STATOR UND ELEKTRISCHE MASCHINE

Die vorliegende Anmeldung betri f ft einen Stator für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine mit dem Stator .

In den letzten beiden Jahrzehnten wurden bei Synchronmaschinen die sogenannten Fractional-Slot Concentrated Windings , FSCWs , zu Deutsch konzentrierte Bruchlochwicklung, in zahlreichen Anwendungen vermehrt eingesetzt . Gründe hierfür sind die einfache Herstellung und die attraktive Charakteristik wie beispielsweise ein gutes Verhältnis von Leistung zu Gewicht , geringe Kupferverluste , gute Fehlertoleranzen, nicht überlappende Spulen und kurze Wickelköpfe .

FSCWs können als Einschichtwicklung oder als Mehrschichtwicklung ausgeführt werden . Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung ist die Einschichtwicklung .

Bei derartigen Maschinen wird als Arbeitswelle häufig nicht die Grundwelle der magnetomotorischen Kraft verwendet , sondern eine höhere Harmonische , beispielsweise die fünfte oder die siebte Harmonische der magnetomotorischen Kraft .

Wünschenswert ist dabei , die Arbeitswelle im Verhältnis zu den anderen harmonischen Komponenten einschließlich der Grundwelle zu verstärken beziehungsweise die unerwünschten Komponenten der magnetomotorischen Kraft zu unterdrücken beziehungsweise zu verringern . Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst .

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben .

In einer Aus führungs form weist ein Stator für eine elektrische Maschine mehrere Statorzähne auf , die entlang des Umfangs des Stators verteilt und zwischen denen j eweils Nuten ausgebildet sind, wobei Spulen unterschiedlicher Phasen j eweils um zwischen den Nuten gebildete Zähne gewickelt sind . Die Anzahl der Phasen ist größer als drei .

Es handelt sich vorliegend um einen Stator für eine Maschine mit vier oder mehr verschiedene elektrischen Phasen, welche auch als Multiphasenmaschinen bezeichnet werden .

Zwischen den bewickelten Zähnen ist j eweils mindestens ein unbewickelter Zahn vorgesehen .

In einer Aus führungs form ist in mindestens einem der bewickelten Zähne eine Ausnehmung vorgesehen, welche im Wesentlichen in radialer Richtung ausgedehnt und im Zahnbereich angeordnet ist .

In einer Aus führungs form ist die Ausnehmung in dem mindestens einen unbewickelten Zahn vorgesehen, und im Wesentlichen in radialer Richtung ausgedehnt und im Zahnbereich angeordnet .

Mit andern Worten kann die in radialer Richtung ausgedehnter Ausnehmung im Bereich des unbewickelten Zahns vorgesehen sein, oder im Bereich eines bewickelten Zahns . In beiden Fällen wird durch die zusätzliche Ausnehmung im Zahnbereich die Arbeitswelle , beispielsweise die vierte oder sechste Harmonische der magnetomotorischen Kraft verstärkt , während andere signi fikante harmonische Anteile der magnetomotorischen Kraft , insbesondere die Grundwelle , deutlich reduziert werden .

In einer Aus führungs form weisen alle bewickelten Zähne des Stators oder alle unbewickelten Zähne des Stators eine vorstehend beschriebene Ausnehmung auf , die im Zahnbereich in radialer Richtung ausgedehnt ist .

Die Ausnehmung kann in einer Aus führungs form von einer dem Luftspalt zugewandten Seite des Stators , also in Richtung der Achse der Maschine , bis durch das Joch des Stators hindurch nach außen verlaufen .

In einer Aus führungs form bildet die Ausnehmung eine mechanische Barriere zur Reduzierung der Grundwelle des Magnetflusses .

Gemäß einer Aus führung ist der Abstand der Ausnehmungen voneinander in Umfangsrichtung gesehen dem doppelten Nutabstand entsprechend .

In einer Aus führungs form sind die Nuten in axialer Richtung verlaufend ausgebildet und zueinander parallel angeordnet .

In einer Aus führungs form ist der Stator so ausgebildet , dass als Arbeitswelle eine von der Grundwelle verschiedene höhere Harmonische der magnetomotorischen Kraft genutzt wird . In einer Aus führungs form ist in die Nuten eine mehrphasige Einschichtwicklung eingelegt , die die vorgenannten Spulen umfasst .

Die Einschichtwicklung kann Spulen von mindestens fünf verschiedenen Phasen umfassen .

In einer Aus führungs form haben alle Spulen den gleichen Wicklungssinn und die gleiche Spulenfolge .

In einer Aus führungs form kann j ede Spule von einer individuellen elektrischen Phase gespeist sein .

In einer anderen Aus führungs form sind die Statorzähne entlang des Umfangs des Stators abwechselnd bewickelt und unbewickelt .

Die Statorzähne können symmetrisch entlang des Umfangs des Stators verteilt sein . Das bedeutet , dass alle Nuten im Umfangsrichtung gesehen den gleichen Abstand voneinander haben .

In einer Aus führungs form ist eine elektrische Maschine mit einem vorstehend beschriebenen Stator und einem Rotor angegeben .

Der Rotor kann als PM-Rotor ausgebildet sein, so dass er eine Viel zahl von Permanentmagneten umfasst . Die Permanentmagneten können beispielsweise abwechselnd als Nordpol und Südpol magnetisiert sein . Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Prinzips sind nachfolgend an mehreren Aus führungsbeispielen anhand von Zeichnungen ersichtlich . Dabei zeigen :

Figur 1 ein Aus führungsbeispiel eines Stators für eine elektrische Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,

Figur 2 ein Diagramm der Flussdichteverteilung zu Figur 1 ,

Figur 3 ein Diagramm der harmonischen Komponenten zu Figur 1 ,

Figur 4 ein weiteres Aus führungsbeispiel eines Stators für eine elektrische Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,

Figur 5 ein Diagramm der Flussdichteverteilung zu Figur 4 ,

Figur 6 ein Diagramm der harmonischen Komponenten zu Figur 4 ,

Figur 7 ein Aus führungsbespiel einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,

Figur 8 ein weiteres Aus führungsbespiel einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,

Figur 9 ein weiteres Aus führungsbeispiel eines Stators für eine elektrische Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,

Figur 10 ein Diagramm der Flussdichteverteilung zu Figur 9 ,

Figur 11 ein Diagramm der harmonischen Komponenten zu Figur 9 , Figur 12 ein weiteres Aus führungsbeispiel eines Stators für eine elektrische Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,

Figur 13 ein Diagramm der Flussdichteverteilung zu Figur 12 ,

Figur 14 ein Diagramm der harmonischen Komponenten zu Figur 12 ,

Figur 15 ein weiteres Aus führungsbespiel einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,

Figur 16 ein weiteres Aus führungsbespiel einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,

Figur 17 ein weiteres Aus führungsbespiel einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip,

Figur 18 ein weiteres Aus führungsbespiel einer elektrischen

Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip und

Figur 19 ein Aus führungsbeispiel eines elektrischen Ersatzschaltbilds einer Multiphasenwicklung .

Figur 1 zeigt ein erstes Aus führungsbeispiel eines Stators für eine elektrische Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip .

Der Stator 1 umfasst insgesamt zehn Nuten 2 , die entlang des Umfangs verteilt und in axialer Richtung des Stators ausgedehnt sind . Zwischen den Nuten sind Statorzähne gebildet . In die Nuten ist eine fünfphasige einschichtige FSCW-Wicklung eingelegt , wobei die Spulen der j eweiligen Phase mit Al bis A5 bezeichnet sind . Die Spulen sind um Zähne 3 gewickelt , wobei zwischen den bewickelten Zähnen 3 j eweils ein unbewickelter Zahn 4 verbleibt . Die bewickelten Zähne 3 weisen j eweils eine Ausnehmung 5 auf , die sich in radialer Richtung erstreckt von der dem Luftspalt zugewandten Seite des Stators bis durch einen gegenüberliegenden Jochbereich hindurch .

Figur 2 zeigt die Flussdichteverteilung im Luftspalt im Vergleich der Aus führung nach Figur 1 mit einem herkömmlichen Stator, der wie in Figur 1 aufgebaut ist , j edoch keine Ausnehmungen 5 aufweist .

Figur 3 zeigt ebenfalls diesen Vergleich, j edoch anhand der Verteilung der Harmonischen der Flussdichteverteilung . Man erkennt , dass die vierte Harmonische verstärkt wird . Diese wird vorliegend als Arbeitswelle genutzt . Die Grundwelle , also die Harmonische erster Ordnung, ist deutlich reduziert , nämlich circa auf die Häl fte .

Figur 4 zeigt eine alternative Aus führung zu der Aus führung gemäß Figur 1 . In der Aus führung gemäß Figur 4 sind die Ausnehmungen 5 nicht im Zahnbereich der bewickelten Zähne 3 ausgebildet , sondern im Zahnbereich der unbewickelten Zähne 4 . Abgesehen davon stimmen die Aus führungen von Figuren 1 und

4 miteinander überein und werden an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben .

Wie sich aus den zugeordneten Diagrammen gemäß Figuren 5 und 6 zeigt , die wiederum zum einen die Flussdichteverteilung und zum anderen die Verteilung der harmonischen Komponenten beschreiben, ist hier die sechste Harmonische verstärkt durch die mechanischen Flussbarrieren mit den Ausnehmungen 5 , so dass die sechste Harmonische als Arbeitswelle genutzt wird . Die Grundwelle wird um über 50% reduziert . Man erkennt auch, dass nicht nur die Grundwelle reduziert wird, sondern auch andere Sub-Harmonische , also Harmonische mit einer Ordnungs zahl geringer als die Ordnungs zahl der Arbeitswelle , beispielsweise wird die vierte Harmonische ebenfalls signi fikant reduziert . Auch die zweite und dritte Harmonische werden reduziert , wenn auch auf niedrigerem Niveau .

Figur 7 zeigt ein Aus führungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit dem Stator von Figur 1 und zusätzlich einem innenliegenden Rotor 6 . Der Rotor 6 ist als PM-Rotor ausgebildet mit acht entlang seines Umfangs verteilten Permanentmagneten, die beispielsweise abwechselnd als Nord- und Südpol magnetisiert sind und insgesamt vier Polpaare bilden . Die vier Polpaare sind abgestimmt auf die Arbeitswelle , nämlich die vierte Harmonische .

Figur 8 zeigt ein Aus führungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit dem Stator 1 ' von Figur 4 und einem Rotor 7 , welcher insgesamt 12 Permanentmagneten entlang seines Umfangs aufweist und damit die Polpaarzahl von sechs realisiert . Die Polpaarzahl sechs ist abgestimmt auf die Arbeitswelle dieses Aus führungsbeispiels , nämlich die sechste Harmonische der magnetomotorischen Kraft .

Figur 9 zeigt ausgehend von Figur 1 ein anderes Aus führungsbeispiel eines Stators für eine elektrische Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip . Die Aus führungen gemäß Figur 1 und Figur 9 verbindet miteinander, dass auch bei Figur 9 die Ausnehmungen 5 j eweils im Bereich der bewickelten Zähne 3 vorhanden und ebenfalls radial ausgedehnt sind . Im Unterschied zu Figur 1 zeigt Figur 9 nicht Spulen zu fünf elektrischen Phasen, sondern es sind insgesamt sieben Spulen, die sieben elektrischen Phasen zugeordnet sind, vorhanden . Die entlang des Umfangs verteilten Spulen sind mit Al bis A7 bezeichnet . Wie in Figur 1 ist j eder zweite Zahn unbewickelt . Die unbewickelten Zähne sind mit Bezugs zeichen 4 versehen . Diese weisen keine Ausnehmung 5 auf . Auch hier handelt es sich um eine einschichtige FSCW-Wicklung .

Die Wirkungsweise der Ausnehmungen 5 als mechanische Flussbarriere ist wiederum in den beiden nachfolgenden Figuren 10 und 11 ersichtlich . Figur 10 zeigt einen Vergleich der Flussdichteverteilung im Luftspalt zwischen dem Stator gemäß Figur 9 und einem konventionellen Stator ohne Ausnehmungen 5 , während Figur 11 diesen Vergleich für die Harmonischen im Luftspalt beschreibt . Es ist deutlich erkennbar, dass die sechste Harmonische hier verstärkt wird und als Arbeitswelle genutzt wird . Die Grundwelle wird sehr deutlich reduziert , von nahezu 0 , 2 Tesla auf circa 0 , 05 . Auch andere signi fikante harmonische Komponenten wie die achte und die drei zehnte werden mit der Aus führungs form gemäß Figur 9 deutlich reduziert . Die übrigen harmonischen Komponenten kommen praktisch sowieso nicht vor .

Figur 12 zeigt eine Abwandlung der Aus führung von Figur 9 , die ebenfalls Spulen von sieben verschiedenen Phasen umfasst und in Aufbau und Wirkungsweise derj enigen von Figur 9 weitgehend entspricht . Der Unterschied ist lediglich, dass die Ausnehmungen 5 nicht im Bereich der bewickelten Zähne 3 vorgesehen sind, sondern ähnlich wie in Figur 4 im Bereich der unbewickelten Zähne 4 . Das bedeutet , dass j eder zweite Zahn, nämlich gerade die unbewickelten Zähne 4 , eine Ausnehmung 5 aufweist , die sich wiederum vom Luftspalt bis durch das Joch hindurch erstreckt . Anhand der beiden Diagramme gemäß Figuren 13 und 14 , die die Flussdichteverteilung im Luftspalt beziehungsweise die Verteilung der harmonischen Komponenten im Luftspalt beschreiben, wird deutlich, dass hier die achte Harmonische als Arbeitswelle genutzt wird und die signi fikanten Sub- Harmonischen davon, nämlich die erste und sechste Harmonische , reduziert werden aufgrund der als mechanisch Flussbarriere wirkenden Ausnehmungen 5 .

Figur 15 zeigt wiederum eine Aus führungs form nach dem vorgeschlagenen Prinzip einer elektrischen Maschine mit dem Stator von Figur 9 und einem Rotor 8 , der hier 12 Pole realisiert durch 12 Permanentmagnete aufweist . Damit ergibt sich eine Polpaarzahl von sechs , die an die Arbeitswelle , nämlich die sechste Harmonische angepasst ist .

Entsprechend zeigt Figur 16 ein Aus führungsbeispiel des Stators gemäß Figur 12 kombiniert mit einem Rotor 9 , welcher 16 Permanentmagneten aufweist zur Realisierung einer Polpaarzahl von acht . Die Polpaarzahl von acht ist angepasst an die Nutzung der achten Harmonischen als Arbeitswelle wie bereits anhand von Figuren 12 bis 14 beschrieben .

Figur 17 zeigt ausgehend von Figur 15 eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator gemäß Figur 17 nicht sieben Spulen umfasst , die j eweils einer von sieben unterschiedlichen elektrischen Phasen zugeordnet sind, sondern acht . Auch hier ist eine multiphasige Einschichtwicklung der FSCW-Konf iguration gezeigt , wobei j eder Phase genau eine Spule zugeordnet ist . Weiterhin ist ein 14-poliger PM-Rotor 10 vorgesehen . In dem Stator 1 gemäß Figur 17 sind wiederum Ausnehmungen 5 in Zahnbereich 3 der bewickelten Zähne vorgesehen, wobei die unbewickelte Zähne 4 keine Ausnehmung aufweisen .

Figur 18 zeigt eine noch weitere Aus führungs form nach dem vorgeschlagenen Prinzip anhand einer elektrischen Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator in Erweiterung der Aus führung von Figur 17 nicht nur acht Spulen aufweist , die acht elektrischen Phasen zugeordnet sind, sondern neun . Die Spulen sind mit Al bis A9 bezeichnet und j eder elektrischen Phase ist genau eine Spule zugeordnet . Der zugeordnete Rotor 11 weist 16 Pole auf .

Figur 19 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Multiphasen-Wicklungssystems , wie es in den vorangegangenen Aus führungsbeispielen einsetzbar ist . Man erkennt , dass die j eder Phase Al bis AK zugeordneten Spulen von eine Multiphasen-Stromsystem gespeist werden, so dass j ede Spule von einem eigenen individuellen Phasenstrom angesteuert ist , der zu den anderen Phasenströmen zumindest phasenversetzt ist .

Die vorgenannten Aus führungsbeispiele gemäß den gezeigten Figuren weisen Gemeinsamkeiten auf , die sich mathematisch beschreiben lassen . So ist bei allen Aus führungsbeispielen die Anzahl der Phasen gleich der halben Anzahl der Statornuten . Weiterhin ist j eweils mindestens ein unbewickelter Zahn zwischen den mit Spulen bewickelten Zähnen vorhanden . Die Statorzähne weisen insgesamt mindestens eine Ausnehmung 5 auf . Wenn die Ausnehmung 5 auf einem bewickelten Statorzahn vorhanden ist , dann ergibt sich die Arbeitswelle aus der Anzahl der Phasen minus eins . Wenn hingegen die Ausnehmung bei einem unbewickelten Statorzahn vorhanden ist , dann ergibt sich die Arbeitswelle gemäß der Anzahl der Phasen plus eins .

Weiterhin ist fest zustellen, dass sich die Arbeitswelle für einen Stator ohne Ausnehmung geringer ergibt als für einen Stator mit Ausnehmung .

In allen Aus führungsbeispielen haben zudem alle Spulen den gleichen Wicklungssinn und die gleiche Spulenfolge .

Jeder zweite Statorzahn ist mit einer einzelnen

Wicklungsspule bewickelt , während die dazwischen liegenden Statorzähne unbewickelt bleiben . Jede Statorspule wird mit ihrem eigenen Phasenstrom gespeist , der individuell erzeugt wird, und repräsentiert eine individuelle Phasenwicklung .

Bezugs zeichenliste

1 Stator

I ' Stator 2 Nut

3 Zahn, bewickelt

4 Zahn, unbewickelt

5 Ausnehmung

6 Rotor 7 Rotor

8 Rotor

9 Rotor

10 Rotor

I I Rotor Al...AK Spulen unterschiedlicher Phasen