DE102006003598A1

DE102006003598A1 - Permanenterregte Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102006003598A1
Application number: DE200610003598
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Grabner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2007-08-09

Abstract

Permanenterregte Synchronmaschine mit einem Stator (1) mit zum Luftspalt der permanenterregten Synchronmaschine weisenden im Blechpaket des Stators (1) axial verlaufenden Vertiefungen, wobei lediglich eine vorgebbare Anzahl dieser Vertiefungen (3, 5) mit elektrischen Leitern eines Wicklungssystems versehen ist, um einen magnetischen Fluss zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem verteilten Wicklungssystem.
Um mit permanenterregten Synchronmaschinen höhere Drehzahlbereiche zu erreichen, sind kleinere Polzahlen notwendig, wobei sich aber im Hinblick auf Zahnspulenwicklungen mit der Lochzahl q = 1/2 prinzipielle Anordnungen mit vergleichsweise geringen Polzahlen ergeben.
Die technischen Anforderungen an geringe Rastmomente bei stark ausgenutzten Magnetkreisen in permanenterregten Synchronmaschinen können bei Verwendung von ungeschrägter Polspultechnik mit einer relativ geringen Nutenanzahl des Stators im Zusammenhang mit wiederum ungeschrägten Permanentmagnetläufern oft nicht erfüllt werden.
So werden die Statoren mit einem dreisträngig verteilten Wicklungssystem ausgeführt, dabei werden als typische Polzahlen 2p = 4, 6 oder 8 realisiert. Von der Wicklungssystematik handelt es sich dabei grundsätzlich um Bruchlochwicklungen, die als Zweischichtwicklungen oder Einschichtwicklung ausgeführt sind. Dabei ergeben sich Wicklungssysteme mit der Lochzahl q = 1,5.
Verteile Wicklungssysteme haben die prinzipbedingten Nachteile, dass sie einerseits vergleichsweise große Wickelköpfe aufweisen, die einen entsprechenden Platzbedarf an den Stirnseiten der Statoren benötigen, einen hohen Anteil an den Strom und Wärmeverlusten verursachen und andererseits nur mit einer vergleichsweisen aufwändigen Wickel- und Isoliertechnik realisierbar sind.
Es ist daher nahe liegend, Ausführungen von Statoren zu suchen, die die beschriebenen Nachteile der eindeutig zu Lasten von Aktivteilausnutzungen und Kostenpositionen gehen weniger stark ausgeprägt aufweisen und trotzdem die Einhaltung der Entwicklungsrandbedingungen ermöglicht. Dabei geht es unter anderem um kleine Drehmomentwelligkeiten.
Ein Lösungsansatz war hierbei die Nutzung von Zahnspulenwicklungen. Zahnspulenwicklungen bestehen aus Einzelspulen, deren jeweilige Spulenweite genau einer Nutteilung entspricht. Eine Zahnspule umfasst damit genau einen mechanischen Zahn.
Zahnspulenwicklungen weisen einen besonders kleinen Wickelkopf auf, können kompakt und mit hohem Nutfüllfaktor gewickelt werden und benötigen, zumindest im Wickelkopfbereich keine verstärkte Isolierung zur Phasentrennung.
Diese deutlichen Vorteile führen zu einer höheren Aktivteilausnutzung sowie zu einer Senkung der Herstellkosten einer elektrischen Maschine. Aufgrund der einfachen Wickeltechnik sind keine komplexe Wickelautomaten notwendig.
Allerdings besitzen Zahnspulenwicklungen nicht nur Vorteile, sie führen z.B. auf ein breites Luftspaltfeldspektrum, das außer dem Nutzdrehfeld vergleichsweise höhere Anteile an parasitären Drehfeldern aufweist.

So ist aus der DE 101 24 415 A1 eine elektrische Maschine bekannt, die, um eine hohe Maschinenausnutzung bei annähernd sinusförmigen Verlauf der Magnetfelder zu erreichen folgende Merkmale aufweist. Einen Stator und einen Rotor, wobei der Stator eine dreiphasige Wicklung aufweist und der Rotor mit Permanentmagneten bestückt ist, die dreiphasige Wicklung ist in Nuten des Stators angeordnet, die Nuten des Stators werden durch im wesentlich axial verlaufende Zähne gebildet, die wenigstens zwei unterschiedliche Zahnteilungsbreiten τ_zp aufweisen, die in Umfangsrichtung des Stators abwechselnd angeordnet sind, wobei deren Anzahl jeweils identisch ist und wobei die Zähne mit gegenüber anderen Zähnen großer Zahntei lungsbreite von einer Wicklung zumindest teilweise umgeben sind.

Nachteilig dabei ist u.a., dass Rastmomente dieser permanenterregten Synchronmaschine vorhanden sind.

Ausgangspunkt dieser Betrachtung bildet eine m = 3 dreisträngige und 2p = 4 polige einschichtige Drehstromwicklung. Mit der Lochzahl q = 3 findet man mit N = 2·p·q·mdie Nutenzahl des Stators von N = 36. Dabei ergeben sich in ungeschrägter Ausführung des Stators und des Permanentmagnetrotors auch bei extrem hoher magnetischer Ausnutzung nur unwesentliche Rastmomente. Der zum Einsatz kommende Blechschnitt ist in 1 prinzipiell dargestellt.

Mit der beispielsweisen Windungszahl von w = 540 eines Wicklungsstranges wird die gesamte Leiterzahl der Einschichtwicklung aus Z = 2·w·mzu Z = 3240 berechnet. Die Leiterzahl pro Nut

ist dabei z_N = 90. Um die hier gezeigte Nutfläche gut auszufüllen, kann der zugehörige Drahtquerschnitt mit d = 0,5 mm festgelegt werden. Die Darstellung des zugehörigen Wickelschemas über die vier Pole gestaltet sich somit gemäß 2 folgendermaßen.

Für eine klassische m = 3 dreisträngige und zudem 2p = 4 polige Zahnspulenwicklung mit der Lochzahl q* = ½ findet man für die Anzahl der Nuten aus N* = 2p·q*·mdirekt den Wert N* = 6. Bei dieser Variante der Bruchlochwicklungen kann die Polzahl klein gehalten werden, wodurch der hohe Drehzahlbereich für vorgegebene Anwendungen leicht abgedeckt werden kann. Bei ungeschrägter Ausführung des Stators und des mit Permanentmagneten versehenen Rotors ergeben sich bei vergleichsweise guter magnetischer Ausnutzung jedoch äußerst hohe Rastmomente.

Demnach liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine permanenterregte Synchronmaschine zu schaffen, die einfach herzustellen ist und dennoch geringe Rastmomente bei vergleichsweise stark ausgenutzten Magnetkreisen aufweist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem Stator mit zum Luftspalt der permanenterregten Synchronmaschine weisenden Vertiefungen, wobei eine vorgebbare Anzahl dieser Vertiefungen mit elektrischen Leitern eines Wicklungssystems versehen sind, um einen magnetischen Fluss zu erzeugen.

Das bisher bekannte Wicklungssystem als herkömmliche Polspulenwicklung oder Zahnspulenwicklungssystem bekannt, wird erfindungsgemäß aufgeteilt und mit einer unterschiedlichen Anzahl von Leitern pro Vertiefung bzw. Nut ausgeführt. Für diese Wicklung sind Vertiefungen unterschiedlicher Tiefe vorgesehen. Wobei als Tiefe die radiale Ausdehnung der Vertiefung betrachtet wird. Zusätzlich werden in dem erfindungsgemäßen Blechschnitt nicht bewickelte Vertiefungen mit einer vorgebbaren Höhe, die vorteilhafterweise im Bereich eines Nutschlitzes liegt und u.a. dem Zweck dienen, die unerwünschten Nutrastmomente bezüglich spezieller Rotorstellung zu minimieren.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin zeigen:
3, 4 Blechschnitt eines erfindungsgemäßen Stators
5 Wicklungsschema eines derartigen Stators.
3 zeigt in einem Querschnitt den prinzipiellen Aufbau eines Stators 1 einer nicht näher dargestellten elektrischen Maschine, insbesondere eines permanenterregten Synchronmotors. Das Blech 12 dieses Stators 1 weist in Umfangsrichtung sechsunddreißig Nuten auf. Dabei unterteilen sich die Nuten bzw. Vertiefungen in diesem Ausführungsbeispiel in drei verschiedene Nutvarianten. Zum einen die Nuteinbuchtungen 2, Nuten 3, die sich mit ihrem Nutgrund 4 auf einem Kreis mit Radius R1 befinden und Langnuten 5, die sich mit ihrem Nutgrund 4 auf einem Kreis mit Radius R2 befinden.
Dieses Ausführungsbeispiel zeigt zwei unterschiedliche Zahnspulen 10, 11 gemäß 4, die in die jeweiligen Nuten 3, 5 eingesetzt werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass unterschiedlich große Nutflächen in dem erfindungsgemäßen Blechschnitt zur Verfügung stehen.
Um den unerwünschten Nutrasteffekten im erfindungsgemäßen Blechschnitt entgegenwirken zu können, werden zusätzlich im Bereich τ ~_Z der Zähne des Blechs 12 t = 2 Nuteinbuchtungen 2 mit der vergleichsweise geringen Höhe eines Nutschlitzes vorgesehen. Dadurch nimmt der Stator 1 bezüglich des Luftspaltbereiches im Wesentlichen eine durch die Nutteilung τ ~_N bestimmte Struktur an, welche die positiven Effekte der N = 36 Zähne 12 des herkömmlichen Stators nachbildet. Dadurch werden hohe Rastmomente durch exzentrische Rotorpositionen vermieden, wodurch Stator 1 und Rotor vorteilhaft nicht geschrägt ausgeführt werden müssen.
Aus dem gültigen Zusammenhang N ~ = 2p·q ~·mkann der 2p = 4 poligen Drehstromwicklung m = 3 für die Nutenzahl N ~ = 24 eine fiktive Lochzahl
von q ~ = 2 zugeordnet werden. Dabei besteht zu der Lochzahl der klassischen Zahnspulenwicklung mit q* = ½ offensichtlich der direkte Zusammenhang q ~ = 2·q*·t
Die resultierende Nutzahl kann demnach zufolge des Teilungsfaktors t auch als N ~ = 2p·m·tgeschrieben werden. Der Blechschnitt des erfindungsgemäßen Stators 1 ist dabei nunmehr gemäß 3 aufgebaut.
Die Nutteilung der geteilten Zahnstruktur findet man direkt aus dem Zusammenhang
mit D als Bohrungsdurchmesser gemäß 3 und 4, wobei für den von der geteilten Zahnspulenwicklung gemeinsam umfassten Zahn je nach Wahl des Teilungsfaktors t stets τ ~Z = t·τ ~N gelten muss.
Die mit m = 3 dreisträngige und zudem 2p = 4 polige, geteilte Zahnspulenwicklung mit ungleicher Leiterzahl pro Nut wird in den N ~ = 24 nutigen Stator 1 so eingelegt, dass die zusammengesetzte Zahnspule stets in etwa den räumlichen Bereich (τ ~_Z + t·τ ~_N), ganz umschließt.
D.h. in dem Ausführungsbeispiel nach 4 ergibt sich τ ~N1 = τ ~Z + 1·τ ~N und τ ~N2 = τ ~Z + 2·τ ~N dementsprechend.

Claims

Permanenterregte Synchronmaschine mit einem Stator (1) mit zum Luftspalt der permanenterregten Synchronmaschine weisenden im Blechpaket des Stators (1) axial verlaufenden Vertiefungen (2, 3, 5), wobei lediglich eine vorgebbare Anzahl dieser Vertiefungen (3, 5) mit elektrischen Leitern eines Wicklungssystems versehen ist, um einen magnetischen Fluss zu erzeugen.
Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (2, 3, 5) unterschiedlich radiale Tiefen aufweisen.
Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wicklungssystem Zahnspulen (10, 11) unterschiedlicher Zahnspulenweite (τ ~_N1, τ ~_N2) und/oder Leiteranzahl aufweist.
Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Pol des Stators (1) eine geteilte Zahnspulenwicklung unterschiedlicher Leiterzahl pro Vertiefung vorhanden ist.