WO2014166872A2

WO2014166872A2 - Elektrische maschine

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Publication number: WO2014166872A2
Application number: PCT/EP2014/056936
Authority: WO
Inventors: Gurakuq Dajaku
Original assignee: Feaam Gmbh
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2014-04-07
Publication date: 2014-10-16
Also published as: DE102013103665A1; US10250091B2; CN105284033B; WO2014166872A3; US20160308415A1; CN105284033A

Abstract

Es ist eine elektrische Maschine angegeben, die einen Stator (I) und einen relativ zum Stator beweglichen Rotor (2) umfasst. Der Stator (1) weist eine erste mehrsträngige Wicklung (I) und zumindest eine zweite mehrsträngige Wicklung (II) auf, die jeweils zwei zueinander mechanisch verschobene Teilwicklungen (A1, A2) umfassen. In einer Nut (3) des Stators ist jeweils eine Anzahl von Windungen (Nwl) der ersten Teilwicklung (A1) einer mehrsträngigen Wicklung verschieden von einer Anzahl (Nw2) von Windungen der zweiten Teilwicklung (A2) dieser mehrsträngigen Wicklung. Der Stator (1) hat eine verdoppelte Anzahl von Nuten (3) bezüglich der bei gegebener Polpaarzahl p des Rotors (2) minimal erforderlichen Anzahl von Nuten für eine der mehrsträngigen Wicklungen.

Description

Beschreibung

Elektrische Maschine Eine elektrische Maschine umfasst einen ortsfesten Stator und einen relativ dazu beweglich gelagerten Rotor.

Während der Stator üblicherweise zur Aufnahme einer oder mehrerer elektrischer Wicklungssysteme vorgesehen ist, die mehrphasig sein können, wird das Magnetfeld des Rotors häufig mit Permanentmagneten generiert. Elektromagnetisches

Drehmoment auf der Welle des Rotors wird durch die

Wechselwirkung der Magnetfelder des Stators und des Rotors erzeugt .

Gegenüber verteilten Wicklungen haben konzentrierte

Wicklungen ( tooth-concentrated winding) im Stator den Vorteil einer weniger komplexen Wicklungsherstellung, höheren

Nutfüllfaktoren, geringere Rastmomente und geringere

Fehlertoleranz. Die Spulen der Statorwicklung werden entweder auf jeden Zahn des Stators gewickelt, als

Zweischichtwicklung, oder auf jeden zweiten Zahn als

Einschichtwicklung . Nachteilhaft bei konzentrierten Wicklungen sind die gegenüber verteilten Wicklungen höheren Anteile der Harmonischen neben der als Arbeitswelle genutzten Harmonischen der

magnetomotorischen Kraft. Bei Permanentmagnet-Maschinen wird das Drehmoment durch die Wechselwirkung einer bestimmten Harmonischen des Stators mit den Permanentmagneten des Rotors erzeugt, welche als

Arbeitswelle bezeichnet wird. Alle anderen Harmonischen, die von höherer oder geringerer Ordnung als die Arbeitswelle sind, und die mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und verschiedenen Richtungen rotieren, führen zu unerwünschten Effekten wie Geräusche und Vibrationen und führen zu

Verlusten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Maschine anzugeben, deren Stator für konzentrierte Wicklungen geeignet ist und die einen hohen Wirkungsgrad mit der

Möglichkeit einer automatisierbaren Fertigung verbindet.

Die Aufgabe wird gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst .

Weiterbildungen und Ausgestaltungen dieses Prinzips sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

In einer Ausführungsform umfasst eine elektrische Maschine einen Stator und einen relativ dazu beweglichen Rotor. Der

Stator umfasst zumindest zwei mehrsträngige Wicklungen. Jede mehrsträngige Wicklung umfasst mindestens zwei zueinander mechanisch verschobene Teilwicklungen. Für eine der

mehrsträngigen Wicklungen gilt, dass in einer Nut des Stators jeweils eine Anzahl von Windungen der ersten Teilwicklung verschieden von der Anzahl von Windungen der zweiten

Teilwicklung dieser mehrsträngigen Wicklung ist. Zudem weist der Stator eine verdoppelte Anzahl von Nuten auf bezüglich der bei einer gegebenen Polpaarzahl des Rotors minimal erforderlichen Anzahl von Nuten bezogen auf eine

mehrsträngige Wicklung. Wie nachfolgend an Ausführungsbeispielen im Einzelnen gezeigt wird, ist es mit dem vorgeschlagenen Prinzip möglich, unerwünschte Harmonische der magnetomotorischen Kraft zu vermeiden. Nicht nur diejenigen Harmonischen, die unterhalb der als Arbeitswelle genutzten Harmonischen liegen, werden praktisch auf Null reduziert, sondern auch die höheren

Harmonischen. Somit kombiniert das vorgeschlagene Prinzip einen hohen Wirkungsgrad mit einer verhältnismäßig einfach automatisierbar zu wickelnden Statorwicklung. Die praktisch vollständige Reduzierung von Subharmonischen und höheren Harmonischen führt darüber hinaus zu einem vibrationsarmen und geräuscharmen Lauf der Maschine.

Die Verdopplung der Anzahl der Nuten kann auf die minimal erforderliche Anzahl von Nuten bezogen sein, die bei einer gegebenen Polpaarzahl p des Rotors, bei einer gegebenen

Anzahl von Spulen eines Strangs auf benachbarten Zähnen des Stators und bei gegebener Anzahl der Stränge der jeweiligen Wicklung des Stators erforderlich sind.

Die Anzahl von Windungen der ersten Teilwicklung und die Anzahl von Windungen der zweiten Teilwicklung kann derart voneinander verschieden sein, dass im Betrieb der

elektrischen Maschine eine erste unerwünschte Sub-Harmonische der vom Stator hervorgerufenen magnetomotorischen Kraft reduziert ist.

Unter dem Begriff Windungszahl ist die Anzahl von

Leiterabschnitten einer Spule einer Wicklung in einer Nut verstanden .

In einer Ausführung ist die Windungszahl der ersten

Teilwicklung bevorzugt in einem Intervall zwischen einschließlich 50 % und 100 % der Windungszahl der zweiten Teilwicklung .

In einer Weiterbildung sind in jeder Nut des Stators

mindestens zwei Wicklungen mit unterschiedlicher Windungszahl oder Wicklungen unterschiedlicher Stränge angeordnet.

Die Spulen jeder mehrsträngigen Wicklung können um zumindest zwei benachbarte Zähne des Stators angeordnet sein. Zähne sind jeweils zwischen benachbarten Nuten des Stators

gebildet .

Die erste und mindestens zweite mehrsträngige Wicklung sind bevorzugt eine Dreiphasenwicklung. Hierdurch ist ein

einfacher Betrieb an einem Drehstromnetz möglich.

In einer Ausführungsform beträgt das Verhältnis der Anzahl der Nuten des Stators zur Anzahl der Pole des Rotors 36 zu 10. In einer anderen Ausführungsform ist das Verhältnis der Anzahl der Nuten des Stators zur Anzahl der Pole des Rotors 18:4.

Ausgehend von diesen beiden Beispielen kann das Verhältnis der Anzahl der Nuten zur Anzahl der Pole auch jeweils

ganzzahlige Vielfache der Anzahl der Nuten und der Anzahl der Pole betragen, wobei die Anzahl der Pole der doppelten

Polpaarzahl p des Rotors entspricht.

In einer Ausführungsform weisen das erste und das zweite mehrsträngige Wicklungssystem die gleiche Strangzahl auf und sind für die gleiche Polzahl ausgelegt. Weiterhin sind in dieser Ausführung das erste und das zweite mehrsträngige Wicklungssystem zueinander um einen elektrischen Winkel örtlich verschoben. In jeder Nut des Stators sind jeweils nur Spulen eines der mehrsträngigen Wicklungssysteme eingebracht.

Die beiden mehrsträngigen Wicklungssysteme können so mit einem mehrphasigen Stromsystem gespeist werden, dass das die jeweils zweiten Teilwicklungen umfassende Wicklungssystem mit einem mehrphasigen Stromsystem gespeist wird, das um einen Winkel von 90° zuzüglich eines Winkels δ elektrisch

phasenverschoben ist zu einem anderen mehrphasigen

Stromsystem, mit dem das die jeweils ersten Teilwicklungen umfassende Wicklungssystem gespeist wird.

Der Winkel δ kann 0 sein oder ungleich 0. Alternativ oder zusätzlich können die jeweils ersten

Teilwicklungen mit einem ersten mehrphasigen Stromsystem mit einer ersten Stromamplitude gespeist werden, und die beiden zweiten Teilwicklungen können mit einem zweiten mehrphasigen Stromsystem mit einer von der ersten Stromamplitude

verschiedenen zweiten Stromamplitude gespeist werden.

Der Begriff Speisung umfasst dabei sowohl motorischen als auch generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine an einem Stromnetz.

In einer anderen Ausführungsform ist die Anzahl von Windungen der ersten Teilwicklung verschieden von der Anzahl von

Windungen der zweiten Teilwicklung des ersten mehrsträngigen Wicklungssystems. Ebenso ist beim zweiten mehrsträngigen Wicklungssystem die Anzahl von Windungen der ersten

Teilwicklung verschieden von der Anzahl von Windungen der zweiten Teilwicklung. Zur Speisung des die jeweils ersten Teilwicklungen umfassenden Wicklungssystems kann ein erster Wechselrichter vorgesehen sein. Zur Speisung des die jeweils zweiten

Teilwicklungen umfassenden Wicklungssystems kann ein zweiter Wechselrichter mit einem zweiten mehrphasigen Stromsystem vorgesehen sein.

Wenn alternativ lediglich ein Wechselrichter zur Speisung der Statorwicklungen vorgesehen sein soll, kann beispielsweise eine Stern-Dreieck-Schaltung verwendet werden, in der das die jeweils ersten Teilwicklungen umfassende Wicklungssystem und das die jeweils zweiten Teilwicklungen umfassende

Wicklungssystem miteinander verschaltet sind. Das Verhältnis der Windungszahlen der Spulen im Dreieck zu den

Windungszahlen der Spulen im Stern liegt dabei bevorzugt in einem Bereich von einschließlich 1,3:1 bis 2,5:1. Dabei sind die Intervallgrenzen jeweils einschließlich verstanden.

Das Verhältnis der Windungszahlen der Spulen im Dreieck zu den Windungszahlen der Spulen im Stern beträgt bevorzugt

In einer Ausführungsform weist eine Spule einer Teilwicklung einer mehrsträngigen Wicklung in einer ersten Nut eine erste Windungszahl auf und diese Spule weist in einer zweiten Nut eine zweite Windungszahl auf.

Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass der Stator zwei gegenüberliegende Hauptseiten zur Kontaktierung der elektrischen Wicklung aufweist, wobei ein erster

Anschluss der Spule auf einer ersten Hauptseite der beiden gegenüberliegenden Hauptseiten gebildet ist und ein zweiter Anschluss der Spule auf einer zweiten Hauptseite der

gegenüberliegenden Hauptseiten gebildet ist.

Bevorzugt ist die Summe der Windungszahlen in benachbarten Nuten verschieden.

In der ersten Nut kann eine weitere Spule der ersten

Windungszahl vorgesehen sein. In der zweiten Nut kann eine weitere Spule der zweiten Windungszahl vorgesehen sein, wobei die erste und die zweite Windungszahl verschieden sind.

Bevorzugt sind die Spulen in der ersten Nut von verschiedenen Strängen und die Spulen in der zweiten Nut vom gleichen

Strang und unterschiedlichen Teilwicklungen.

Die elektrische Maschine kann eine der folgenden Typen sein: Linearmaschine, Axialflussmaschine, Radialflussmaschine, Asynchronmaschine oder Synchronmaschine. Die Maschine kann als Maschine mit Innenläufer oder als Maschine mit

Außenläufer aufgebaut sein.

Der Rotor kann von einem der folgenden Typen sein:

Käfigläufer, Mehrschichtrotor im Falle der Asynchronmaschine oder im Falle der Synchronmaschine Permanentmagnetrotor, Rotor mit vergrabenen Magneten oder ein elektrisch gespeister Rotor, insbesondere Vollpolrotor, Schenkelpolrotor,

Heteropolar-Rotor, Homopolar-Rotor oder Synchron- Reluktanzrotor . Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Prinzips sind nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit 36 Nuten und zehn Polen anhand eines beispielhaften Querschnitts mit einer Phase, Figuren 2A bis 2C das Wicklungslayout des Beispiels von

Figur 1 an drei Beispielen,

Figur 3 das Ausführungsbeispiel von Figur 1, jedoch nicht nur für eine Phase, sondern für alle Phasen,

Figur 4 eine beispielhafte Speisung der Wicklungen der

Maschine von Figur 3 in einer Stern-Dreieck- Schaltung, Figur 5 die Verteilung der magnetomotorischen Kraft am

Beispiel der Maschine von Figur 3,

Figur 6 die Zerlegung der magnetomotorischen Kraft in

Harmonische für dieses Beispiel,

Figur 7 einen Vergleich der Harmonischen der

magnetomotorischen Kraft bei der vorgeschlagenen Maschine gemäß Figur 3 und einer herkömmlichen Maschine mit 18 Nuten und zehn Polen,

Figur 8 ein anderes Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen

Prinzips anhand einer Maschine mit 18 Nuten und vier Polen anhand des Wicklungslayouts für eine Phase,

Figur 9 die Ausführung von Figur 8, jedoch mit den

vollständigen Wicklungen für alle Phasen, Figur 10 eine beispielhafte Verschaltung der Wicklungen der Maschine von Figur 9 in einer Stern-Dreieck- Schaltung,

Figur 11 die Verteilung der magnetomotorischen Kraft der

Maschine des Ausführungsbeispiels von Figur 9,

Figur 12 die dazugehörige Verteilung der Harmonischen der magnetomotorischen Kraft,

Figur 13 einen Vergleich der Harmonischen der

magnetomotorischen Kraft bei einer Maschine gemäß Figur 9 einerseits und einer herkömmlichen Maschine mit neun Nuten und vier Polen andererseits,

Figur 14 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Maschine mit

36 Nuten und zehn Polen mit einem Rotor mit

Permanentmagneten,

Figur 15 eine andere Ausführung einer Asynchronmaschine mit

36 Nuten und zehn Polen,

Figur 16 ein Ausführungsbeispiel einer Synchronmaschine mit

36 Nuten und zehn Polen nach dem vorgeschlagenen Prinzip,

Figur 17 ein Ausführungsbeispiel einer synchronen

Reluktanzmaschine mit 36 Nuten und zehn Polen nach dem vorgeschlagenen Prinzip,

Figur 18 eine Maschine mit Permanentmagneten mit 18 Nuten und vier Polen nach dem vorgeschlagenen Prinzip und Figur 19 eine Asynchronmaschine mit 18 Nuten und vier Polen nach dem vorgeschlagenen Prinzip an einem Beispiel.

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer

elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip anhand einer Querschnittsdarstellung. Die Maschine umfasst einen Stator 1 und einen relativ dazu beweglichen, innenliegenden Rotor 2. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind im

Stator 1 von Figur 1 lediglich Spulen derjenigen Stränge eingezeichnet, die zu den Wicklungssystemen der ersten elektrischen Phase A gehören. Diese Wicklungssysteme der Phase A umfassen eine erste mehrsträngige Wicklung I und eine zweite mehrsträngige Wicklung II. Jede mehrsträngige Wicklung I, II umfasst zwei Teilwicklungen AI, A2. Die Teilwicklungen AI, A2 jeder mehrsträngigen Wicklung I, II sind zueinander mechanisch verschoben. In der Ausführungsform von Figur 1 sind auch die erste mehrsträngige Wicklung I und die zweite mehrsträngige Wicklung II der ersten Phase A zueinander verschoben .

Mit +, - ist jeweils der Wicklungssinn der Spulen der

Teilwicklungen der jeweiligen mehrsträngigen Wicklung

bezeichnet . Bezogen auf eine Maschine mit lediglich einer mehrsträngigen Wicklung, die bei gegebener Polpaarzahl des Rotors eine bestimmte Anzahl von Nuten minimal erfordert, ist vorliegend die Anzahl der Nuten 3 des Stators verdoppelt. Im

vorliegenden Beispiel wäre bei nur einer mehrsträngigen

Wicklung I und einer Polzahl von 10 des Rotors, das heißt einer Polpaarzahl p von 5, und der Ausführung dieser einen mehrsträngigen Wicklung mit zwei zueinander mechanisch verschobenen Teilwicklungen AI, A2 eine Nutenzahl von 18 minimal erforderlich. Die Verdopplung führt zu der gezeigten Nutenzahl von 36 Nuten. Hierfür sind die Spulen jeder

Teilwicklung jeder mehrsträngigen Wicklung I, II um jeweils zwei benachbarte Zähne 4 gewickelt, wobei Zähne 4 jeweils zwischen benachbarten Nuten 3 des Stators gebildet sind.

Das Prinzip der Ausführung einer mehrsträngigen Wicklung mit zwei zueinander mechanisch verschobenen Teilwicklungen ist ausführlich in dem Dokument DE 10 2011 011 023 AI gezeigt. Bezüglich des Aufbaus einer mehrsträngigen Wicklung mit zueinander verschobenen Teilwicklungen wird insofern

vollinhaltlich auf dieses Dokument Bezug genommen.

Die Pole des Rotors 2 sind vorliegend durch Permanentmagnete gebildet, wobei entlang des Umfangs des Rotors abwechselnd Nord- und Südpole N, S als vergrabene Magnete eingebracht sind .

Figur 2 verdeutlicht für die erste elektrische Phase A das Layout der Statorwicklung. Diese umfasst die erste

Teilwicklung AI und die zweite Teilwicklung A2. Im ersten Beispiel gemäß Figur 2A weisen die beiden Teilwicklungen eine unterschiedliche Windungszahl ihrer Spulen auf. So sind die Spulen der ersten Teilwicklung AI mit einer ersten

Windungszahl NW1 ausgeführt, während die Spulen der zweiten

Teilwicklung A2 mit einer zweiten Windungszahl NW2 ausgeführt sind, die von der ersten Windungszahl NW1 verschieden ist.

Die Zuordnung der Teilwicklungen AI, A2 zu dem ersten und zweiten Wicklungssystem I, II ist entsprechend markiert.

Figur 2B zeigt eine andere Ausführung der unterschiedlichen Windungszahlen der Teilwicklungen. Die Teilwicklungen sind wiederum mit unterschiedlichen Windungszahlen NWl, NW2 bezüglich der Spulen der Teilwicklungen AI, A2 ausgebildet. Zusätzlich sind die Spulenseiten der zweiten Teilwicklung mit unterschiedlicher Windungszahl Nw2, Nw2 ' ausgeführt. Mit anderen Worten haben die Spulen der zweiten Teilwicklung eine unterschiedliche Anzahl von Leiterabschnitten in den beiden Nuten derselben Spule. In Figur 2B erkennt man dies daran, dass die jeweilige Spule den Stator auf unterschiedlichen Hauptseiten des Stators, die einander gegenüberliegen, betritt beziehungsweise verlässt.

Eine andere Ausführung der unterschiedlichen Windungszahlen ist in Figur 2C gezeigt, bei der benachbarte Spulen der zweiten Teilwicklung A2 mit unterschiedlicher Windungszahl ausgeführt sind. Demnach ist wiederum die Ausführung der ersten Teilwicklung AI unverändert mit Spulen der

Windungszahl NWl ausgeführt. Abweichend ist jedoch die zweite Teilwicklung A2 mit Spulen der Windungszahl NW21 einerseits und NW22 andererseits ausgeführt, die sich abwechseln.

Eine weitere Besonderheit ist, dass bei dieser Konfiguration gemäß Figur 2C die Wicklung des ersten Wicklungssystems I verschieden ist vom zweiten Wicklungssystem II, jeweils bezogen auf die zweite Teilwicklung. Die Spulen des ersten Wicklungssystems I sind mit NW22, NWl, NW21 bezeichnet, und die Spulen des zweiten Wicklungssystems mit NW21, NWl, NW22 von links nach rechts gelesen ausgeführt.

Figur 3 zeigt die Ausführungsform gemäß Figur 1, jedoch ist hier nicht nur die Wicklung mit den beiden mehrsträngigen

Wicklungssystemen gezeigt, die der ersten Phase A zugeordnet ist, sondern es sind auch die Wicklungssysteme der beiden anderen Phasen B, C der dreiphasig ausgeführten Maschine angegeben. Die mehrsträngigen Wicklungen und Teilwicklungen sowie die unterschiedlichen Windungszahlen sind dabei für die Phasen B und C korrespondierend zur oben erläuterten Phase A ausgebildet .

Figur 4 erläutert die Speisung der Statorwicklungen der

Ausführung gemäß Figur 3 in einer Dreieck-Stern-Verschaltung . Die drei elektrischen Phasen sind wiederum mit A, B, C bezeichnet. Bemerkenswert ist, dass jeweils die

Teilwicklungen, beispielsweise AI, beider mehrsträngiger Wicklungssysteme derselben Phase miteinander in Serie

geschaltet sind. Hierdurch ergibt sich beispielsweise die Serienschaltung der beiden mehrsträngigen Wicklungssysteme, insoweit die ersten Teilwicklungen der ersten Phase betroffen sind, zu All in Serie zu A1II. Die Serienschaltungen der zweiten Teilwicklungen derselben Phase sind in den Schenkeln des Dreiecks ausgeführt, während komplementär dazu geschaltet in den außen liegenden Knoten des Dreiecks zu dem jeweiligen elektrischen Anschluss dieser Phase die Serienschaltungen der beiden mehrsträngigen Wicklungssysteme dieser Phase

angeordnet sind.

Alternativ dazu können die ersten und zweiten Teilwicklungen der mehrsträngigen Wicklungssysteme auch mit zwei

unterschiedlichen elektrischen Mehrphasensystemen gespeist werden, beispielsweise mit zwei unterschiedlichen

Wechselrichtern .

Figuren 5 und 6 zeigen für die elektrische Maschine gemäß Beispiel von Figur 3 die Verteilung der magnetomotorischen Kraft über eine volle Umdrehung der Maschine von 2 n (Figur 5) sowie die Verteilung der höheren Harmonischen für die Ordnung 0 bis 25 (Figur 6) . Man erkennt, dass abgesehen von der als Arbeitswelle

genutzten fünften Harmonischen der magnetomotorischen Kraft praktisch alle Subharmonischen sowie die dargestellten höheren Harmonischen dieser als Arbeitswelle genutzten fünften Harmonischen nicht vorhanden sind oder verschwindend geringen Beitrag zeigen.

Damit zeigt sich der Vorteil des vorgeschlagenen Prinzips besonders deutlich, nämlich eine elektrische Maschine zu schaffen, die keine verteilten Wicklungen, sondern maschinell mit geringem Aufwand herstellbare Wicklungen aufweist und die zugleich sehr geringe Verluste hat.

Figur 7 verdeutlicht dies nochmals anhand eines Vergleichs der vorgeschlagenen Maschine mit 36 Nuten und zehn Polen gegenüber einer anderen Maschine, die lediglich eine

mehrsträngige Wicklung pro Phase mit zwei Teilwicklungen aufweist und 18 Nuten und zehn Pole aufweist. Man erkennt, dass mit dem vorgeschlagenen Prinzip der Verdopplung der Nuten bei einer solchen Maschine eine deutliche Reduzierung insbesondere der 13. und 23. Harmonischen der

magnetomotorischen Kraft möglich ist.

Figuren 8 bis 13 beschreiben ein anderes Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Prinzips, welches nicht wie bei dem vorangegangenen Beispiel gemäß Figur 3 auf eine Maschine mit 36 Nuten und zehn Polen angewendet ist, sondern auf eine Maschine mit 18 Nuten und vier Polen. Demnach umfasst der Stator 11 der elektrischen Maschine von Figur 8 insgesamt 18 entlang des Umfangs gleich verteilte Nuten 3 mit wiederum dazwischen ausgebildeten Zähnen 4. Der innen liegende Rotor 12 umfasst vier Permanentmagnete, die abwechselnd als Nord- und Südpole N, S ausgebildet sind. Die Wicklung des Stators 11 der elektrischen Maschine von Figur 8 umfasst wiederum zwei mehrsträngige Wicklungen, die mit I und II bezeichnet sind. Die erste mehrsträngige Wicklung I umfasst eine erste Teilwicklung AI und eine zweite Teilwicklung A2. Ebenso umfasst die zweite mehrsträngige Wicklung II eine erste

Teilwicklung AI und eine zweite Teilwicklung A2. Sowohl die beiden Teilwicklungen AI, A2 zueinander, als auch die beiden mehrsträngigen Wicklungen I, II sind zueinander mechanisch verschoben. Auch bei der Ausführung von Figur 8 weist der Stator eine verdoppelte Anzahl von Nuten 3 auf gegenüber der bei der gegebenen Polpaarzahl 2 des Rotors 12 minimal erforderlichen Anzahl von Nuten 3 bei einer einzigen

mehrsträngigen Wicklung, nämlich neun Nuten. Während Figur 8 wiederum nur die Wicklungen zeigt, die der ersten elektrischen Phase A zugeordnet sind, ist in Figur 9 der vollständige Wicklungsplan dieser Ausführungsform mit den Wicklungen für alle drei elektrischen Phasen A, B, C

angegeben. Die Wicklungen, die den beiden elektrischen Phasen B, C zugeordnet sind, haben dabei einen Aufbau, der zu derjenigen der ersten Phase A korrespondiert und daher an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben wird.

Auch die Ausführung der elektrischen Maschine gemäß Figur 9 kann mit einer Stern-Dreieck-Schaltung elektrisch betrieben werden, wie in Figur 10 gezeigt. Diese Verschaltung

entspricht derjenigen von Figur 4 und braucht daher an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben werden. Die unterschiedlichen Windungszahlen der Spulen der

Teilwicklungen bei der Ausführung gemäß Figur 9 kann analog zu den in Figur 2 gezeigten Möglichkeiten ausgestaltet sein. Figuren 11 und 12 zeigen für die Maschine gemäß Figur 9 den Verlauf der magnetomotorischen Kraft über eine volle

Rotordrehung von 2 n (Figur 11) sowie die Verteilung der Harmonischen der magnetomotorischen Kraft von der Ordnung 0 bis 25 jeweils einschließlich (Figur 12) .

Man erkennt, dass unterhalb der als Arbeitswelle genutzten zweiten Harmonischen praktisch keine Subharmonischen

auftreten. Auch die höheren Harmonischen sind bei der

Ausführung der Maschine gemäß Figur 9 sehr gering.

Dies wird besonders deutlich, wenn man die Eigenschaften der Maschine mit derjenigen vergleicht, die keine verdoppelte Nutenzahl aufweist und demnach mit lediglich vier Polen des Rotors und neun Nuten im Stator ausgeführt ist. Diesen

Vergleich veranschaulicht Figur 13. Man erkennt, dass insbesondere die siebte, 11. und 25. Harmonische mit dem vorgeschlagenen Prinzip gemäß Figur 9 nochmals deutlich reduziert werden konnten.

Das vorgeschlagene Prinzip kann auf eine Vielzahl

unterschiedlicher Maschinentypen angewendet werden. So ist das Prinzip bei Asynchronmaschinen und Synchronmaschinen gleichermaßen vorteilhaft anwendbar. Für die

Asynchronmaschinen kann beispielsweise ein Käfigrotor, ein massiver Rotor oder ein gewickelter Rotor verwendet werden. Bei den Synchronmaschinen ist das Prinzip sowohl auf permanentmagneterregte Synchronmaschinen, auf stromerregte Synchronmaschinen sowie auf synchrone Reluktanzmaschinen anwendbar. Im Falle der permanentmagneterregten Maschine können im Rotor Oberflächenmagnete, vergrabene Magnete wie beispielsweise tangential vergrabene Magnete, radial vergrabene Magnete, V-förmig vergrabene Magnete oder Mehrschichtmagnete Verwendung finden. Nachfolgend werden ausgewählte Maschinentypen an Beispielen vorgestellt, bei denen das vorgeschlagene Prinzip jeweils angewendet ist. So zeigt Figur 14 ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Prinzips bei einer Maschine mit einem Stator 1 mit 36 Nuten und einem Rotor 2 mit zehn Permanentmagneten. Die Ausführung gemäß Figur 14 entspricht der Ausführung von Figur 3. Die Beschreibung wird an dieser Stelle insoweit nicht wiederholt.

Figur 15 zeigt eine andere Ausführungsform der elektrischen Maschine, bei der der gleiche Stator 1 wie bei Figur 14

Verwendung findet. Der Rotor ist jedoch nicht mit

Permanentmagneten ausgebildet, sondern als Läufer einer

Asynchronmaschine und mit Bezugszeichen 2' versehen.

Figur 16 zeigt eine Ausführung des vorgeschlagenen Prinzips bei einer Synchronmaschine mit 36 Nuten, die derjenigen von Figur 14 entspricht. Der Rotor weist jedoch keine

Permanentmagnete auf, sondern ebenfalls Nuten und Zähne. Die Nuten sind zur Aufnahme von zehn Spulen ausgelegt, die zur Erzeugung eines Magnetfelds mittels 10 elektromagnetisch realisierter Nord- bzw. Südpole dienen. Dieser Rotor ist mit Bezugszeichen 2'' bezeichnet und dient zur Bildung einer stromerregten Synchronmaschine.

Auch bei Figur 17 ist der Stator mit der Statorwicklung von Figuren 14 bis 16 unverändert übernommen. Der Rotor ist jedoch hier als Reluktanzrotor 2''' ausgeführt, derart, dass die zehn Pole durch unterschiedliche Reluktanz entlang des Umfangs des Rotors gebildet sind. Figur 18 zeigt eine permanentmagneterregte Maschine mit 18 Nuten im Stator 11 und vier Polen im Rotor 12. Diese Maschine entspricht in Aufbau und Wirkungsweise derjenigen von Figur 9 und wird insoweit an dieser Stelle nicht noch einmal

beschrieben.

Analog zu Figur 15 ist es auch bei der Ausführung mit 18 Nuten und vier Polen möglich, anstelle der Permanentmagnete im Rotor zur Bildung einer Synchronmaschine diese als

Asynchronmaschine einzusetzen und hierfür einen

entsprechenden Innenläufer auszugestalten, wie er in Figur 19 gezeigt ist.

Bezugs zeichenliste

1 Stator

2 Rotor

2' Rotor

2 ' ' Rotor

2 ' ' ' Rotor

3 Nut

4 Zahn

11 Stator

12 Rotor

A elektrische Phase

AI erste Teilwicklung

A2 zweite Teilwicklung

B elektrische Phase

Bl erste Teilwicklung

B2 zweite Teilwicklung

C elektrische Phase

Cl erste Teilwicklung

C2 zweite Teilwicklung

I erste mehrsträngige Wicklung

II zweite mehrsträngige Wicklung N Nordpol

Nwl Windungsanzahl

Nw2 Windungsanzahl

Nw2' Windungszahl

Nw21 Windungsanzahl

Nw22 Windungsanzahl

p Polpaarzahl

S Südpol

Claims

Patentansprüche

1. Elektrische Maschine, umfassend

einen Stator (1) und einen relativ zum Stator (1) beweglichen Rotor (2), der eine Polpaarzahl p aufweist, wobei

- der Stator (1) eine erste mehrsträngige Wicklung (I) und zumindest eine zweite mehrsträngige Wicklung (II) umfasst ,

- die erste mehrsträngige Wicklung (I) eine erste (AI) und eine zweite Teilwicklung (A2) umfasst, die zueinander mechanisch verschoben sind,

- die zweite mehrsträngige Wicklung (II) eine erste (AI) und eine zweite Teilwicklung (A2) umfasst, die

zueinander mechanisch verschoben sind,

- in einer Nut (3) des Stators jeweils eine Anzahl von

Windungen (Nwl) der ersten Teilwicklung (AI) einer mehrsträngigen Wicklung verschieden von einer Anzahl von Windungen (Nw2) der zweiten Teilwicklung (A2) dieser mehrsträngigen Wicklung ist, und

- der Stator (1) eine verdoppelte Anzahl von Nuten (3) bezüglich der bei gegebener Polpaarzahl p des Rotors (2) minimal erforderlichen Anzahl von Nuten für eine der mehrsträngigen Wicklungen (I, II) aufweist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1,

bei der die Anzahl der Nuten (3) verdoppelt ist bezüglich der bei gegebener Polpaarzahl p des Rotors (2) und weiterhin der bei gegebener Anzahl von Spulen eines Strangs auf

benachbarten Zähnen (4) und bei gegebener Anzahl der Stränge (A, B, C) minimal erforderlichen Anzahl von Nuten.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Anzahl von Windungen (Nwl) der ersten Teilwicklung (AI) und die Anzahl von Windungen (Nw2) der zweiten Teilwicklung (A2) derart voneinander verschieden ist, dass im Betrieb der elektrischen Maschine eine erste

unerwünschte Sub-Harmonische der vom Stator hervorgerufenen Magnetomotorischen Kraft reduziert ist.

4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Anzahl von Windungen (Nwl) der ersten

Teilwicklung (AI) in einem Intervall zwischen einschließlich 50% und 100% der Anzahl von Windungen (Nw2) der zweiten

Teilwicklung (A2) ist.

5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der in jeder Nut (3) des Stators zumindest zwei

Wicklungen mit unterschiedlicher Windungszahl (Nwl, Nw2) oder Wicklungen unterschiedlicher Stränge (A, B, C) angeordnet sind .

6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Spulen jeder mehrsträngigen Wicklung um zumindest zwei benachbarte Zähne (4) des Stators angeordnet sind, wobei Zähne (4) des Stators jeweils zwischen benachbarten Nuten (3) des Stators gebildet sind.

7. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die erste und die zweite mehrsträngige Wicklung (I, II) jeweils eine Dreiphasenwicklung ist.

8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Verhältnis der Anzahl der Nuten (3) zur Anzahl der Pole (N, S) 36/10 oder 18/4 oder jeweils ganzzahlige Vielfache der Anzahl der Nuten (3) und der Anzahl der Pole ( , S) beträgt, wobei die Anzahl der Pole der doppelten

Polpaarzahl p entspricht.

9. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der

- das erste und das zweite mehrsträngige Wicklungssystem (I, II) die gleiche Strangzahl aufweisen und für die gleiche Polzahl ausgelegt sind,

- das erste und das zweite mehrsträngige Wicklungssystem (I, II) zueinander um einen elektrischen Winkel örtlich

verschoben sind,

- wobei in jeder Nut des Stators (1) nur Spulen eines

mehrsträngigen Wicklungssystems (I, II) eingebracht sind.

10. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das die jeweils zweiten Teilwicklungen (A2) umfassende Wicklungssystem mit einem mehrphasigen Stromsystem gespeist wird, das um einen Winkel von 90 Grad zuzüglich eines Winkels Delta elektrisch phasenverschoben ist zu einem mehrphasigen Stromsystem zur Speisung des die jeweils ersten

Teilwicklungen (AI) umfassenden Wicklungssystem.

11. Elektrische Maschine nach Anspruch 10,

bei der der Winkel Delta gleich Null beträgt.

12. Elektrische Maschine nach Anspruch 10,

bei der der Winkel Delta ungleich Null beträgt.

13. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der das die jeweils ersten Teilwicklungen (AI) umfassende

Wicklungssystem mittels eines ersten mehrphasigen

Stromsystems mit einer ersten Stromamplitude gespeist wird und bei dem das die jeweils zweiten Teilwicklungen (A2) umfassende Wicklungssystem mittels eines zweiten mehrphasigen Stromsystems mit einer zweiten Stromamplitude gespeist wird, die von der ersten Stromamplitude verschieden ist.

14. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die Anzahl von Windungen (Nwl) der ersten

Teilwicklung (AI) und die Anzahl von Windungen (Nw2) der zweiten Teilwicklung (A2) des ersten mehrsträngigen

Wicklungssystems (I) voneinander verschieden ist und

bei der die Anzahl von Windungen der ersten Teilwicklung und die Anzahl von Windungen der zweiten Teilwicklung des zweiten mehrsträngigen Wicklungssystems (II) voneinander verschieden ist .

15. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der ein erster Wechselrichter zur Speisung des die jeweils ersten Teilwicklungen umfassenden Wicklungssystems mit einem ersten mehrphasigen Stromsystem vorgesehen und ein zweiter Wechselrichter zur Speisung das die jeweils zweiten Teilwicklungen umfassenden Wicklungssystems mit einem zweiten mehrphasigen Stromsystem vorgesehen ist.

16. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der das die jeweils ersten Teilwicklungen (AI) umfassende Wicklungssystem und das die jeweils zweiten

Teilwicklungen (A2) umfassende Wicklungssystem miteinander in einer Stern-Dreieck-Schaltung verschaltet und von einem gemeinsamen Wechselrichter gespeist sind, wobei das

Verhältnis der Windungszahlen der Spulen im Dreieck zu den Windungszahlen der Spulen im Stern in einem Bereich von einschließlich 1,3 : 1 bis 2,5 : 1 liegt.

17. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der das die jeweils ersten Teilwicklungen (AI) umfassende Wicklungssystem und das die jeweils zweiten

Verhältnis der Windungszahlen der Spulen im Dreieck zu den Windungszahlen der Spulen im Stern 3 : 1 beträgt.

18. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17,

- bei der eine Spule einer Teilwicklung (A2) einer

mehrsträngigen Wicklung in einer ersten Nut eine erste Windungszahl (Nw2) aufweist und

- die Spule in einer zweiten Nut eine zweite

Windungszahl (Nw2') aufweist.

19. Elektrische Maschine nach Anspruch 18,

bei der der Stator (1) zwei gegenüberliegende Hauptseiten zur Kontaktierung der elektrischen Wicklung aufweist, wobei ein erster Anschluss der Spule auf einer ersten Hauptseite der gegenüberliegenden Hauptseiten und ein zweiter Anschluss der Spule auf einer zweiten Hauptseite der gegenüberliegenden Hauptseiten gebildet ist.

20. Elektrische Maschine nach Anspruch 18 oder 19,

bei der in benachbarten Nuten (3) die Summe der

Windungszahlen in diesen Nuten verschieden ist.

21. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei der in der ersten Nut eine weitere Spule der ersten

Windungszahl (Nw2) vorgesehen ist und bei der in der zweiten Nut eine weitere Spule einer dritten Windungszahl (Nwl) vorgesehen ist, wobei die erste Windungszahl von der zweiten Windungszahl verschieden ist.

22. Elektrische Maschine nach Anspruch 21,

bei der die Spulen in der ersten Nut von verschiedenen

Strängen (A, B, C) und die Spulen in der zweiten Nut vom gleichen Strang und unterschiedlichen Teilwicklungen (AI, A2) sind .

23. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei der die elektrische Maschine einen der folgenden Typen umfasst: Linearmaschine, Axialflussmaschine,

Radialflussmaschine, Asynchronmaschine, Synchronmaschine.

24. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 23, die als Maschine mit Innenläufer oder als Maschine mit

Außenläufer aufgebaut ist.

25. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 24, bei der der Rotor von einem der folgenden Typen ist:

Heteropolar-Rotor, Homopolar-Rotor oder Synchron- Reluktanzrotor .