DE102006002900B4

DE102006002900B4 - Elektrische Maschine mit einem dreisträngigen Wicklungssystem

Info

Publication number: DE102006002900B4
Application number: DE102006002900A
Authority: DE
Inventors: Rolf Vollmer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2026-01-21
Also published as: US7705507B2; EP1974439A1; WO2007085527A1; JP2009524384A; US20080197742A1; DE102006002900A1

Abstract

Elektrische Maschine mit einem Ständer, der sechsunddreißig Nuten (6) und sechsunddreißig Zähne (7) in abwechselnder Reihenfolge sowie ein zumindest teilweise in den Nuten (6) angeordnetes Wicklungssystem (10) mit drei Wicklungssträngen (34, 35, 36) umfasst, wobei
a) das Wicklungssystem (10) insgesamt achtzehn in jeweils zwei Nuten (6) verlegte Teilspulen (11–28) enthält, sodass zwischen den beiden einer der Teilspulen (13, 14, 15, 19, 20, 21, 25, 26, 27) zugeordneten Nuten (6) eine einer anderen der Teilspulen (11, 12, 16, 17, 18, 22, 23, 24, 28) zugeordnete Nut (6) liegt,
b) jeweils zwei der Teilspulen (11–28) eine von neun verschachtelten Teilspulengruppen (29) bilden, wobei von den vier benachbarten und zu einer Teilspulengruppe (29) gehörigen Nuten (6) die erste und die dritte Nut (6) der einen Teilspule (13, 14, 15, 19, 20, 21, 25, 26, 27) und die zweite und die vierte Nut (6) der anderen Teilspule (11, 12, 16, 17,...

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer, der sechsunddreißig Nuten und sechsunddreißig Zähne in abwechselnder Reihenfolge sowie ein zumindest teilweise in den Nuten angeordnetes Wicklungssystem mit drei Wicklungssträngen umfasst.
Für eine derartige, insbesondere als permanenterregte Synchronmaschine ausgeführte elektrische Maschine gibt es derzeit im Wesentlichen zwei verschiedene Ausführungsformen, die sich durch den Aufbau ihres jeweiligen Wicklungssystems voneinander unterscheiden.
Bei der ersten Ausführungsform sind die Teilwicklungen der drei Wicklungsstränge komplett ineinander verschachtelt. Beispielsweise sind also drei aufeinander folgende Nuten mit elektrischen Leitern belegt, die zu jeweils einem anderen der drei Wicklungsstränge gehören. Dementsprechend würde bei einer zwölfnutigen Ausbildung die erste Teilwicklung des ersten Wicklungsstrangs in der ersten und der vierten Nut, die erste Teilwicklung des zweiten Wicklungsstrangs in der zweiten und der fünften Nut und die erste Teilwicklung des dritten Wicklungsstrangs in der dritten und der sechsten Nut verlaufen. Die Nutbelegung der in Reihe zur jeweiligen ersten Teilwicklung geschalteten zweiten Teilwicklungen ergeben sich aus denjenigen der ersten Teilwicklungen durch eine Addition von jeweils sechs Nutpositionen. Dieses Wicklungssystem hat eine Polzahl von vier, also eine Nutzpolpaarzahl von zwei, sodass ein Verhältnis von Nutzahl (= 12) zu Polzahl (= 4) den Wert 3 annimmt. Für erste Ausführungsformen ist dies ein typischer Mindestwert. Bei einer alternativen ersten Ausführungsform ist eine Nutzahl von achtundvierzig und eine Polzahl von sechzehn vorgesehen, sodass sich wieder ein Verhältniswert von 3 ergibt.
Bei der zweiten Ausführungsform sind die Teilwicklungen der drei Wicklungsstränge – abgesehen von einer Verschaltung im Bereich des Wickelkopfs – vollständig voneinander separiert. Als Teilwicklungen kommen sog. Zahnspulen zum Einsatz, die insbesondere jeweils in zwei benachbarte Nuten eingesetzt sind und den zwischen den beiden benachbarten Nuten liegenden Zahn umschließen. Dabei können in einer Nut elektrische Leiter von zwei verschiedenen Zahnspulen angeordnet sein. Dementsprechend würde bei einer sechsnutigen Ausbildung die erste Zahnspule des ersten Wicklungsstrangs in der ersten und der zweiten Nut, die erste Zahnspule des zweiten Wicklungsstrangs in der zweiten und der dritten Nut und die erste Zahnspule des dritten Wicklungsstrangs in der dritten und der vierten Nut verlaufen. Die Nutbelegung der in Reihe zur jeweiligen ersten Zahnspule geschalteten zweiten Zahnspulen ergeben sich aus denjenigen der ersten Zahnspulen durch eine Addition von jeweils drei Nutpositionen. Auch dieses Wicklungssystem hat eine Polzahl von vier, sodass ein Verhältnis von Nutzahl (= 6) zu Polzahl (= 4) den Wert 1,5 annimmt. Für zweite Ausführungsformen ist dies ein typischer Höchstwert. Bei einer alternativen zweiten Ausführungsform ist eine Nutzahl von vierundzwanzig und eine Polzahl von sechszehn vorgesehen, sodass sich wieder ein Verhältniswert von 1,5 ergibt.
Eine elektrische Maschine gemäß der ersten Ausführungsform hat einen verhältnismäßig großen Wickelkopf, wohingegen die zweite Ausführungsform zu einer vergleichsweise kleinen Gesamtnutoberfläche führt.
In der JP 60-200738 A ist ein dreisträngiges Wicklungssystem einer elektrischen Maschinen dargestellt. Das Wicklungssystem umfasst insgesamt zwölf Teilspulengruppen, von denen neun Teilspulengruppen mit jeweils zwei ineinander verschachtelten Teilspulen und drei Teilspulengruppen mit jeweils drei ineinander verschachtelten Teilspulen realisiert sind. Die einer Teilspulengruppe zugeordneten Teilspulen sind jeweils unterschiedlichen Wicklungssträngen zugeordnet.
Die Aufgabe der Erfindung liegt deshalb darin, eine elektrische Maschine der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die ein gegenüber dem genannten Stand der Technik verbessertes Verhalten aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine handelt es sich um eine solche, bei der

a) das Wicklungssystem insgesamt achtzehn in jeweils zwei Nuten verlegte Teilspulen enthält, sodass zwischen den bei den einer der Teilspulen zugeordneten Nuten eine einer anderen der Teilspulen zugeordnete Nut liegt,
b) jeweils zwei der Teilspulen eine von neun verschachtelten Teilspulengruppen bilden, wobei von den vier benachbarten und zu einer Teilspulengruppe gehörigen Nuten die erste und die dritte Nut der einen Teilspule und die zweite und die vierte Nut der anderen Teilspule dieser Teilspulengruppe zugeordnet sind,
c) die beiden Teilspulen jeder Teilspulengruppe jeweils zwei verschiedenen Wicklungssträngen zugeordnet sind, und
d) zwischen zwei benachbarten Teilspulengruppen jeweils ein im Wesentlichen unbewickelter Zahn vorhanden ist.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine hat ein teil-verschachteltes Wicklungssystem, bei dem insbesondere ein Wickelschritt 1–3 vorgesehen ist. Sie ist eine sehr vorteilhafte Zwischenform zwischen den bekannten Ausführungsformen mit dem komplett verschachtelten Wicklungssystem und mit dem Zahnspulen-Wicklungssystem. Ihr Verhältnis Nutzahl/Polzahl liegt zwischen denjenigen der bekannten Ausführungsformen. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ermöglicht eine relativ geringe Wickelkopfhöhe, da nicht alle drei, sondern jeweils nur zwei Wicklungsstränge ineinander verschachtelt sind. Außerdem hat sie einen hohen Wickelfaktor von insbesondere über 0,85. Bei vergleichbarer Polzahl hat die erfindungsgemäße elektrische Maschine eine größere Gesamtoberfläche aller Nuten als eine elektrische Maschine mit einem Zahnspulen-Wicklungssystem. Dies ist günstig für die Abfuhr der aufgrund der Kupferverluste in den elektrischen Leitern des Wicklungssystems entstehenden Wärme.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
Günstig ist eine Variante, bei der innerhalb der unbewickelten Zähne ein Versorgungs- oder Kühlkanal angeordnet ist. Dadurch kann die elektrische Maschine mit einer zusätzlichen Funktionalität versehen werden. Insbesondere lässt sich die Kühlung so verbessern. Die unbewickelten Zähne sind im Bereich der Wickelköpfe im Wesentlichen frei zugänglich, sodass die genannten Kanäle hier sehr gut angeschlossen werden können.
Weiterhin kann eine Polzahl im Bereich zwischen vierzehn und zweiundzwanzig, insbesondere von sechzehn oder zwanzig, vorgesehen sein. Dann hat die elektrische Maschine einen besonders hohen Wicklungsfaktor, beispielsweise von etwa 0,945. Bei dem gegebenen Ständer-Blechschnitt mit den sechsunddreißig Nuten ist damit der komplette Polzahl-Bereich sehr gut abgedeckt. So kann für geforderte Polzahlen zwischen zwei und zwölf insbesondere ein komplett verschachteltes Wicklungssystem, für geforderte Polzahlen zwischen vierzehn und zweiundzwanzig vorzugsweise das erfindungsgemäße teil-verschachtelte Wicklungssystem und für geforderte Polzahlen von mindestens vierundzwanzig vorteilhafterweise ein Zahnspulen-Wicklungssystem vorgesehen werden. Folglich lässt sich das Verhalten der elektrischen Maschine je nach verwendetem Wicklungssystem, aber bei jeweils gleichem Ständer-Blechschnitt sehr unterschiedlich auslegen.
Vorzugsweise ist die elektrische Maschine eine permanenterregte Maschine, bei der ein mit Permanentmagneten ausgestatteter Läufer vorgesehen ist. Permanenterregte Maschinen, insbesondere permanenterregte Synchronmaschinen wie Synchronmotoren, sind heute oftmals Massenprodukte, bei deren Herstellung eine gewisse Flexibilität hinsichtlich der Verwendbarkeit der Komponenten von besonderer Bedeutung ist. Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine lassen sich vorzugsweise bestehende Ständer-Blechschnitte anderer Maschinen verwenden.
Günstig ist weiterhin eine Variante, bei der ein als Außenläufer oder als Innenläufer ausgebildeter Läufer vorgesehen ist. Das vorstehend beschriebene günstige Wicklungssystem kann bei beiden Ausführungsformen mit den genannten Vorteilen eingesetzt werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit einem teil-verschachtelten Wicklungssystem in Querschnittsdarstellung und
2 ein Ausführungsbeispiel für ein Wicklungsschema der elektrischen Maschine von 1.
Einander entsprechende Teile sind in den 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 1 in Querschnittsdarstellung gezeigt. Sie ist als permanenterregter Synchronmotor ausgebildet und enthält einen Ständer 2 sowie einen Läufer 3, der um eine Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Der Läufer 3 ist ein Innenläufer, der im Ausführungsbeispiel mit insgesamt sechzehn gleichmäßig über den Umfang verteilten Permanentmagneten 5 versehen ist. Der Ständer 2 enthält an seiner dem Läufer 3 zugewandten inneren Wandung mehrere, im Ausführungsbeispiel von 1 insgesamt sechsunddreißig, gleichmäßig über den Umfang verteilte Nuten 6, zwischen denen jeweils ein Zahn 7 angeordnet ist. Sie sind durch ein außen umlaufendes Joch 8 miteinander verbunden. Innerhalb der Nuten 6 verlaufen elektrische Leiter 9 eines dreisträngigen Wicklungssystems 10. Das Wicklungssystem 10 hat eine vergleichsweise hohe Nutzpolzahl von sechzehn. Das Verhältnis Nutzahl/Polzahl beträgt 2,25.
Aufgrund der hohen Polzahl ist das in den Zähnen 7 induzierte Magnetfeld niedrig. Folglich kann auch das Joch 8 relativ schmal, d.h. mit geringer radialer Ausdehnung, ausgeführt werden. Es kommt trotzdem zu keiner Beeinträchtigung in der magnetischen Flussführung. Insgesamt resultiert eine kompakte Bauform mit einem niedrigen Gewicht.
Details des Wicklungssystems 10 sind dem vereinfachten Wicklungsschema gemäß 2 zu entnehmen. Wie ersichtlich, ist das Wicklungssystem 10 mittels achtzehn Teilspulen 11 bis 28 realisiert. Jede der Teilspulen 11 bis 28 ist mit einem sogenannten Wickelschritt 1–3 gewickelt. Dies bedeutet, dass zwischen den beiden Nuten 6, in denen die elektrischen Leiter 9 einer der Teilspulen 11 bis 28 verlaufen, jeweils eine weitere der Nuten 6 angeordnet ist.
Jeweils zwei der Teilspulen 11 bis 28 bilden eine von neun verschachtelten Teilspulengruppen 29. Von den vier benachbarten und zu einer Teilspulengruppe 29 gehörigen Nuten ist die erste und die dritte Nut der einen Teilspule 13, 14, 15, 19, 20, 21, 25, 26 oder 27 und die zweite und die vierte Nut der anderen Teilspule 11, 12, 16, 17, 18, 22, 23, 24 oder 28 der jeweiligen Teilspulengruppe 29 zugeordnet.
Zwischen zwei benachbarten Teilspulengruppen 29 ist jeweils ein im Wesentlichen unbewickelter Zahn 30 vorhanden. In jedem dieser unbewickelten Zähne 30 verläuft ein röhrenförmiger Kühlkanal 31, der beispielsweise mittels einer Längsbohrung in Richtung der Drehachse 4 hergestellt ist. Die Kühlkanäle 31 sind im Bereich von Wickelköpfen 32 und 33 in nicht näher gezeigter Weise angeschlossen oder umgelenkt. Die Kühlkanäle 31 sind nicht obligatorisch. Sie können auch weggelassen werden. Statt ihrer können weiterhin bei nicht gezeigten alternativen Ausführungsbeispielen auch anders ausgestaltete Versorgungskanäle vorgesehen sein.
Wie in 2 angedeutet, ist in axialer Richtung, also in Richtung der Drehachse 4, auf beiden Stirnseiten des eigentlichen aktiven Teils des Ständers 2 jeweils ein Bereich für den Wickelkopf 32 bzw. 33 vorgesehen. Während die Leiter 9 der Teilspulenwindungen im Bereich des Wickelkopfs 32 lediglich umgelenkt werden, erfolgt im Bereich des Wickelkopfs 33 auch eine elektrische Zusammenschaltung der Teilspulen 11 bis 28.
Das Wicklungssystem 10 ist dreisträngig. Es umfasst also drei Wicklungsstränge 34, 35 und 36. In 2 ist der erste Wicklungsstrang 34 ist mit durchgezogener Linienführung, der zweite Wicklungsstrang 35 mit gestrichelter Linienführung und der dritte Wicklungsstrang 36 mit strichpunktierter Linienführung dargestellt.
Die eine Teilspule 13, 14, 15, 19, 20, 21, 25, 26 oder 27 und die andere Teilspule 11, 12, 16, 17, 18, 22, 23, 24 oder 28 jeder Teilspulengruppe 29 sind jeweils zwei verschiedenen der drei Wicklungsstränge 34, 35 und 36 zugeordnet.
Jeder der Wicklungsstränge 34, 35 und 36 setzt sich aus zwei parallel geschalteten Teilwicklungssträngen 37 und 38, 39 und 40 bzw. 41 und 42 zusammen. Die Teilwicklungsstränge 37 bis 42 umfassen jeweils eine Reihenschaltung dreier der Teilspulen 11 bis 28.
Unter Berücksichtigung der in 2 zusätzlich eingetragenen durchgehenden Nummerierung der Nuten 6 ergibt sich für das Wicklungssystem 10 folgender Aufbau:
Dem ersten Teilwicklungsstrang 37 des ersten Wicklungsstrangs 34 sind

– die zweite und die vierte Nut für die erste Teilspule 11,
– die sechste und die achte Nut für die zweite Teilspule 12, und
– die fünfzehnte und dreizehnte Nut für die dritte Teilspule 13

Dem zweiten Teilwicklungsstrang 38 des ersten Wicklungsstrangs 34 sind

– die dreiunddreißigste und die fünfunddreißigste Nut für die vierte Teilspule 14,
– die neunundzwanzigste und die einunddreißigste Nut für die fünfte Teilspule 15, und
– die vierundzwanzigste und die zweiundzwanzigste Nut für die sechste Teilspule 16 zugeordnet. Dabei weisen die erste, zweite und sechste Teilspule 11, 12, bzw. 16 einen gleichen ersten Wicklungssinn auf. Die dritte, vierte und fünfte Teilspule 13, 14, bzw. 15 sind gegenläufig gewickelt. Sie haben also einen gleichen zweiten Wicklungssinn, der dem ersten Wicklungssinn entgegengesetzt ist.

Die Nutbelegungen des zweiten und dritten Wicklungsstrangs 35 bzw. 36 sind verglichen mit der Nutbelegung des ersten Wicklungsstrangs 34 durch eine Modulo 36-Verschiebung um vierundzwanzig bzw. zwölf Nutpositionen gegeben. Dies entspricht einer mechanischen Verschiebung um 240° bzw. 120°.
Insgesamt ist das so resultierende Wicklungssystem 10 teilverschachtelt. Es steht zwischen den bekannten Ausführungsformen eines komplett, also dreisträngig verschachtelten Wicklungssystems und eines unverschachtelten Zahnspulen-Wicklungssystems.
Die elektrische Maschine 1 hat eine geringe Höhe der Wickelköpfe 32 und 33 sowie einen hohen Wickelfaktor von etwa 0,945. Sie weist außerdem aufgrund der der inneren Wandung zugewandten großen Gesamtoberfläche aller Nuten 6 und aufgrund der optionalen Kühlkanäle 31 eine sehr gute Wärmeabfuhr auf. Günstig sind auch die kompakte Bauform und das geringe Gewicht. Mit Vorteil kann weiterhin auf bestehende Ständer-Blechschnitte anderer elektrischer Maschinen zurückgegriffen werden. Dies erhöht die Flexibilität und vermeidet neue kostenträchtige Investitionen.

Claims

Elektrische Maschine mit einem Ständer, der sechsunddreißig Nuten (6) und sechsunddreißig Zähne (7) in abwechselnder Reihenfolge sowie ein zumindest teilweise in den Nuten (6) angeordnetes Wicklungssystem (10) mit drei Wicklungssträngen (34, 35, 36) umfasst, wobei a) das Wicklungssystem (10) insgesamt achtzehn in jeweils zwei Nuten (6) verlegte Teilspulen (11–28) enthält, sodass zwischen den beiden einer der Teilspulen (13, 14, 15, 19, 20, 21, 25, 26, 27) zugeordneten Nuten (6) eine einer anderen der Teilspulen (11, 12, 16, 17, 18, 22, 23, 24, 28) zugeordnete Nut (6) liegt, b) jeweils zwei der Teilspulen (11–28) eine von neun verschachtelten Teilspulengruppen (29) bilden, wobei von den vier benachbarten und zu einer Teilspulengruppe (29) gehörigen Nuten (6) die erste und die dritte Nut (6) der einen Teilspule (13, 14, 15, 19, 20, 21, 25, 26, 27) und die zweite und die vierte Nut (6) der anderen Teilspule (11, 12, 16, 17, 18, 22, 23, 24, 28) dieser Teilspulengruppe (29) zugeordnet sind, c) die beiden Teilspulen (11–28) jeder Teilspulengruppe (29) jeweils zwei verschiedenen Wicklungssträngen (34, 35, 36) zugeordnet sind, und d) zwischen zwei benachbarten Teilspulengruppen (29) jeweils ein im Wesentlichen unbewickelter Zahn (30) vorhanden ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der unbewickelten Zähne (30) ein Versorgungs- oder Kühlkanal (31) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polzahl im Bereich zwischen vierzehn und zweiundzwanzig, insbesondere von sechzehn oder zwanzig, vorgesehen ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Läufer (3) mit Permanentmagneten (5) vorgesehen ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) jeder Wicklungsstrang (34, 35, 36) aus zwei parallel geschalteten Teilwicklungssträngen (37, 38, 39, 40, 41, 42) mit jeweils drei in Reihe geschalteten Teilspulen (11–28) besteht, wobei b) beim ersten Wicklungsstrang (34) b1) dem ersten Teilwicklungsstrang (37) – die zweite und die vierte Nut (6) für die erste Teilspule (11), – die sechste und die achte Nut (6) für die zweite Teilspule (12), und – die fünfzehnte und dreizehnte Nut (6) für die dritte Teilspule (13), b2) und dem zweiten Teilwicklungsstrang (38) – die dreiunddreißigste und die fünfunddreißigste Nut (6) für die vierte Teilspule (14), – die neunundzwanzigste und die einunddreißigste Nut (6) für die fünfte Teilspule (15), und – die vierundzwanzigste und die zweiundzwanzigste Nut (6) für die sechste Teilspule (16) zugeordnet sind, b3) und die erste, zweite und sechste Teilspule (11, 12, 16) einen gleichen ersten Wicklungssinn aufweisen und die dritte, vierte und fünfte Teilspule (13, 14, 15) einen gleichen zweiten Wicklungssinn, der dem ersten Wicklungssinn entgegengesetzt ist, aufweisen, und c) Nutbelegungen des zweiten und dritten Wicklungsstrangs (35, 36) verglichen mit der Nutbelegung des ersten Wicklungsstrangs (34) durch eine Modulo 36-Verschiebung um vierundzwanzig bzw. zwölf Nutpositionen gegeben sind.