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WO2013041681A2 - Elektrische maschine - Google Patents

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Publication number
WO2013041681A2
WO2013041681A2 PCT/EP2012/068659 EP2012068659W WO2013041681A2 WO 2013041681 A2 WO2013041681 A2 WO 2013041681A2 EP 2012068659 W EP2012068659 W EP 2012068659W WO 2013041681 A2 WO2013041681 A2 WO 2013041681A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
teeth
air gaps
circumference
electrical machine
tooth
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2012/068659
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English (en)
French (fr)
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WO2013041681A3 (de
Inventor
Eike GARBE
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.)
Leibniz Universitaet Hannover
Original Assignee
Leibniz Universitaet Hannover
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leibniz Universitaet Hannover filed Critical Leibniz Universitaet Hannover
Publication of WO2013041681A2 publication Critical patent/WO2013041681A2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Publication of WO2013041681A3 publication Critical patent/WO2013041681A3/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/02—Synchronous motors
    • H02K19/10—Synchronous motors for multi-phase current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/02—Synchronous motors
    • H02K19/04—Synchronous motors for single-phase current
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/03—Machines characterised by aspects of the air-gap between rotor and stator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the invention relates to an electric machine having two main elements, namely a stator and a rotor, according to the further features of the preamble of claim 1.
  • the invention relates to the field of electromechanical energy conversion by means of electrical machines, ie motors and generators. These usually consist of two main elements, namely the stator and the rotor.
  • the invention relates to the field of electric induction machines, ie synchronous machines and induction machines, the latter also being referred to as asynchronous machines.
  • Such electrical machines are used for electromagnetic energy conversion.
  • motors electrical energy is converted into mechanical energy.
  • generators mechanical energy is converted into electrical energy.
  • the origin of the torque can be described from the interaction of the induction waves circulating in the air gap and the electrical fluxes of the windings.
  • the invention is therefore based on the object of specifying an electrical machine in which the suppression of harmonics in the air-gap induction can be improved in a cost-effective manner.
  • the electric machine has two main elements, namely a stator and a rotor, which is rotationally movable relative to the stator. At least one of the main elements has circumferentially distributed teeth, with air gaps being formed between the teeth heads of the teeth facing the other main element and the other main element. In the following, these air gaps are described as being “above” the teeth, even if the spatial location of the air gaps is dependent on the viewing or orientation of the machine, where the air gaps of the air gaps and / or the magnetic conductivities of the teeth are over the circumference of the electric machine uneven.
  • the invention has the advantage that cost-effective and structurally simple che way the air gap induction can be made uniform and can be approximated in particular to a desired spatially sinusoidal course. As a result, the unwanted harmonics can be largely suppressed.
  • the air gap widths are designed unevenly over the circumference of the electric machine.
  • the magnetic conductivities of the teeth over the circumference of the electric machine can be made uneven.
  • the magnetic conductivities, which result from one tooth each and the air gap formed by the tooth with the other main element are non-uniform over the circumference of the electrical machine, e.g. In the manner of a periodically repeating pattern, e.g. B. a sinusoidal, trapezoidal or similar curve.
  • the guide values and / or tooth lengths form steps on this curve. For this, the tooth lengths, the material of the teeth or other construction parameters can be varied accordingly.
  • the air gaps of the air gaps and / or the magnetic conductivities of the teeth are determined such.
  • the sinusoidal course in this case has a number of stages, which is due to the number of teeth.
  • the second main element can take on any shape and excitement.
  • the air gap induction B z in the region of the n-th tooth the value
  • B z (n) (t) B z - cos (px zW - ax + 0) (1).
  • p stands for the number of pole pairs of the electrical machine
  • ⁇ for the angular frequency of the main shaft
  • t for the time
  • ⁇ for a phase shift.
  • the tooth position x, n results in the case of evenly arranged grooves straight to
  • the air gaps of the air gaps and / or the magnetic conductivities of the teeth over the circumference of the electric machine are sco mlich distributed according to a periodically repeating pattern.
  • As a sinusoidal, trapezoidal or similar curve, in this case has a number of stages, which is due to the number of teeth.
  • the magnetic conductance of individual teeth or the air gap width below the teeth can be adapted accordingly.
  • a combination of both adaptation measures is also advantageously feasible.
  • the non-uniform field excitations at the teeth are compensated precisely by ⁇ inversely proportional magnetic conductivities, so that the same induction amplitudes result in the air gap above the teeth.
  • the air gaps of the air gaps are proportional and / or the magnetic conductivities of the teeth inversely proportional to
  • m indicates a numbering of a tooth according to FIG. 3
  • q indicates the number of grooves per pole and strand.
  • the stator induction distribution can be optimized so that there are hardly any harmonics.
  • This can be a meaningful design target depending on the type of electrical machine and is particularly advantageous in electrical machines that have only a small rotor-side field excitation.
  • it may also make sense to use the proportionality factor with which formula (3) is applied not the factor 1 or a value close to the factor 1, but a value of 0.5 or about 0.5.
  • the stator field can be improved with respect to the occurring harmonics, without taking a too large Shen influence on the rotor field. In particular, this can reduce the generation of harmonics in the rotor field, so that a for electric machines with strong rotor side field excitations good compromise results.
  • the distance between the centers of the respective grooves, which are formed between teeth, or the slot slots over the circumference of the main element is non-uniform.
  • the groove positions can be varied as needed.
  • the suppression of the harmonics can also be further improved with regard to the phase position of the induction.
  • individual grooves can be easily moved relative to a uniform spacing.
  • the groove positions ⁇ ( ⁇ ) can be defined in an advantageous embodiment of the invention with respect to the tooth positions x Z (n) as follows:) + 2 ⁇ - ⁇ ⁇ + ⁇ ) ( 4 ) where ⁇ represents a rotation of a main element ( Runner or stand) in the room.
  • a resulting geometry is shown by way of example in FIG.
  • the tooth position x z ⁇ n) is just to be chosen so that
  • the distances between the centers of the grooves or the slot slots are distributed over the circumference of the electric machine spatially according to a periodically repeating pattern having a number of stages, which is due to the number of teeth.
  • the pattern can be z. B. a sinusoidal, trapezoidal o- the similar curve.
  • the width of the teeth over the circumference of the main element is non-uniform. This also applies if the conductance values over the teeth and the overlying air gap are not or only slightly varied.
  • the tooth width can in particular be determined such that the induction has the same amplitude in all teeth. This has the advantage that harmonic-generating effects due to saturation phenomena and core losses can be minimized. NEN.
  • the ratio of the tooth widths at the level of the slot slots to the tooth widths on the groove bottom for all teeth of a main element is the same. This leads in particular to a combination of the variation of the air gap width and the groove positions to the same inductions in the teeth and an optimal harmonic suppression.
  • Figure 1 shows a sheet metal section of an induction machine
  • FIG. 2 shows an enlarged detail of FIG. 1 and FIG.
  • Figure 3 is a Zahn## istsschema for a strand
  • Figure 4 shows an electric machine with non-uniform air gap widths
  • Figure 5 shows an electric machine with uneven tooth widths
  • FIG. 6 shows a stepped sinusoidal profile of the air gap induction, the air gap width or the tooth width.
  • the electric machine 1 according to FIG. 1 has as main elements a stator 2 and a rotor 3.
  • the rotor 3 is rotatable relative to the stator 2, wherein the rotor 3 rotates about a shaft 4.
  • the stator 2 has teeth 5, between which grooves 7 are formed.
  • the teeth 5 have on their sides directed towards the rotor 3 tooth heads 6, which are wider in this example than the underlying areas of the teeth 5. Between the tooth tips 6 groove slots 8 are formed.
  • the grooves 7 are filled with the electrical conductors of the various strands of the stator winding.
  • the rotor 3 has grooves 9, in which electrical conductors of a rotor winding or conductor bars are arranged.
  • a coordinate x extends in the circumferential direction of the electric machine. 1
  • the electrical machine 1 shown in Figure 1 has air gap widths and groove positions of the stator 2, which are non-uniform over the circumference x of the electric machine 1.
  • FIG. 2 shows a section of the stator 2 and the rotor 3 of the electric machine 1 according to FIG. 1 with further details. Visible is the air gap width L w above a tooth 5, the slot width N B , the tooth width Z B below the tooth head 6, and the tooth width ZK B at the height of the payload slots 8, which can also be referred to as a tooth head width.
  • FIGS. 1 and 2 it can also be seen in FIGS. 1 and 2 that the groove positions vary with the same groove width over the circumference of the electric machine 1, which is realized in that the tooth widths Z B vary over the circumference.
  • the electric machine 1 is shown in sections for simplicity in a development in the plane.
  • FIG. 3 shows a tooth numbering scheme for one strand of the electrical machine 1.
  • a tooth numbering scheme is shown for an even number q of slots per pole and bank
  • the numbers represented below the teeth indicate the serial number m of a tooth 5 as used in equation (3).
  • FIG. 4 shows an example of a variation of the air gap width L w over the circumference x of the electric machine 1. For the individual air gaps, numbers in multiples of a nominal air gap are shown, as they apply to an infinitely high permeability of the iron.
  • FIG. 5 shows by way of example a variation of the tooth widths Z B with a constant tooth head width ZK B over the circumference x of the electric machine 1.
  • the specified numerical values are given in multiples of a nominal tooth width d.
  • FIG. 6 shows an example of such a sine function as a function of the starting coordinate x.
  • the air gap induction B z above the respective teeth the air gap width L w or the tooth width Z B can optionally be taken.
  • the stepped course deviates in places from the ideal sinusoidal course, which is shown in a thinner line.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1) mit zwei Hauptelementen (2, 3), nämlich einem Ständer (2) und einem Läufer (3), der gegenüber dem Ständer (2) rotatorisch bewegbar ist, wobei wenigstens eines der Hauptelemente (2, 3) über den Umfang verteilte Zähne (5) aufweist, wobei Luftspalte (10) zwischen den zum anderen Hauptelement (2, 3) gerichteten Zahnköpfen der Zähne (5) und dem anderen Hauptelement (2, 3) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspaltweiten (Lw) der Luftspalte (1 0) und/oder die magnetischen Leitwerte der Zähne (5) über den Umfang (x) der elektrischen Maschine (1) ungleichmäßig sind.

Description

Elektrische Maschine Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit zwei Hauptelementen, nämlich einem Ständer und einem Läufer, gemäß den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 .
Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der elektromechanischen Energie- Wandlung mittels elektrischer Maschinen, d. h. Motoren und Generatoren. Diese bestehen in der Regel aus zwei Hauptelementen, nämlich dem Ständer und dem Läufer. Insbesondere betrifft die Erfindung das Gebiet der elektrischen Drehfeldmaschinen, d. h. Synchronmaschinen und Induktionsmaschinen, wobei letztere auch als Asynchronmaschinen bezeichnet werden. Solche elektrischen Maschinen dienen der elektromagnetischen Energiewandlung. I m Fall von Motoren wird elektrische Energie in mechanische Energie gewandelt. I m Fall von Generatoren wird mechanische Energie in elektrische Energie gewandelt. Die Entstehung des Drehmomentes lässt sich dabei aus dem Zusammenwirken von im Luftspalt umlaufenden Induktionswellen und den elektrischen Durchflutun- gen der Wicklungen beschreiben. Bei solchen elektrischen Maschinen ist es in der Regel erwünscht, dass das Drehmoment im stationären Betrieb möglichst geringe Pendelungen zeigt und der Wirkungsgrad der Maschinen möglichst hoch ist. Aufgrund der Konstruktion solcher elektrischer Maschinen ergibt sich auch bei ideal sinusförmigen Stromverläufen ein räumlich nicht exakt sinusför- miger Induktionsverlauf im Luftspalt der Maschinen. Neben einer Hauptwelle entstehen Oberwellen. Für das gewünschte Drehmoment ist dabei die Hauptwelle maßgeblich. Die Oberwellen führen auf parasitäre Erscheinungen wie Pendelmomente (Dreh momentpulsationen), dem Grunddrehmoment entgegenwirkende asynchrone Drehmomente, Geräusche und Verluste. Ein häufiges Konstruktionsziel bei solchen elektrischen Maschinen ist daher, dass die Luftspaltinduktion einen möglichst geringen Oberwellenanteil aufweist. Hierzu wur- den elektrische Maschinen bisher zum Beispiel mit Sehnung und/oder Strang- verschachtelung konstruiert. Dies fü hrt zu einem erhöhten konstruktiven Aufwand und damit zu höheren Herstellungskosten dieser Maschinen . Zudem ist die Oberwellenunterdrückung verbesserungsbedürftig. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine anzugeben, bei der auf kostengünstige Weise die Unterdrückung von Oberwellen in der Luftspaltinduktion verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die i m Anspruch 1 angegebene elektrische Maschine gelöst. Die elektrische Maschine weist zwei Hauptelemente auf, nämlich einen Ständer und einen Läufer, der gegenüber dem Ständer rotatorisch bewegbar ist. Wenigstens eines der Hauptelemente weist über den Umfang verteilte Zähne auf, wobei Luftspalte zwischen den zu m anderen Hauptelement gerichteten Zahnköpfen der Zähne und dem anderen Hauptelement gebildet sind. I m Fol- genden werden diese Luftspalte als„oberhalb" der Zähne beschrieben, auch wenn die räu mliche Lage der Luftspalte abhängig von der Betrachtung bzw. Ausrichtung der Maschine ist. Hierbei sind die Luftspaltweiten der Luftspalte und/oder die magnetischen Leitwerte der Zähne über den Umfang der elektrischen Maschine ungleichmäßig.
Als Luftspaltweite wird dabei der magnetisch wirksame Abstand des Zahnes zum gegenüberliegenden Hauptelement bezeichnet, welcher sich bei Rotation des Läufers im Mittel ergibt. Die i m Folgenden angegebenen Induktionen beziehen sich i m Sinne einer einfacheren Darstellung grundsätzlich auf ein ge- zahntes Hauptelement gegenüber einem glatten nicht erregten anderen Hauptelement, wobei dies keine Bedingung für die Ausführung der Erfindung ist.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass auf kostengünstige und konstruktiv einfa- che Weise die Luftspaltinduktion vergleichmäßigt werden kann und dabei insbesondere an einen gewünschten räumlich sinusförmigen Verlauf angenähert werden kann. Hierdurch können die unerwünschten Oberwellen weitestgehend unterdrückt werden. Hierzu ist vorgesehen, dass die Luftspaltweiten über den Umfang der elektrischen Maschine ungleichmäßig gestaltet werden. Zusätzlich oder alternativ können auch die magnetischen Leitwerte der Zähne über den Umfang der elektrischen Maschine ungleichmäßig gestaltet werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die magnetischen Leitwerte, die aus je einem Zahn und dem durch den Zahn mit dem anderen Hauptelement gebildeten Luftspalt resultieren, über den Umfang der elektrischen Maschine ungleichmäßig sind, z. B. in der Art eines sich periodisch wiederholenden Musters, z. B. eines sinusförmigen, trapezförmigen oder ähnlichen Kurvenverlaufs. Dabei bilden die Leitwerte und/oder Zahnlängen Stufen auf diesem Kurvenverlauf. Hierzu können die Zahnlängen, das Material der Zähne oder sonstige Konstrukti- onsparameter entsprechend variiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Luftspaltweiten der Luftspalte und/oder die magnetischen Leitwerte der Zähne derart bestimmt, z. B. durch Berechnung, Versuche und/oder Simulationen, dass die in den Luftspalten gemessenen Induktionswerte über den Umfang der elektrischen Maschine räumlich im wesentlichen sinusförmig verteilt sind. Der sinusförmige Verlauf weist dabei eine Anzahl von Stufen auf, die durch die Zahl der Zähne bedingt ist. Für die Bestimmung der Luftspaltweiten bzw. der magnetischen Leitwerte der Zähne ist es vorteilhaft, von einem zweiten, den Zähnen gegenü- berliegenden Hauptelement auszugehen, das nicht erregt ist und zudem wenigstens an seiner zu den Zähnen des ersten Hauptelements gerichteten Seite glatt (ohne Zähne) ausgebildet ist. In der praktischen Realisierung der elektrischen Maschine kann das zweite Hauptelement aber jede beliebige Form und Erregung annehmen. Zur Erzielung eines möglichst oberwellenarmen Luftspalt- felds ist es günstig, möglichst viele Zähne vorzusehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei insgesamt N Zähnen die Luftspaltinduktion Bz im Bereich des n-ten Zahns den Wert
Bz(n) (t) = Bz - cos (pxzW - ax + 0) (1 ) hat.
Hierbei steht p für die Polpaarzahl der elektrischen Maschine, ω für die Kreisfrequenz der Hauptwelle, t für die Zeit und φ für eine Phasenverschiebung. Die Zahnposition x ,n ergibt sich i m Falle gleich mäßig angeordneter Nuten gerade zu
2π
(2)
N
Bei einer entsprechend hohen Zahl von Zähnen bzw. Nuten zwischen den Zäh- nen und den üblichen Strangzahlen elektrischer Maschinen befinden sich zwangsläufig Leiter desselben Strangs in nebeneinander liegenden Nuten. Dies führt zu einer nicht sinusförmigen Verteilung der Felderregung i m Bereich der Zähne und somit bei gleich mäßigem Aufbau der Zähne auf eine nicht sinusförmige I nduktionsverteilung i m Luftspalt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestal- tung der Erfindung sind die Luftspaltweiten der Luftspalte und/oder die magnetischen Leitwerte der Zähne über den Umfang der elektrischen Maschine räu mlich nach einem sich periodisch wiederholenden Muster verteilt. Das Muster, z. B. ein sinusförmiger, trapezförmiger oder ähnlicher Kurvenverlauf, weist dabei eine Anzahl von Stufen auf, die durch die Zahl der Zähne bedingt ist. Es kann somit der magnetische Leitwert einzelner Zähne oder die Luftspaltweite unterhalb der Zähne entsprechend angepasst werden . Auch eine Kombination aus beiden Anpassungsmaßnah men ist vorteilhaft realisierbar.
I n einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die ungleichmäßigen Felderregungen an den Zähnen gerade durch u mgekehrt proportionale magnetische Leitwerte kompensiert, sodass sich i m Luftspalt oberhalb der Zähne gleiche I nduktionsamplituden ergeben. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Luftspaltweiten der Luftspalte proportional und/oder die magnetischen Leitwerte der Zähne umgekehrt proportional zu
Figure imgf000007_0001
Hierbei gibt m eine Nummerierung eines Zahns gemäß Fig. 3 an, q gibt die Anzahl der Nuten je Pol und Strang an. Allgemein gilt, dass m = 2f ist, wenn q ge- radzahlig ist, und m = 2f+1 ist, wenn q ungeradzahlig ist, f ist eine laufende Nummer eines Zahns. Eine solche Auslegung führt insbesondere unter der Annahme einer hohen Permeabilität des Eisens zu einer besonders effizienten Oberwellenunterdrückung der Luftspaltinduktion. Bei elektrischen Maschinen mit hiervon deutlich abweichenden Permeabilitätswerten ist ggf. eine Anpas- sung der Auslegung an die reale Felderregung bzw. deren Kehrwert vorteilhaft. Die genannte Ausgestaltung eignet sich insbesondere für elektrische Maschinen mit ungesehnten Wicklungen.
Mit der gemäß Formel (3) angegebenen Verteilung der Luftspaltweiten der Luftspalte bzw. der magnetischen Leitwerte der Zähne kann z. B. die Ständerinduktionsverteilung derart optimiert werden, dass es kaum noch Oberwellen gibt. Dies kann je nach Art der elektrischen Maschine ein sinnvolles Auslegungsziel sein und ist insbesondere bei elektrischen Maschinen vorteilhaft, die nur eine geringe läuferseitige Felderregung aufweisen. Bei elektrischen Ma- schinen mit stärkeren läuferseitigen Felderregungen kann es auch sinnvoll sein, als Proportionalitätsfaktor, mit dem die Formel (3) angewandt wird, nicht den Faktor 1 oder einen nahe dem Faktor 1 liegenden Wert zu verwenden, sondern einen Wert von 0,5 oder ungefähr 0,5. In diesem Fall kann das Ständerfeld hinsichtlich der auftretenden Oberwellen verbessert werden, ohne einen allzu gro ßen Einfluss auf das Läuferfeld zu nehmen. Insbesondere kann hierdurch die Erzeugung von Oberwellen im Läuferfeld vermindert werden, so dass sich für elektrische Maschinen mit starken läuferseitigen Felderregungen ein guter Kompromiss ergibt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Abstand zwischen den Mittelpunkten der jeweiligen Nuten, die zwischen Zähnen gebildet sind, oder der Nutschlitze über den Umfang des Hauptelements ungleichmäßig. Hierdurch können die Nutpositionen nach Bedarf entsprechend variiert werden. Damit kann die Unterdrückung der Oberwellen auch im Hinblick auf die Phasenlage der Induktion weiter verbessert werden. Es können somit einzelne Nuten gegenüber einer gleichmäßigen Beabstandung leicht verschoben angeord- net werden. Die Nutpositionen χ(η) können in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in Bezug auf die Zahnpositionen xZ(n) wie folgt festgelegt werden : ) + 2<Ρ - χΐ +ϊ) (4) Dabei repräsentiert φ eine Verdrehung eines Hauptelements (Läufer oder Ständer) im Raum. Eine hierdurch entstehende Geometrie ist in der Figur 1 beispielhaft dargestellt. Die Zahnposition xz{n) ist gerade so zu wählen, dass
Gleichung (1 ) erfüllt wird. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Abstände zwischen den Mittelpunkten der Nuten oder der Nutschlitze über den Umfang der elektrischen Maschine räumlich nach einem sich periodisch wiederholenden Muster verteilt, das eine Anzahl von Stufen aufweist, die durch die Zahl der Zähne bedingt ist. Das Muster kann z. B. ein sinusförmiger, trapezförmiger o- der ähnlicher Kurvenverlauf sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Breite der Zähne über den Umfang des Hauptelements ungleichmäßig. Dies gilt auch dann, wenn die Leitwerte über die Zähne und den darüber liegenden Luftspalt nicht oder nur leicht variiert sind. Die Zahnbreite kann insbesondere derart festgelegt werden, dass die Induktion in allen Zähnen die gleiche Amplitude aufweist. Dies hat den Vorteil, dass oberwellenerzeugende Effekte in Folge von Sättigungserscheinungen und Ummagnetisierungsverluste minimiert werden kön- nen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verhältnis der Zahnbreiten auf Höhe der Nutschlitze zu den Zahnbreiten am Nutgrund für alle Zähne eines Hauptelements gleich. Dies führt insbesondere bei einer Kombination der Variation der Luftspaltweite und der Nutpositionen zu gleichen Induktionen in den Zähnen und einer optimalen Oberwellenunterdrückung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Ver- wendung von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 einen Blechschnitt einer Induktionsmaschine und
Figur 2 eine Ausschnittsvergrößerung von Figur 1 und
Figur 3 ein Zahnnummerierungsschema für einen Strang und
Figur 4 eine elektrische Maschine mit ungleichmäßigen Luftspaltweiten und
Figur 5 eine elektrische Maschine mit ungleichmäßigen Zahnbreiten und
Figur 6 einen gestuft sinusförmigen Verlauf der Luftspaltinduktion, der Luftspaltweite bzw. der Zahnbreite.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
Die Figur 1 zeigt schematisch einen Blechschnitt einer Induktionsmaschine mit p = 1 Polpaaren und q-ι = 4 Nuten je Pol und Strang. Die elektrische Maschine 1 gemäß Figur 1 weist als Hauptelemente einen Ständer 2 und einen Läufer 3 auf. Der Läufer 3 ist gegenüber dem Ständer 2 rotatorisch bewegbar, wobei sich der Läufer 3 um eine Welle 4 dreht. Der Ständer 2 weist Zähne 5 auf, zwischen denen Nuten 7 gebildet sind. Die Zähne 5 weisen an ihren zum Läufer 3 gerichteten Seiten Zahnköpfe 6 auf, die in diesem Beispiel breiter sind als die darunter liegenden Bereiche der Zähne 5. Zwischen den Zahnköpfen 6 sind Nutschlitze 8 gebildet. Die Nuten 7 werden mit den elektrischen Leitern der verschiedenen Stränge der Ständerwicklung gefüllt. Der Läufer 3 weist Nuten 9 auf, in denen elektrische Leiter einer Läuferwicklung bzw. Leiterstäbe angeordnet sind. Eine Koordinate x verläuft in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine 1 . Die in Figur 1 dargestellte elektrische Maschine 1 weist Luftspaltweiten und Nutpositionen des Ständers 2 auf, die über den Umfang x der elektrischen Maschine 1 ungleichmäßig sind. Die Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Ständer 2 und dem Läufer 3 der elektrischen Maschine 1 gemäß Figur 1 mit weiteren Details. Erkennbar ist die Luftspaltweite Lw oberhalb eines Zahnes 5, die Nutschlitzbreite NB, die Zahnbreite ZB unterhalb des Zahnkopfs 6, sowie die Zahnbreite ZKB auf Höhe der Nutzschlitze 8, die auch als Zahnkopfbreite bezeichnet werden kann.
In den Figuren 1 und 2 ist zudem erkennbar, dass die Nutpositionen bei gleicher Nutbreite über den Umfang der elektrischen Maschine 1 variieren, was dadurch realisiert ist, dass die Zahnbreiten ZB über den Umfang variieren. In den Figuren 3 bis 5 ist die elektrische Maschine 1 ausschnittsweise zur Vereinfachung in einer Abwicklung in die Ebene dargestellt.
Die Figur 3 zeigt ein Zahnnummerierungsschema für einen Strang der elektrischen Maschine 1 . In Abbildung (a) ist ein Zahnnummerierungsschema für eine geradzahlige Anzahl q von Nuten je Pol und Strang dargestellt, in Abbildung (b) das entsprechende Zahnnummerierungsschema für eine ungeradzahlige Anzahl q-, . Die jeweils unter den Zähnen dargestellten Zahlen geben die laufende Nummer m eines Zahns 5 an, wie sie in Gleichung (3) verwendet wird. Die Figur 4 zeigt eine beispiel hafte Variation der Luftspaltweite Lw über den U mfang x der elektrischen Maschine 1 . Zu den einzelnen Luftspalten sind jeweils Zahlenangaben in Vielfachen eines Nenn-Luftspalts ^ dargestellt, wie sie für eine unendlich hohe Permeabilität des Eisens gelten.
Die Figur 5 zeigt beispielhaft eine Variation der Zahnbreiten ZB bei gleich bleibender Zahnkopfbreite ZKB über den U mfang x der elektrischen Maschine 1 . Die angegebenen Zahlenwerte sind in Vielfachen einer Nenn-Zahnbreite d an- gegeben.
Die Figur 6 zeigt beispielhaft eine solche Sinusfunktion in Abhängigkeit der U mfangskoordinate x. Auf der Ordinatenachse sind, da es sich u m eine schematische Darstellung handelt, wahlweise die Luftspaltinduktion Bz oberhalb der jeweiligen Zähne, die Luftspaltweite Lw oder die Zahnbreite ZB zu entnehmen. I n Folge der endlichen Zahl von Zähnen des Hauptelements ergibt sich ein gestufter Verlauf, der mit den in fetten Linien wiedergegebenen Geradenstücken dargestellt ist. Der gestufte Verlauf weicht stellenweise von dem idealen sinusförmigen Verlauf, der in dünnerer Linie dargestellt ist, ab. Durch Erhöhung der Zahl der Zähne können die Abweichungen vom idealen Sinus mini miert werden.

Claims

Patentansprüche:
Elektrische Maschine (1 ) mit zwei Hauptelementen (2, 3), nämlich einem Ständer (2) und einem Läufer (3), der gegenüber dem Ständer (2) rotatorisch bewegbar ist, wobei wenigstens eines der Hauptelemente (2, 3) über den Umfang verteilte Zähne (5) aufweist, wobei Luftspalte (1 0) zwischen den zum anderen Hauptelement (2, 3) gerichteten Zahnköpfen der Zähne (5) und dem anderen Hauptelement (2, 3) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspaltweiten (Lw) der Luftspalte (1 0) und/oder die magnetischen Leitwerte der Zähne (5) über den Umfang (x) der elektrischen Maschine (1 ) ungleichmäßig sind.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspaltweiten (Lw) der Luftspalte (1 0) und/oder die magnetischen Leitwerte der Zähne (5) derart bestimmt sind, dass die in den Luftspalten (1 0) gemessenen Induktionswerte (Bz(n)) über den Umfang (x) der elektrischen Maschine (1 ) räumlich im wesentlichen sinusförmig verteilt sind, wobei der sinusförmige Verlauf eine Anzahl von Stufen aufweist, die durch die Zahl der Zähne (5) bedingt ist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspaltweiten (Lw) der Luftspalte (1 0) und/oder die magnetischen Leitwerte der Zähne (5) über den Umfang (x) der elektrischen Maschine (1 ) räumlich nach einem sich periodisch wiederholenden Muster verteilt sind, das eine Anzahl von Stufen aufweist, die durch die Zahl der Zähne (5) bedingt ist.
4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspaltweiten (Lw) der Luftspalte (1 0) proportional und/oder die magnetischen Leitwerte der Zähne (5) umgekehrt proportional zu
Figure imgf000012_0001
sind, wobei m = 2f ist, wenn q geradzahlig ist, und m = 2f+1 ist, wenn q ungeradzahlig ist, f eine laufende Nummer eines Zahns (5) angibt und q die Anzahl der Nuten (7) je Pol und Strang angibt.
5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen den Mittelpunkten der jeweiligen Nuten (7), die zwischen Zähnen (5) gebildet sind, oder der Nutschlitze (8) über den Umfang (x) der elektrischen Maschine (1 ) ungleichmäßig sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen den Mittelpunkten der Nuten (7) oder der Nutschlitze (8) über den Umfang (x) der elektrischen Maschine (1 ) räumlich nach einem sich periodisch wiederholenden Muster verteilt sind, das eine Anzahl von Stufen aufweist, die durch die Zahl der Zähne (5) bedingt ist.
7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breiten (ZB) der Zähne (5) über den Umfang (x) der elektrischen Maschine (1 ) ungleichmäßig sind.
8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Zahnbreiten (ZKB) auf Höhe der Nutschlitze (8) zu den Zahnbreiten (ZB) am Nutgrund für alle Zähne (5) eines Hauptelements (2, 3) gleich ist.
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