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WO2006058871A2 - Hochpolige permanenterregte synchronmaschine mit zahnspulen - Google Patents

Hochpolige permanenterregte synchronmaschine mit zahnspulen Download PDF

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WO2006058871A2
WO2006058871A2 PCT/EP2005/056265 EP2005056265W WO2006058871A2 WO 2006058871 A2 WO2006058871 A2 WO 2006058871A2 EP 2005056265 W EP2005056265 W EP 2005056265W WO 2006058871 A2 WO2006058871 A2 WO 2006058871A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
synchronous machine
magnet synchronous
permanent magnet
grooves
machine according
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2005/056265
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English (en)
French (fr)
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WO2006058871A3 (de
Inventor
Rolf Vollmer
Holger Schunk
Erich Bott
Matthias Braun
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Priority to JP2007543835A priority patent/JP4792469B2/ja
Priority to CN2005800413520A priority patent/CN101069337B/zh
Publication of WO2006058871A2 publication Critical patent/WO2006058871A2/de
Publication of WO2006058871A3 publication Critical patent/WO2006058871A3/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems
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    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/18—Windings for salient poles
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings

Definitions

  • the invention relates to a permanent-magnet synchronous machine with a rotor and with a stator, which contains a dreistrnaturei- ges, constructed with tooth coils winding system.
  • Such a permanent magnet synchronous machine is currently used in various embodiments. Examples are described in DE 199 61 760 A1 and in DE 101 24 415 A1 .
  • a common machine type is a low number of reels, for example, three, always accompanied by a low Nutzpolzipiere, for example, one.
  • Such machines are operated at the base pole number of the stator.
  • so-called harmonic machines in which a number of pole pairs of the rotor corresponds to an integer multiple of the Grundpolzipress of the stator.
  • Such multi-pole Syn ⁇ chronmaschinen but have always a higher number of packages is provided, for example, a pole pair number of four, WO at. Usually then nine or twelve coils.
  • the stand has a total of six grooves and in ⁇ each of the grooves only turns of a single of the three tooth coils are arranged. In the circumferential direction then changes a wound tooth with a unwound tooth.
  • These single-layered dental coils each enclose a tooth and are structurally separated from one another by an unwound tooth. This results in a very good electrical insulation of the tooth coils against each other by design, without the need for separate insulation means should be used.
  • the tooth coils may be formed as prefabricated form coils. This simplifies the production considerably. This variant can be done without a stator core on the laminated ⁇ de winding of the teeth, which may otherwise involve a complex and thus cost-increasing threading technique.
  • the use of form coils also leads to a groove cross-section related to very high copper groove filling, whereby the ohmic coil resistance decreases and the utilization increases.
  • the tooth coils each have a winding of several turns comprise and the respective windings are formed so that adjacent turns lie during operation at only slightly different ⁇ electrical potential.
  • the potential difference between adjacent turns is only a fraction of the electrical potential applied between the two coil leads.
  • the first turn connected to the one feeder line is also arranged within the winding in a locally separated manner from the last winding connected to the other feeder line. This can reduce the electric Isolationsauf ⁇ wall for used to make the tooth coils e- lektrischen conductor and a higher proportion of copper are introduced into the grooves.
  • the exact placement of the individual turns can be achieved particularly well by means of a preforming of preformed coils.
  • the grooves each have a turned supplied to the rotor ⁇ and implemented as open side, so that the in particular ⁇ sondere as pre-formed coils formed tooth coils can be used easily.
  • the open grooves cause an advantageous with respect to a sensorless operation Indukt foundeds .
  • the grooves each have two extending away from the rotor and parallel to each other angeord ⁇ designated side walls.
  • the parallel design is better suited for inserting preformed form coils and also allows for higher copper groove fill.
  • the grooves may continue to be covered with a NutverBankelement.
  • the latter is especially designed as a simple to produce and easy to place slotted tube.
  • the slot closure element is made of an electrically insulating and / or non-magnetic material. Then it does not affect either the magnetic or the electrical behavior. th the synchronous machine in an undesirable manner.
  • Example ⁇ example there is a slot closure element of a plastic or a ceramic.
  • Another variant is characterized in that a Magnetpolvereckung of 4/5, ie 80%, a pole pitch of the permanent magnets is provided on the rotor. This measure suppresses an interaction of rotor and stator magnetic field waves leading to a torque ripple. In particular, the fifth harmonic to the number of useful pole pairs is thus prevented, as a result of which at least a reduction of the undesirable torque ripple is achieved.
  • stator has a runner facing, a circumference, cylindrical boundary surface, which is in particular in a réelleläu ⁇ fer machine, the wall surface of the stator bore.
  • the grooves each have a slot slot width which is equal to the circumference divided by three times the useful pole pair number.
  • the permanent-magnet synchronous machine can be designed both with an internal rotor and with an external rotor.
  • the favorable embodiments described above can be used in both embodiments.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a high-pole permanent-magnet synchronous machine in cross-section
  • 2 shows a slot closure element of the permanent-magnet synchronous machine of FIG. 1
  • FIG. 1 shows an embodiment of a high-pole permanent-magnet synchronous machine in cross-section
  • FIG 3 shows a over the circumferential angle and to the pole pair number ⁇ brushed diagram of the electric loading in the stator of a permanent-magnet synchronous machine.
  • FIG 1 designed as a motor permanent-magnet synchronous machine 1 is shown in cross-sectional view. It comprises a stator 2 with a cylindrical stator bore and a rotor 3 arranged in the stator bore, which rotor is mounted rotatably about a rotation axis 4.
  • the rotor 3 is an inner rotor.
  • the stator 2 has on its the rotor 3 facing inner wall six grooves 5, between each of which teeth 6 and 7 are formed.
  • An outer circumferential yoke connects the teeth 6 and 7 together.
  • a three-strand winding system 8 is arranged with a total of three tooth coils 9, each of which is indicated in FIG 1 by a different hatching.
  • Each of the tooth coils 9 encloses one of the teeth 6, so that a wound tooth 6 alternates with an unwound tooth 7 in the circumferential direction. In each of the grooves 5 only turns of a single toothed coils 9 are arranged. These are therefore single-layered dental coils 9.
  • the grooves 5 have an almost parallelogram-shaped cross section. Two into the interior of the stand 2 horrre ⁇ ADORABLE groove side walls 10 and 11 are parallel to each other. Ei ⁇ ne runner facing the groove end face 12 is not flat, but formed bent according to the radius of curvature of the stator bore, so that only approximately parallel to an opposite groove bottom 13 is given. The Nutstirnseite 12 is completely open. Based on these Nutform the wound and the unwound teeth 6 and 7 have a different cross-sectional shape.
  • the special groove shape with the parallel groove side walls 10 and 11 and the open Nutstirnseite 12 allows a ⁇ design of the tooth coils 9 as prefabricated form of coils that can be easily inserted into the stand 2.
  • a closure element 14 in the form of a slotted art ⁇ material tube 15 is provided, which is shown in the perspective view of FIG 2. It contains at the points where it is pushed over the teeth 6 and 7, slots 16 and 17, the width of which differs according to the present at the bore wall width of the teeth 6 and 7 from each other.
  • the rotor 3 is provided with eight permanent magnets 18. This results for the permanent-magnet synchronous machine 1 a Nutzpolzipress p N of four. In the permanent-magnet synchronous machine 1 is thus a high-pole
  • a magnet width b M of the permanent magnets 18 is in te ⁇ z about the wound teeth 6 is a tooth width b.
  • the grooves 5 each have a slot slot width b N , which is equal to the divided by the threefold Nutzpolzipiere p N circumference of the cylindrical stator bore.
  • b N the groove slot width of 9.687 mm.
  • the permanent magnets 18 are arranged on the rotor 3, that a total of eight evenly distributed over the circumference ⁇ te magnetic poles 19 result.
  • a magnetic pole 19 is assigned a Poltei ⁇ lung ⁇ P, which is formed by an angular range of a circumferential angle ⁇ .
  • the permanent magnets 18 réellere ⁇ not CKEN in the circumferential direction over the entire angular range of the pole pitch ⁇ P, but only over a portion of x- ⁇ P.
  • the size x denotes a Polübereckung. It has a value less than one.
  • the pole covering x is 4/5, ie 80%.
  • the curves of FIG. 3 show curves of a current charge IB which is embossed in two of the toothed coils 9 of the winding system 8.
  • a groove slot width b N 18 ° and a coil width of 50 ° provided.
  • the permanent-magnet synchronous machine 1 can have an undesirable torque ripple, for which different causes are possible.
  • the torque contains a portion with a pen ⁇ delwindmoment.
  • P 0 is based on, wherein D is the diameter of the inner cylindrical boundary surface of the stator 2 and p 0, the number of pole pairs at which the cogging is to be suppressed for the first time, is designated.
  • D is the diameter of the inner cylindrical boundary surface of the stator 2
  • p the number of pole pairs at which the cogging is to be suppressed for the first time.
  • the groove slot width b N is given as the arc length. Analog is possible an equation, is given in place of the D- ⁇ circumference of the circumferential angle of 360 ° corresponding to one full revolution of ⁇ .
  • the resulting slot slot width b N is indicated as a circumferential angle segment in angular degrees.
  • the cause of the torque ripple in addition to groove locking, are also interactions of rotor and stator magnetic field waves in an air gap 20, which is present between the stator 2 and the rotor 3. Particularly disturbing are the fifth and the seventh harmonic wave to the useful wave of forming in the air gap 20 magnetic air gap field.
  • the fifth harmonics of the stator field and the rotor field rotate in the air gap 20 in opposite directions and he ⁇ thus witness detents at six times a Nutzpolzipiere p N. To suppress this fraction, it is sufficient if the fifth harmonic of either the stator field or the rotor field is kept low.
  • a winding system 8 in question which has a small winding factor at the fifth harmonic, or for the rotor field Polbe ⁇ cover, which leads to a low fifth harmonic of the rotor field.
  • the second variant is selected.
  • the pole coverage x with the value 4/5 is just chosen so that the fifth harmonic of the rotor field is effectively reduced.
  • the permanently excited synchronous machine 1 has further advantages. It can be used with very small external dimensions, such as with an outside diameter. knives of 40 or 72 mm. Nevertheless, operation at very high voltages of 600 V and more is possible. Due to the spatial separation of the tooth coils 9 by a respective unwound tooth 7, a high inherent electrical insulation is provided. The simple structure of the stand 2 is very well suited for segmentation and for a largely automated production.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

Die permanenterregte Synchronmaschine (1) hat einen Läufer (3) und einen Ständer (2), der ein dreisträngiges, mit Zahnspulen aufgebautes Wicklungssystem (8) enthält. Der Ständer (2) weist insgesamt drei oder sechs Nuten (5) auf, zwischen denen jeweils ein Zahn (6,7) gebildet ist. In den Nuten (5) sind insgesamt drei Zahnspulen (9) angeordnet, von denen jede einem der drei Wicklungsstränge zugeordnet ist. Es ist eine Nutzpolpaarzahl (pN) von vier oder fünf vorgesehen. Der Läufer (3) ist mit der doppelten Nutzpolpaarzahl (pN) gleichmäßig über den Umfang verteilter Permanentmagnete (18) versehen .

Description

Beschreibung
Hochpolige permanenterregte Synchronmaschine mit Zahnspulen
Die Erfindung betrifft eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem Läufer und mit einem Ständer, der ein dreisträngi- ges, mit Zahnspulen aufgebautes Wicklungssystem enthält.
Eine solche permanenterregte Synchronmaschine kommt derzeit in verschiedenen Ausführungsformen zum Einsatz. Beispiele sind in der DE 199 61 760 Al und in der DE 101 24 415 Al be¬ schrieben. Bei einem gängigen Maschinentyp geht eine niedrige Spulenzahl, von z.B. drei, stets mit einer niedrigen Nutzpolpaarzahl, von z.B. eins, einher. Derartige Maschinen werden bei der Grundpolpaarzahl des Ständers betrieben. Bekannt sind auch sogenannte Oberwellen-Maschinen, bei denen eine Polpaarzahl des Läufers einem ganzzahligen Vielfachen der Grundpolpaarzahl des Ständers entspricht. Solche hochpoligen Syn¬ chronmaschinen haben z.B. eine Nutzpolpaarzahl von vier, wo- bei aber immer auch eine höhere Spulenanzahl vorgesehen ist. Üblich sind dann neun oder zwölf Spulen.
Bei der Auslegung dieser permanenterregten Synchronmaschinen wird insbesondere auf eine preiswerte Realisierung und eine möglichst hohe Ausnutzung geachtet. Die Ausnutzung ist defi¬ niert als erzielbares Drehmoment pro Bauvolumen. Weitere e- benfalls maßgebliche Kriterien betreffen die Möglichkeit zum Betrieb mit einer hohen, d.h. im Bereich einiger 100 V liegenden Spannung und eine möglichst geringe Baugröße. Trotz der vielen verfügbaren Varianten ist noch keine optimale Ausführungsform, die den genannten Anforderungen gleichermaßen gerecht wird, bekannt .
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine perma- nenterregte Synchronmaschine der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die eine hohe Ausnutzung aufweist und sich kostengünstig herstellen lässt. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen permanenterreg¬ ten Synchronmaschine handelt es sich um eine solche, bei der a) der Ständer insgesamt drei oder sechs Nuten aufweist, zwi- sehen denen jeweils ein Zahn gebildet ist, b) in den Nuten insgesamt drei Zahnspulen angeordnet sind, von denen jede einem der drei Wicklungsstränge zugeordnet ist, c) eine Nutzpolpaarzahl von vier oder fünf vorgesehen ist, und d) der Läufer mit der doppelten Nutzpolpaarzahl gleichmäßig über den Umfang verteilter Permanentmagnete versehen ist.
Aufgrund der mit einer hohen Nutzpolpaarzahl kombinierten niedrigen Spulenanzahl stellt die erfindungsgemäße Synchronmaschine eine deutliche Abkehr von den bislang üblichen Maschinenkonzepten dar, die stets eine Kombination von niedriger Spulenanzahl mit niedriger Nutzpolpaarzahl oder von hoher Spulenanzahl mit hoher Nutzpolpaarzahl enthalten. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass sich bei der für eine drei- strängige Synchronmaschine kleinstmöglichen Spulenanzahl von drei eine sehr hohe und verglichen mit den bekannten Ausführungsformen auch deutlich verbesserte Ausnutzung erzielen lässt, wenn eine hochpolige Auslegung mit einer Nutzpolpaar- zahl von vier oder fünf vorgesehen wird. Die aufgrund der niedrigen Spulenanzahl ebenfalls niedrige Nutanzahl trägt wie auch die Verwendung von Zahnspulen mit zu einer einfachen und damit preiswerten Herstellung der erfindungsgemäßen Maschine bei. Außerdem ermöglichen die niedrige Nutanzahl und die auf- grund der Zahnspulen resultierenden kleinen Wickelköpfe eine geringe Gesamtbaugröße.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen permanenterregten Synchronmaschine ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche. Vorzugsweise hat der Ständer insgesamt sechs Nuten und in je¬ der der Nuten sind nur Windungen einer einzigen der drei Zahnspulen angeordnet. In Umfangsrichtung wechselt sich dann ein bewickelter Zahn mit einem unbewickelten Zahn ab. Diese einschichtigen Zahnspulen umschließen jeweils einen Zahn und sind durch einen unbewickelten Zahn baulich voneinander getrennt. Dadurch ergibt sich konstruktionsbedingt eine sehr gute elektrische Isolation der Zahnspulen gegeneinander, ohne dass hierfür gesonderte Isolationsmittel eingesetzt werden müssten. Außerdem weist diese Ausführungsform mit den sechs Nuten eine besonders hohe Ausnutzung auf.
Bei einer weiteren Variante ist eine Zahnbreite der bewickel¬ ten Zähne gemäß
0,75•bM <bz <1,25-bM
dimensioniert, wobei mit bz die Zahnbreite der bewickelten Zähne und mit bM eine Magnetbreite der Permanentmagnete be- zeichnet ist. Dann resultiert eine besonders gute Magnet¬ flussführung. Die Kopplung des Magnetfeldes zwischen Ständer und Läufer ist sehr effizient. Insbesondere ist die Zahnbrei¬ te der bewickelten Zähne im Wesentlichen genauso groß wie die Magnetbreite der Permanentmagnete.
Weiterhin können die Zahnspulen als vorgefertigte Formspulen ausgebildet sein. Dies vereinfacht die Fertigung erheblich. Diese Variante kommt ohne eine am Ständerblechpaket erfolgen¬ de Bewicklung der Zähne aus, die andernfalls eine aufwändige und damit kostensteigernde Fädeltechnik beinhalten kann. Die Verwendung von Formspulen führt außerdem zu einer auf den Nutquerschnitt bezogenen sehr hohen Kupfer-Nutfüllung, wodurch der ohmsche Spulenwiderstand sinkt und die Ausnutzung steigt .
Eine andere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Zahnspulen jeweils eine Wicklung aus mehreren Windungen umfassen und die jeweiligen Wicklungen so ausgebildet sind, dass benachbarte Windungen während des Betriebs auf nur ge¬ ringfügig voneinander abweichendem elektrischem Potential liegen. Insbesondere beträgt die Potentialdifferenz zwischen benachbarten Windungen nur einen Bruchteil des zwischen den beiden Spulenzuleitungen anliegenden elektrischen Potentials. So ist also vor allem auch die mit der einen Zuleitung verbundene erste Windung innerhalb der Wicklung örtlich getrennt von der mit der anderen Zuleitung verbundenen letzten Wick- lung angeordnet. Dadurch kann der elektrische Isolationsauf¬ wand für die zur Herstellung der Zahnspulen verwendeten e- lektrischen Leiter reduziert und ein höherer Kupfer-Anteil in die Nuten eingebracht werden. Die genaue Platzierung der einzelnen Windungen lässt sich besonders gut mittels einer Vor- fertigung von Formspulen erzielen.
Vorzugsweise haben die Nuten jeweils eine dem Läufer zuge¬ wandte und offen ausgebildete Seite, so dass sich die insbe¬ sondere als vorgefertigte Formspulen ausgebildeten Zahnspulen leicht einsetzen lassen. Außerdem bewirken die offenen Nuten ein hinsichtlich eines geberlosen Betriebs vorteilhaftes Induktivitätsverhalten.
Weiterhin ist es günstig, wenn die Nuten jeweils zwei sich vom Läufer weg erstreckende und parallel zueinander angeord¬ nete Seitenwände aufweisen. Verglichen mit radial verlaufenden Seitenwänden ist die parallele Ausführung besser für ein Einsetzen vorgefertigter Formspulen geeignet und ermöglicht außerdem eine höhere Kupfer-Nutfüllung.
Um die Zahnspulen in den Nuten zu sichern, können die Nuten weiterhin mit einem Nutverschlusselement abgedeckt sein. Letzteres ist insbesondere als einfach herzustellendes und leicht zu platzierendes geschlitztes Rohr ausgebildet. Vor- zugsweise ist das Nutverschlusselement aus einem elektrisch isolierenden und/oder nichtmagnetischen Material. Dann beein- flusst es weder das magnetische noch das elektrische Verhal- ten der Synchronmaschine in unerwünschter Weise. Beispiels¬ weise besteht das Nutverschlusselement aus einem Kunststoff oder einer Keramik.
Eine andere Variante ist dadurch ausgezeichnet, dass auf dem Läufer eine Magnetpolbedeckung von 4/5, also von 80 %, einer Polteilung der Permanentmagnete vorgesehen ist. Diese Maßnahme unterdrückt eine zu einer Drehmomentwelligkeit führenden Wechselwirkung von Läufer- und Ständer-Magnetfeldwellen. Ins- besondere wird so die fünfte Oberwelle zur Nutzpolpaarzahl unterbunden, wodurch zumindest eine Reduzierung der unerwünschten Drehmomentwelligkeit erreicht wird.
Ebenfalls günstig hinsichtlich der Vermeidung von Drehmoment- welligkeit ist eine Ausführungsform, bei der der Ständer eine dem Läufer zugewandte, einen Umfang aufweisende, zylindrische Begrenzungsfläche hat, die insbesondere bei einer Innenläu¬ fer-Maschine die Wandfläche der Ständerbohrung ist. Die Nuten weisen jeweils eine Nutschlitzbreite auf, die gleich dem durch die dreifache Nutzpolpaarzahl geteilten Umfang ist.
Diese Maßnahme unterdrückt ein sogenanntes Nutrasten bei der dritten Oberwelle zur Nutzpolpaarzahl sowie bei allen ganzzahligen Vielfachen zur dritten Oberwelle.
Die permanenterregte Synchronmaschine kann sowohl mit einem Innenläufer als auch mit einem Außenläufer ausgeführt sein. Das vorstehend beschriebenen günstigen Ausgestaltungen lassen sich bei beiden Ausführungsformen einsetzen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung er¬ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt:
FIG 1 ein Ausführungsbeispiel einer hochpoligen perma- nenterregten Synchronmaschine im Querschnitt, FIG 2 ein Nutverschlusselement der permanenterregten Synchronmaschine von FIG 1 und
FIG 3 ein über dem Umfangswinkel und ein über der Pol¬ paarzahl aufgetragenes Diagramm des Strombelags im Ständer einer permanenterregten Synchronmaschine.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In FIG 1 ist eine als Motor ausgebildete permanenterregte Synchronmaschine 1 in Querschnittsdarstellung gezeigt. Sie enthält einen Ständer 2 mit einer zylindrischen Ständerbohrung sowie einen in der Ständerbohrung angeordneten Läufer 3, der um eine Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Der Läufer 3 ist ein Innenläufer. Der Ständer 2 hat an seiner dem Läufer 3 zugewandten inneren Wandung sechs Nuten 5, zwischen denen jeweils Zähne 6 und 7 gebildet sind. Ein außen umlaufendes Joch verbindet die Zähne 6 und 7 miteinander. In den Nuten 5 ist ein dreisträngiges Wicklungssystem 8 mit insgesamt drei Zahnspulen 9 angeordnet, von denen jede in FIG 1 durch eine unterschiedliche Schraffur kenntlich gemacht ist.
Jede der Zahnspulen 9 umschließt einen der Zähne 6, so dass sich in Umfangsrichtung ein bewickelter Zahn 6 mit einem un- bewickelten Zahn 7 abwechselt. In jeder der Nuten 5 sind nur Windungen von einer einzigen der Zahnspulen 9 angeordnet. Es handelt sich also um einschichtige Zahnspulen 9.
Die Nuten 5 weisen einen fast parallelogrammförmigen Quer- schnitt auf. Zwei sich in das Innere des Ständers 2 erstre¬ ckende Nutseitenwände 10 und 11 sind parallel zueinander. Ei¬ ne dem Läufer zugewandte Nutstirnseite 12 ist nicht eben, sondern entsprechend dem Krümmungsradius der Ständerbohrung gebogen ausgebildet, so dass nur näherungsweise eine Paralle- lität zu einem gegenüberliegenden Nutboden 13 gegeben ist. Die Nutstirnseite 12 ist vollständig offen. Aufgrund dieser Nutform haben die bewickelten und die unbewickelten Zähne 6 bzw. 7 eine verschiedene Querschnittsform.
Die spezielle Nutform mit den parallelen Nutseitenwänden 10 und 11 und der offenen Nutstirnseite 12 ermöglicht eine Aus¬ gestaltung der Zahnspulen 9 als vorgefertigte Formspulen, die einfach in den Ständer 2 eingesetzt werden können.
Zur Lagesicherung der so eingesetzten Zahnspulen 9 ist ein Verschlusselement 14 in Gestalt eines geschlitzten Kunst¬ stoff-Rohres 15 vorgesehen, das in der perspektivischen Darstellung von FIG 2 gezeigt ist. Es enthält an den Stellen, an denen es über die Zähne 6 und 7 geschoben wird, Schlitze 16 bzw. 17, deren Breite entsprechend der an der Bohrungswand vorliegenden Breite der Zähne 6 bzw. 7 voneinander abweicht.
Der Läufer 3 ist mit acht Permanentmagneten 18 versehen. Dadurch ergibt sich für die permanenterregte Synchronmaschine 1 eine Nutzpolpaarzahl pN von vier. Bei der permanenterregten Synchronmaschine 1 handelt es sich also um eine hochpolige
Oberwellen-Maschine. Eine Magnetbreite bM der Permanentmagne¬ te 18 ist in etwa gleich einer Zahnbreite bz der bewickelten Zähne 6.
Die Nuten 5 weisen jeweils eine Nutschlitzbreite bN auf, die gleich dem durch die dreifache Nutzpolpaarzahl pN geteilten Umfang der zylindrischen Ständerbohrung ist. Im Ausführungsbeispiel liegt bei einem Bohrungsdurchmesser D von 37 mm somit eine Nutschlitzbreite bN von 9,687 mm vor.
Die Permanentmagnete 18 sind so auf dem Läufer 3 angeordnet, dass sich insgesamt acht gleichmäßig über den Umfang verteil¬ te Magnetpole 19 ergeben. Einem Magnetpol 19 ist eine Poltei¬ lung τP zugewiesen, die durch einen Winkelbereich eines Um- fangswinkels α gebildet ist. Die Permanentmagnete 18 erstre¬ cken sich in Umfangsrichtung nicht über den gesamten Winkelbereich der Polteilung τP, sondern nur über einen Teil x-τP. Die Größe x bezeichnet dabei eine Polbedeckung. Sie hat einen Wert kleiner als eins. Im Ausführungsbeispiel liegt die Pol¬ bedeckung x bei 4/5, also bei 80%.
Im Folgenden werden die Wirkungsweise und Vorteile der perma¬ nenterregten Synchronmaschine 1 näher beschrieben.
Sie weist aufgrund der bislang unbekannten Kombination der niedrigen Nutanzahl (oder Spulenanzahl) mit der hohen Nutz- polpaarzahl pN eine besonders hohe Ausnutzung auf.
Eine niedrige Nutanzahl ist - wie auch die Verwendung der Zahnspulen 9 - günstig für eine kleine Baugröße und eine kos¬ tengünstige Herstellung. Darüber hinaus wurde herausgefunden, dass die beiden Polpaarzahlen p vier und fünf eine herausragende Stellung genießen.
Bei kleineren Polpaarzahlen p von eins oder zwei ist eine relativ große Jochhöhe im Ständer 2 erforderlich, so dass die Nutquerschnittsfläche bezogen auf die gesamte Querschnitts¬ fläche des Ständers 2 klein wird. Dadurch ergibt sich nur ei¬ ne verhältnismäßig kleine Kupfer-Nutfüllung. Außerdem resul¬ tiert aufgrund der dann relativ großen Wickelköpfe nur ein niedriger Wickelfaktor. Letzterer und die niedrige Nutquer- schnittsfläche führen zur Erhöhung des ohmschen Widerstands des Wicklungssystems 8. Demgegenüber ist bei einer Polpaar¬ zahl p von vier oder fünf der ohmsche Widerstand deutlich kleiner.
Bei höheren Polpaarzahlen p von sieben und mehr nimmt ein im Ständer 2 bei einer sinnvollen Nutschlitzbreite bN erzielba¬ rer Strombelag IB ab. Ebenso sinkt die Magnetbreite bM der Permanentmagnete 18. Weiterhin treten höhere Frequenzen auf, wodurch die Eisenverluste im Ständer 2 steigen. Dies alles führt zu einem Absinken der Ausnutzung verglichen mit dem erfindungsgemäß erkannten Optimum bei den Polpaarzahlen p von vier oder fünf. Im Ausführungsbeispiel ist deshalb für die Nutzpolpaarzahl pN der Wert vier vorgesehen. Durch Variation der Nutschlitzbreite bN und der (mittleren) Spulenweite der Zahnspulen 9 lässt sich ein Ständermagnetfeld mit einem dominanten Anteil bei der Polpaarzahl p = 4 einstellen.
Für einen so ausgelegten Ständer 2 sind in den Diagrammen von FIG 3 Verläufe eines Strombelags IB dargestellt, der in zwei der Zahnspulen 9 des Wicklungssystems 8 eingeprägt ist. Es ist eine Nutschlitzbreite bN von 18° und eine Spulenweite von 50° vorgesehen. Im oberen Diagramm ist der Strombelag IB über dem Umfangswinkel α, im unteren über der Polpaarzahl p aufgetragen, wobei der Verlauf des unteren Diagramms mittels ei¬ ner Fouriertransformation aus dem des oberen Diagramms be- stimmt ist. Aus dem unteren Diagramm geht hervor, dass die als Nutzpolpaarzahl pN vorgesehene Polpaarzahl p = 4 dominant ist .
Während des Betriebs kann die permanenterregte Synchronma- schine 1 eine unerwünschte Drehmomentwelligkeit aufweisen, für die verschiedene Ursachen in Frage kommen.
Zum einen führen Reluktanzkräfte zwischen den Permanentmagne¬ ten 18 und den Zähnen 6 und 7 zu zyklischen Schwankungen des magnetischen Leitwerts und verursachen ein Nutrasten. Als
Konsequenz enthält das Drehmoment einen Anteil mit einem Pen¬ deldrehmoment .
Mittels der im Ausführungsbeispiel gewählten speziellen Di- mensionierung der Nutzschlitzbreite bN wird das Nutrasten bei der dritten Oberwelle zur Nutzpolpaarzahl pN, also bei der Polpaarzahl p = 12, sowie bei allen ganzzahligen Vielfachen der Polpaarzahl p = 12 unterdrückt. Hierbei ist die allgemein gültige Beziehung:
D-π
K= (D
P0 zugrunde gelegt, wobei mit D der Durchmesser der inneren zylindrischen Begrenzungsfläche des Ständers 2 und mit p0 die Polpaarzahl, bei der das Nutrasten erstmals unterdrückt werden soll, bezeichnet ist. Bei Anwendung von Gleichung (1) er- gibt sich die Nutschlitzbreite bN als Bogenlänge. Analog ist eine Gleichung möglich, bei der anstelle des Umfangs D-π der Umfangswinkel von 360° entsprechend einem Vollumlauf an¬ gegeben ist. Die dann resultierende Nutschlitzbreite bN ist als Umfangswinkelsegment in Winkelgrad angegeben.
Ursächlich für die Drehmomentwelligkeit sind neben dem Nut¬ rasten auch Wechselwirkungen von Läufer- und Ständer- Magnetfeldwellen in einem Luftspalt 20, der zwischen dem Ständer 2 und dem Läufer 3 vorhanden ist. Besonders störend sind die fünfte und die siebte Oberwelle zur Nutzwelle des sich im Luftspalt 20 ausbildenden magnetischen Luftspaltfeldes .
Die fünften Oberwellen des Ständerfelds und des Läuferfelds drehen im Luftspalt 20 in entgegengesetzte Richtungen und er¬ zeugen somit Rastungen bei dem Sechsfachen einer Nutzpolpaarzahl pN. Um diesen Anteil zu unterdrücken, ist es ausreichend, wenn die fünfte Oberwelle entweder des Ständerfelds oder des Läuferfelds gering gehalten wird. Als Unterdrü- ckungsmaßnahme kommt für das Ständerfeld ein Wicklungssystem 8 in Frage, das bei der fünften Oberwelle einen geringen Wicklungsfaktor aufweist, oder für das Läuferfeld eine Polbe¬ deckung, die zu einer niedrigen fünften Oberwelle des Läuferfelds führt. Im Ausführungsbeispiel ist die zweite Variante gewählt. Die Polbedeckung x ist mit dem Wert 4/5 gerade so gewählt, dass die fünfte Oberwelle des Läuferfelds wirksam reduziert wird.
Neben der hohen Ausnutzung, der kostengünstigen Herstellung und der niedrigen Drehmomentwelligkeit hat die permanenter¬ regte Synchronmaschine 1 weitere Vorteile. So kann sie mit sehr kleinen Außenabmessungen, wie z.B. mit einem Außendurch- messer von 40 oder 72 mm, realisiert werden. Trotzdem ist ein Betrieb an sehr hohen elektrischen Spannungen von 600 V und mehr möglich. Aufgrund der räumlichen Trennung der Zahnspulen 9 durch jeweils einen unbewickelten Zahn 7 ist eine hohe in- härente elektrische Isolation gegeben. Der einfache Aufbau des Ständers 2 eignet sich sehr gut zur Segmentierung und für eine weitgehend automatisierte Fertigung.
Damit erschließt sich ein breites Einsatzspektrum, das den Bereich der Servomotoren aber vor allem auch einfache Motoranwendungen umfasst.

Claims

Patentansprüche
1. Permanenterregte Synchronmaschine mit einem Läufer (3) und mit einem Ständer (2), der ein dreisträngiges, mit Zahnspulen (9) aufgebautes Wicklungssystem (8) enthält, wobei a) der Ständer (2) insgesamt drei oder sechs Nuten (5) auf¬ weist, zwischen denen jeweils ein Zahn (6, 7) gebildet ist, b) in den Nuten (5) insgesamt drei Zahnspulen (9) angeordnet sind, von denen jede einem der drei Wicklungsstränge zuge¬ ordnet ist, c) eine Nutzpolpaarzahl (pN) von vier oder fünf vorgesehen ist, und d) der Läufer (3) mit der doppelten Nutzpolpaarzahl (pN) gleichmäßig über den Umfang verteilter Permanentmagnete (18) versehen ist.
2. Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 1, da¬ durch gekennzeichnet , der Ständer (2) insgesamt sechs Nuten (5) aufweist und in jeder der Nuten (5) nur Windungen einer einzigen der drei Zahnspulen (9) angeordnet sind, so dass sich in Umfangsrichtung ein bewickelter Zahn (6) mit einem unbewickelten Zahn (7) abwechselt.
3. Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass eine Zahnbreite (bz) der bewickelten Zähne (6) gemäß
0,75•bM <bz <1,25-bM
dimensioniert ist, wobei mit bz die Zahnbreite der bewickel¬ ten Zähne (6) und mit bM eine Magnetbreite der Permanentmag¬ nete (18) bezeichnet ist.
4. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Zahnspulen (9) als vorgefertigte Formspulen ausgebildet sind.
5. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Zahnspulen (9) jeweils eine Wicklung aus mehreren Windungen umfassen und die jeweiligen Wicklungen so ausgebildet sind, dass benachbarte Windungen während des Betriebs auf nur geringfügig voneinander abweichendem elektrischem Potential liegen.
6. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Nuten (5) jeweils eine dem Läufer (3) zugewandte und of- fen ausgebildete Seite (12) aufweisen.
7. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Nuten (5) jeweils zwei sich vom Läufer (3) weg erstre- ckende und parallel zueinander angeordnete Seitenwände (10, 11) aufweisen.
8. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Nuten (5) mit einem Nutverschlusselement (14) abgedeckt sind.
9. Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 8, da¬ durch gekennzeichnet , dass das Nutverschlussele- ment (14) als geschlitztes Rohr (15) ausgebildet ist.
10. Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , dass das Nutverschluss¬ element (14) aus einem elektrisch isolierenden Material be- steht.
11. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der Ansprü¬ che 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass das Nutverschlusselement (14) aus einem nichtmagnetischen Material besteht.
12. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass auf dem Läufer (3) eine Polbedeckung (x) von 80% einer Polteilung (τP) der Permanentmagnete (18) vorgesehen ist.
13. Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Ständer (2) eine dem Läufer (3) zugewandte zylindrische Begrenzungsfläche mit einem Umfang hat und die Nuten (5) je- weils eine Nutschlitzbreite (bN) aufweisen, die gleich dem durch die dreifache Nutzpolpaarzahl (pN) geteilten Umfang ist .
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