Beschreibung

Titel Elektrische Maschine

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor oder Stator und Magneten, wobei der Rotor oder Stator mehrere Nuten aufweist, zwischen denen in Umfangsrichtung betrachtet jeweils ein Pol ausgebildet ist, der mindestens eine Kerbe aufweist.

Stand der Technik

Eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art ist zum Beispiel als Gleichstrommotor bekannt. Der Rotor dieses Gleichstrommotors weist einen Anker mit mehreren Nuten auf. Zwischen jeweils zwei Nuten ist ein Pol beziehungsweise Zahn ausgebildet, wobei mindestens einer der Pole an seinem Polkopf (Zahnkopf) eine Kerbe aufweist. Diese Kerbe am Zahnkopf dient zur Positionierung des Stators bei seiner Bewicklung und ist zum Beispiel als Mittelkerbe ausgebildet. Durch die umfänglich angeordneten Nuten des Ankers werden bei elektrischen Maschinen wie zum Beispiel Gleichstrommotoren Rastmomente erzeugt. Diese verursachen im Betrieb Geräusche.

Offenbarung der Erfindung

Bei der erfindungsgemäß ausgestalteten elektrischen Maschine ist vorgesehen, dass die Kerben bezogen auf eine Rastphase, die sich aus den Nutpositionen und der Anzahl der Magnete ergibt, zur Rastmomentreduzierung außerphasig angeordnet sind. Weist die elektrischen Maschine die Nuten und die Pole (Zähne) am Rotor auf, so handelt es sich um Außenpole (Außenzähne), die am Außenumfang des Rotors in einem Polkopf (Zahnkopf) enden. Handelt es sich um eine elektrische Maschine, deren Stator die Nuten und Pole aufweist, so sind die Pole (Zähne) als Innenpole (Innenzähne) ausgebildet, die am Innenumfang des Stators in Polköpfen (Zahnköpfen) enden. Durch die Nutung des Rotors oder Stators der elektrischen Maschine werden Rastmomente erzeugt. Diese

Rastmomente verursachen im Betrieb Geräusche, deren Rastmomentamplituden durch die zusätzliche Kerben am Innenumfang des Stators beziehungsweise dem Außenumfang des Rotors beeinflusst werden können. Je nach Position und Breite dieser Kerben an den Polköpfen (Zahnköpfen) wird die Rastmomentamplitude mindestens einer Rastmomentordnung vermindert oder vergrößert. Durch Kerben an definierten Positionen der Pole können gezielt einzelne Rastmomentordnungen reduziert werden. Dazu werden eine oder bevorzugt mehrere Kerben pro Pol (Zahn) so angeordnet, dass sie eine außerphasige Lage zu den Nuten beziehungsweise deren Nutöffnungen am Umfang des Rotors oder Stators haben. Die entsprechende Rastphase ergibt sich aus den Nutpositionen der Nuten und der Anzahl und Anordnung der Magnete. Für die Rastphase R gilt mit der Rastmomentordnung O, der Anzahl M der Magnete und der Anzahl N der Nuten:

R = 360° mit O = O, 1 , 2, ... (1 )

M - JV - (O H- I)

Die Rastmomentordnung Null entspricht dabei einer Rastmomentgrundordnung mit O = O. Für die erste (höhere) Rastmomentordnung gilt O = 1 , für die zweite (höhere) Rastmomentordnung gilt 0 = 2. Eine mitphasige Anordnung der Kerben in Phase mit den Nutöffnungen ist eine Anordnung, bei der die Kerben einen umfänglichen Abstand zu den Nutöffnungen entsprechend einer Rastphase oder einem vielfachen der Rastphase haben. Eine außerphasige Anordnung ist eine Anordnung, die -bezogen auf die Rastmomentordnung- nicht in Rastphase ist. Durch eine außerphasige Anordnung der Kerben werden die Rastmomentordnungen über einen größeren Frequenzbereich „ausgeschmiert", sodass die Amplituden der Geräusche bei den Frequenzen, die sich aus Rastmomentordnung und Drehzahl ergeben, selbst erniedrigt werden. Dadurch kann die Geräuschentwicklung der elektrischen Maschine derart beeinflusst werden, dass das resultierende Geräusch zum Beispiel als angenehm empfunden wird.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die Kerben gegenphasig zu den Positionen der Nuten angeordnet sind. Weist der Rotor oder Stator zum Beispiel zehn Nuten (N = 10) und die elektrische Maschine sechs mit dem Rotor oder Stator wechselwirkende Magnete (M = 6) aus, so ist die Rastmomentgrundordnung die

dreißigste Ordnung. über diese Rastmomentgrundordnung und die Drehzahl der elektrischen Maschine ergibt sich eine Grundfrequenz des Geräuschs durch die Rastmomente. Zusätzlich zu dieser Grundfrequenz ergeben sich charakteristische Oberwellen höherer Rastmomentordnung. Ist die Rastmomentgrundordnung zum Beispiel die dreißigste Ordnung, so sind die höheren Ordnungen die sechzigste Ordnung, die neunzigste Ordnung, usw.. Dabei sind die Positionen benachbarter Nuten beziehungsweise deren Nutöffnungen bei zehn Nuten um 36° umfänglich gegeneinander verschoben. Hat eine der Nuten die Position bei 0°, so sind die mitphasigen Positionen der Grundordnung bei zehn Nuten und sechs Magneten bei 0°, 12°, 24° und 36°. Für die mitphasigen Positionen der ersten höheren Ordnung halbiert sich der Phasenabstand, für die Phasen der zweiten höheren Ordnung ist der Phasenabstand ein Drittel des Phasenabstands der Grundordnung. Die gegenphasigen Positionen für jede der Rastmomentordnungen liegen auf halbem Weg zwischen den mitphasigen Positionen der entsprechenden Rastmomentordnung.

Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die gegenphasige Anordnung der Kerben auf die Rastmomentgrundordnung bezogen ist. Die Rastmomentgrundordnung besitzt die größte Rastmomentamplitude, sodass die gegenphasige Anordnung der Kerben (in Gegenphase zur Rastmomentgrundordnung) eine Reduzierung des resultierenden Geräuschs der Grundfrequenz durch destruktive Interferenz verursacht.

Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die gegenphasige Anordnung der Kerben auf eine höhere Rastmomentordnung bezogen ist. Stört insbesondere eine der Oberwellen des Geräuschs, so kann die entsprechende höhere Rastmomentordnung durch die gegenphasige Anordnung der Kerben bezogen auf diese höhere Rastmomentanordnung gezielt verändert werden. Bei einer elektrischen Maschine mit zehn Nuten (N = 10) und sechs Magneten (M = 6) ist die Rastmomentgrundordnung („Nullte" Rastmomentordnung) die dreißigste Ordnung. Die erste (höhere) Rastmomentordnung ist die sechzigste Ordnung. Die mitphasigen Positionen in Rastphase dieser ersten höheren Ordnung sind dann bei 0°, 360760, 2 x 360760..., 36°. Die gegenphasigen Positionen (auf halber Höhe zwischen den mitphasigen Positionen der ersten höheren Ordnung

(sechzigste Ordnung) sind bei 0,5 x 360760, 1 ,5 x 360760, 2,5 x 360760, ...., 39°.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die Kerben - in Umfangsrichtung betrachtet - eine Kerbenbreite aufweisen und die Summe der Quadrate der Kerbenbreiten eines Pols in etwa dem halben Quadrat einer Nutöffnungsbreite einer Nut entspricht. Zur Reduzierung des Rastmoments reicht eine Kerbenbreite aus, die deutlich kleiner gewählt ist, als die Nutöffnungsbreite der Nutöffnungen. Mit zunehmender Anzahl der Kerben pro Pol (Zahn) kann die Kerbenbreite noch weiter reduziert werden.

Mit Vorteil ist vorgesehen, dass jeder Pol zwei Kerben aufweist. Ein Pol mit zwei Kerben ergibt eine besonders einfach realisierbare Anordnung zur Rastmomentreduzierung.

Alternativ ist vorgesehen, dass jeder Pol vier Kerben aufweist. Bei vier Kerben pro Pol können die Kerbenbreiten schmal gewählt werden.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die Anzahl der Nuten zehn (N = 10) und die Anzahl der Magnete sechs ist (M = 6). Eine elektrische Maschine mit sechs Magneten und einem Rotor oder einem Stator mit zehn Polen ist eine gängige elektrische Maschine. Diese kann zum Beispiel als Gleichstrommotor ausgebildet sein, dessen Rotor zehn Pole aufweist.

Schließlich ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine ein Elektromotor, insbesondere ein Gleichstrommotor ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen nicht erfindungsgemäßen Rotor eines Gleichstrommotors mit zehn Nuten und zehn Polen ohne Kerben,

Figur 2 einen Ausschnitt eines Stators mit jeweils einer als Mittelkerbe ausgebildeten Kerbe pro Pol,

Figur 3 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors nach einem ersten Ausführungsbeispiel und

Figur 4 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Figur 1 zeigt einen Anker 1 eines Rotor 2 einer als Gleichstrommotor ausgebildeten elektrischen Maschine 3. Der Anker 1 ist als vorwiegend zylinderförmiges Blechpaket ausgebildet, das in seinem Außenumfang 5 zehn Nuten 6 (N = 10) aufweist, zwischen denen - in Umfangsrichtung betrachtet - jeweils ein Pol 7 ausgebildet ist. Diese Pole 7 werden auch als Zähne bezeichnet. Jeder der Pole 7 weist am Außenumfang 5 des Ankers 1 beziehungsweise des Stators 2 einen verbreiterten Polkopf 8 auf, der eine Durchmesserkontur aufweist. Die verbreiterten Polköpfe 8 bilden verengte Nutöffnungen 9 der Nuten 6. Die Nutöffnungen befinden sich - in Umfangsrichtung gesehen - auf den Positionen 0°, 36°, 72°, ...., 324°. Die Pole 7 (Zähne) finden sich auf Positionen bei 18°, 54°, 90°, ..., 342°. Weist die elektrische Maschine 3 sechs nicht dargestellte Magnete auf (M = 6), so ergibt sich als Rastmomentgrundordnung die dreißigste Ordnung, als erste höhere Rastmomentordnung die sechzigste Ordnung, als zweite höhere Ordnung die neunzigste Ordnung, usw.. Die mitphasige Positionen für die Rastmomentgrundordnung sind dann bei 0° (360/30)°, (2 x 360/30)°, ..., 36°, usw.. Die Positionen der gegenphasigen Anordnung für die Rastmomentgrundordnung liegen bei (0,5 x 360/30)°, (1 ,5 x 360/30)°, (2,5 x 360/30)°..., 42°. Der Anker der Figur 1 weist an entsprechenden gegenphasigen Positionen jedoch keine Kerben 11 auf.

Die Figur 2 zeigt einen Ausschnitt eines Ankers 1 eines Rotors 2, der im Wesentlichen dem Rotor 2 der Figur 1 entspricht, sodass hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Die Polköpfe 8 der Pole 7 des Ankers 1 der Figur 2 weisen jeweils eine als Mittelkerbe 10 ausgebildete Kerbe 11 in der

Mitte jedes der Polköpfe 8 auf. Diese Mittelkerben 10 dienen zur Positionierung des Blechpakets 4 bei dessen Bewicklung mit nicht dargestelltem Wicklungsdraht.

5 Die Figur 3 zeigt einen Ausschnitt eines Ankers 1 eines Rotors 2, der im Wesentlichen dem Rotor der Figur 1 entspricht, sodass hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Der Rotor 2 ist Teil einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 3, deren nicht dargestellter Stator sechs Magnete aufweist. Jede der Pole 7 weist an seinem Polkopf 8 vier Kerben io 11 auf. Die Kerben 11 sind Kerben 12, 13 zur Rastmomentreduzierung, die gegenphasig zur ersten höheren Rastmomentordnung der elektrischen Maschine mit sechs Magneten (M = 6) und zehn Polen (N = 10) angeordnet sind. Die gegenphasigen Positionen der ersten höheren Rastmomentordnung für diese elektrische Maschine 3 liegen bei (0,5 x 360/60)°, (1 ,5 x 360/60)°, 2,5 x

15 360/60°, ..., 39°. Die mitphasigen Positionen für die erste höhere

Rastmomentordnung liegen bei 0°, (360/60)°, (2 x 360/60)°, ..., 36°. Die Nutöffnung 9 weist eine Nutöffnungsbreite N und die Kerben 12, 13 zur Rastmomentreduzierung Kerbenbreiten K1 , K2 auf. Dabei entspricht die Summe der Quadrate der Kerbenbreiten K1 , K2 eines Pols 7 ungefähr dem halben

20 Quadrat der Nutöffnungsbreite N. Durch die Position und Breite der Kerben 12, 13 zur Rastmomentreduzierung wird die Rastmomentamplitude der ersten höheren Rastmomentordnung reduziert. Im Beispiel der Figur 3 und der Figur 4 ist dies die sechzigste Ordnung.

25 Die Figur 4 zeigt einen Ausschnitt eines Ankers 1 eines Rotors 2 in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Anker 1 entspricht im Wesentlichen dem Anker der elektrischen Maschine 3 der Figur 3, sodass hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Ebenso wie der Rotor 2 der Figur 3 weist der Rotor 2 der Figur 4 Kerben 12 zur Rastmomentreduzierung der

30 ersten höheren Rastmomentordnung einer elektrischen Maschine 3 mit sechs Magneten (M = 6) und zehn Polen (N = 10) auf. Die Position der Kerben 12 zur Rastmomentreduzierung der Figur 4 entspricht der Position der Kerben 12 zur Rastmomentreduzierung der Figur 3. Lediglich die Kerbenbreite K1 der Kerben 12 sind im Ausführungsbeispiel der Figur 4 gegenüber dem Ausführungsbeispiel

35 der Figur 3 erhöht, sodass die Summe der Quadrate der Kerbenbreiten K1 eines

Pols 7 in etwa dem halben Quadrat einer Nutöffnungsbreite N einer Nut 7 entspricht. Im Ausführungsbeispiel der Figur 4 ist nicht an jeder gegenpgasigen Position eine Kerbe 11 angeordnet.

Die elektrische Maschine 3 kann alternativ auch einen Stator mit Polen aufweisen, die an ihren Polköpfen 8 Kerben 12, 13 zur Rastmomentreduzierung aufweisen. Die Pol köpfe 8 des Stators sind dabei am Innenumfang des Stators angebracht. Die Berechnung der Rastmomentgrundordnung und der höheren Rastmomentordnungen ergibt sich analog aus der Anzahl der Nuten 6 beziehungsweise Pole 7 und der Anzahl der Magnete.