahn 1. Daran anschließend folgt eine Spule 35 um den Zahn 2, wobei sich wie bei der Wicklung gemäß FIG 3 jeweils die Wickelrichtung 44 umkehrt. Die dritte Spule der ersten Spulengruppe 20 ist beim Zahn 6. Eine zweite Spu¬ lengruppe 22 der Phase U beginnt mit einer Spule 37 um den Zahn 10. Daran anschließend folgt eine Spule 37 um den Zahn 11. Die dritte Spule der zweiten Spulengruppe 22 ist beim Zahn 15. Auch bei der Wicklung mit den beiden Spulengruppen 20, 22 gemäß FIG 4 dreht sich jeweils die Wickelrichtung 44 nach jedem bewickelten Zahn einer Phase um. Die Wicklungen für die Phasen V und W entsprechen der Wicklung der Phase U.

Für die Phasen V und W ist jeweils wiederum eine Anfangsspule 47, 49 gezeigt, welche für die Phase V um den Zahn 7 verläuft und für die Phase W um den Zahn 13 verläuft.

Sowohl die Bewicklung gemäß FIG 3 als auch die Bewicklung ge¬ mäß FIG 4 weisen vorteilhafter Weise eine Sternschaltungen auf. Wenn eine permanentmagneterregte Synchronmaschine für Dreieckschaltung ausgelegt werden soll, sind vorteilhafter Weise Maßnahmen zu treffen, die verhindern, dass die Polzahl p3n=3*pn entsteht.