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Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für eine 3-strängige Drehfeldmaschine sowie eine 3-strängige Drehfeldmaschine mit einer solchen Wicklungsanordnung.
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Umrichter gespeiste permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PM Synchronmaschinen) kommen bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen zum Einsatz. Aus Kostengründen werden PM Synchronmaschinen zunehmend mit so genannten Zahnspulenwicklungen ausgeführt. Die Zahnspulentechnik vereinfacht den Ständeraufbau einer PM-Synchronmaschine und ermöglicht zudem einen segmentierten Ständeraufbau, so dass der Ständer modulweise in einer Art Baukastenkonzept gefertigt werden kann. Nachteilig bei Zahnspulenwicklungen ist es, dass diese ein breites Luftspaltfeldspektrum ausbilden, das je nach Motordesign mehr oder weniger störend sein kann.
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Im Stand der Technik sind zu Zahnspulenwicklungen bereits unterschiedliche Wicklungskonzepte bekannt. Die Druckschrift
US 20120228981 A1 setzt sich die Reduzierung einer Subharmonischen in Bezug auf die Arbeitsfeldwelle zur Aufgabe und schlägt als Lösung eine Mehrschichtwicklung, bestehend aus mindestens zwei Spulenseiten pro Nut, vor, wobei die Leiterzahl der Spulenseiten in einer ersten Nut von der Leiterzahl der Spulenseiten in einer zweiten Nut verschieden ist, wobei die Spulen als Zahnspulen ausgeführt werden.
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In der Druckschrift
US 20120001512 A1 wir ein Stator mit einer doppelten Anzahl von Nuten gegenüber dem Stand der Technik vorgeschlagen. Die Spulen umschließen dabei jeweils zwei Zähne. Die Spulen sind gekennzeichnet durch unterschiedliche Windungszahlen bei gleicher Spulenweite.
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Auch die Druckschrift
US 20140035425 A1 beschäftigt sich mit der Reduzierung von unerwünschten Oberfeldern durch eine kostengünstig herstellbare Wicklung. Es wird eine Mehrschicht-Zahnspulenwicklung vorgeschlagen, wobei die einzelnen Spulen eines Stranges unterschiedliche Windungszahlen aufweisen und die Zähne eine unterschiedliche Anzahl von Zahnspulen tragen. Auch diese Wicklungstopologie ist für kleine Polzahlen nicht zielführend.
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Bei sogenannten AC-Line-Start-Motoren besteht die Notwendigkeit der Line-Start-Funktionalität, wobei sich das breite Luftspaltfeldspektrum der Zahnspulenwicklungen störend auswirkt, da durch die hieraus resultierenden Oberwellendrehmomente der Hochlauf der Line-Start-Motoren insgesamt gestört bis unterbunden wird. Käfigläufermotoren und PM-Line-Start-Motoren sind daher mit den im Stand der Technik bekannten Zahnspulenwicklungen somit nicht sinnvoll ausführbar.
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Dahingegen lassen sich z. B. kleine PM Synchronmotoren, die feldorientiert am Umrichter betrieben werden und zunehmend im Bereich der Hochdrehzahlantriebe zum Einsatz kommen, grundsätzlich in Zahnspulentechnik ausführen.
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Ein weiteres grundsätzliches Problem besteht in der Nutzung der Zahnspulenwicklung bei niedrigen Polzahlen. Da Zahnspulenwicklungen Prinzip bedingt zu höheren Polpaarzahlen tendieren, lassen sich PM Synchronmotoren mit niedriger Polzahl (z. B. 2-polig oder 4-polig) für Hochdrehzahlantriebe mit den bekannten Zahnspulenwicklungen nur sehr beschränkt realisieren.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine Wicklungstopologie in der Ausprägung einer Zahnspulenwicklung für eine 3-strängige Drehfeldmaschine, wie z. B. eine 3-strängige n Motorausführung vorzuschlagen, die auch bei niedrigen Polzahlen (2-polig und 4-polig) wirkungsvoll einsetzbar ist und zudem ein günstiges Wicklungsfeldspektrum besitzt.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zahnspulenwicklung mit einem spezifischen Wicklungsschema für drei Wicklungsstränge W1, W2, W3 vorzusehen, bestehend aus Spulengruppen mit mehrfach ineinander verschachtelten Spulen und vorzugsweise sich stetig ändernder Weite, wobei die Teilspulen der besagten Spulengruppen von innen nach außen (ohne Überkreuzung der Leiter der Teilspulen) sich konzentrisch umschließend angeordnet sind, einen oder auch mehrere Zähne umfassen sowie gleiche oder unterschiedliche Spulenwindungszahlen aufweisen bei einer im Wesentlichen gleichgroßen Belegung jeder Nut mit dem gleichen wirksamen Gesamtleiterquerschnitt pro Nutquerschnitt.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Spulengruppen diametral symmetrisch zueinander angeordnet sind und sich räumlich entlang des Umfangs in ihrer Anordnung in den Wicklungslagen teilweise überdecken.
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Erfindungsgemäß ist demnach eine 3-strängige Drehfeldmaschine mit einem 2p-poligen Ständer mit Wickelzähnen vorgesehen, ausgebildet mit einer Wicklungsanordnung in Zahnspulentechnik, umfassend drei Wicklungsstränge W1, W2, W3, wobei die Wicklungsanordnung aus gewickelten Spulengruppen mit mehrfach ineinander verschachtelten Spulen (Teilspulen) gebildet wird, wobei die Teilspulen der besagten Spulengruppen sich von innen nach außen konzentrisch umschließend angeordnet sind sowie zwei oder auch mehrere Wickelzähne umfassen, wobei die jeweiligen Spulenwindungszahlen in den Nuten zwischen den Wickelzähnen so vorgesehen bzw. gewickelt sind, dass jeweils eine im Wesentlichen gleichgroße Belegung jeder Nut mit dem gleichen wirksamen Gesamtleiterquerschnitt der Spulen pro Nutquerschnitt gegeben ist.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn sich die Spulengruppen im Stirnbereich nicht überlappen, d. h. ohne sich kreuzende Leiter, kreuzende Teilspulen oder kreuzende Spulengruppen ausgeführt sind.
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Die genannte Aufgabe kann somit durch eine 3-strängige „Multi-Zahnspulenwicklung“ gelöst werden, die auch eine verteilte Zahnspulenwicklung darstellt. Das Grundelement und damit das Gleichteil einer solchen 3-strängigen Multi-Zahnspulenwicklung ist eine q-fache Zahnspule, die 2∗q benachbarte Nuten des Ständers jeweils zur Hälfte (in der Oberschicht oder der Unterschicht) belegt. Der Faktor q ist dabei vorzugsweise q = 2, 3 oder 4.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist demnach vorgesehen, dass jeweils benachbarte Wickelzähne bzw. Nuten des Ständers, zu einem Teil mit einem Wicklungsstrang, nämlich entweder in der Oberschicht oder der Unterschicht bewickelt sind.
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Es ist weiter mit Vorteil vorgesehen, dass die Leiterzahl einer weiter außenliegenden Teilspule einer Spulengruppe größer ist als die Leiterzahl einer weiter innenliegenden Teilspule. Die Teilspulenanordnung ist stets konzentrisch.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leiterzahl der Teilspulen von der äußeren zur inneren Teilspule hin, abnimmt. In einer dabei besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Leiterzahl der Teilspulen von der äußeren zur inneren Teilspule hin stetig abnimmt, sozusagen die Abnahme der Leiterzahl von Teilspule zu Teilspule in den gleichen Schritten abnimmt.
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Eine für die Praxis besonders geeignete Ausgestaltung sieht vor, dass mit q = 3 genau 3 Teilspulen um die entsprechende Multi-Zahnspule gewickelt sind und die Anzahl der Leiter der Teilspulen einer Multi-Zahnspule wie folgt verteilt sind:
| a. | die äußerste Teilspule (T) : | Zo Leiter + ΔZ Leiter |
| b. | die mittlere Teilspule (T) : | Zo Leiter |
| c. | die innere Teilspule (T) : | Zo Leiter - ΔZ Leiter |
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Dabei stellt der Wert Zo eine vorbestimmte Anzahl an Leitern in der besagten Teilspule dar, während ΔZ die Differenz der Leiterzahl zu der jeweils außenliegenden bzw. innenliegenden Teilspule.
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Andere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigen:
- 1 einen Zonenplan mit Kennzeichnung der Spulenführung für die Fälle q= 2, 3 und 4,
- 2 einen Strang-Zonenplan einer 2-poligen, 3-strängigen Zahnspulenwicklung für die Fälle q = 2, 3 und 4,
- 3 einen Zonenplan einer 2-poligen, 3-strängigen Zahnspulenwicklung für den Fall q = 4,
- 4 einen Zonenplan mit unterschiedlichen Leiterzahlen für eine Multi-Zahnspule mit q = 3,
- 5 eine alternative Ausführung eines Zonenplans zur 4 mit unterschiedlichen Leiterzahlen für eine Multi-Zahnspule mit q = 3,
- 6 zwei Zonenpläne mit unterschiedlichen Leiterzahlen für eine Multi-Zahnspule mit q = 4 und
- 7 einen Zonenplan einer 2-poligen, 3-strängigen Zahnspulenwicklung für eine Multi-Zahnspule mit q = 4 mit einer abnehmenden Leiterzahl aber identischen Nutfüllung.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die 1 bis 7 näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle oder funktionale Merkmale hinweisen. Die 1 zeigt einen Zonenplan mit Kennzeichnung der Spulenführung für die Fälle q= 2, 3 und 4 (wobei x und ∗ die jeweilige Wicklungsrichtung bzw. Bestromungsrichtung angibt).
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Ein 2-poliger, 3-strängiger Drehfeldständer mit Multi-Zahnspulenwicklung umfasst genau N = 3 x 2q = 6q Nuten N, was im Falle der in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiele bedeutet, bei q = 2 (12 Nuten), bei q = 3 (18 Nuten) und bei q = 4 (24 Nuten). Jeder Wicklungsstrang W1, W2, W3 der 3-strängigen Multi-Zahnspulenwicklung besteht dabei entsprechend der 2 aus zwei Multi-Zahnspulen, die sich einmal in der Unterschicht US und einmal in der Oberschicht OS befinden.. Die zwei Multi-Zahnspulen eines Wicklungsstranges sind genau um eine Polteilung, also um N/2p Nutteilungen (wobei 2p die Polzahl ist) gegeneinander versetzt, im genannten Ausführungsbeispiel um 3q Nutteilungen, und sind dadurch diametral symmetrisch angeordnet. Die Wickelrichtung und demzufolge die Stromrichtung beider Multi-Zahnspulen der Wicklungsstränge W1, W2 ist jedoch umgekehrt. Der Übergang auf eine höhere Ständernutzahl erhöht zwar den Wicklungsaufwand, jedoch verbessern sich dadurch das Oberfeldverhalten und die Wicklungsentwärmung über das Blechpaket des Ständers. Ferner ermöglicht ein geringeres Kupfervolumen der Teilspulen eine Vereinfachung beim Wickelprozess.
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Die 2 zeigt einen Strang-Zonenplan einer 2-poligen, 3-strängigen Zahnspulenwicklung für die Fälle q = 2, 3 und 4, wobei beispielhaft der Wicklungsstrang W1 gezeigt ist. Die Wicklungsstränge W1, W2, W3 der 2-poligen Drehfeldwicklung entsprechend der 3 sind gegeneinander um N/3p Nutteilungen versetzt, was in dem Ausführungsbeispiel 2q Nutteilungen bedeutet. In der 3 ist der Zonenplan einer 2-poligen, 3-strängigen Zahnspulenwicklung für den Fall q = 4 dargestellt.
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Sofern eine höherpolige Drehfeldwicklung benötigt wird, so lässt sich dies einfach dadurch realisieren, dass der in der 3 gezeigte Zonenplan entsprechend der gewünschten Polpaarzahl multipliziert wird, bei einer 4-poligen Wicklung also verdoppelt wird.
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Betrachtet man nun das Luftspaltfeldspektrum für die Ausführungsform einer 3-strängigen Multi-Zahnspulenwicklung, so wird ein Luftspaltfeldspektrum mit den folgenden Ordnungszahlen erregt:
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Sofern man den Nutschlitz als vernachlässigbar betrachtet, ergeben sich betragsmäßig genau q unterschiedliche Wicklungsfaktoren, die sich, wie in nachfolgender Tabelle für q= 2, 3 und 4 dargestellt, zyklisch wiederholen.
| | q = 2 | q = 3 | q = 4 |
| v/p | |ξv| | |ξv| | |ξv| |
| ... | ... | ... | ... |
| 13 | 0,4830 | 0,1088 | 0,0630 |
| 7 | 0,1294 | 0,0887 | 0,0788 |
| 1 | 0,4830 | 0,4799 | 0,4788 |
| -5 | 0,1294 | 0,1088 | 0,1027 |
| -11 | 0,4830 | 0,0887 | 0,0630 |
| ... | ... | ... | ... |
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Es ist auch möglich, die q konzentrischen Teilspulen T einer Multi-Zahnspule, die nach 1 ein sich wiederholendes Gleichteil darstellen, mit unterschiedlichen Leiterzahlen auszuführen, um das Luftspaltfeldspektrum weiter zu verbessern. Es ist dabei sinnvoll, wenn die unterschiedlichen Leiterzahlen der Teilspulen T jeweils so gewählt werden, dass sich bei allen Nuten trotzdem eine gleich hohe Nutfüllung einstellt.
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Um den Grundfeld-Wicklungsfakor zu erhöhen, ist es notwendig, die Leiterzahlen der q konzentrischen Teilspulen T einer Multi-Zahnspule so zu staffeln, dass die Leiterzahlen von der äußeren Teilspule T hin zur inneren Teilspule T stetig d. h. gleichmäßig abfällt. Dieser Wicklungszustand ist in der 4 dargestellt. Die 4 zeigt hierzu einen Zonenplan mit unterschiedlichen Leiterzahlen für eine Multi-Zahnspule mit q = 3.
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Die 4 zeigt demnach einen für die Praxis besonders relevante Ausführungsform, nämlich den Fall mit q = 3. Es ergibt sich für alle Nuten N der kompletten 3-strängigen Drehfeldwicklung eine gleich hohe Nutfüllung, wenn folgende Staffelung der Leiterzahlen verwendet wird.
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Die Anzahl der Leiter der Teilspulen T einer Spulengruppe G ist dann wie folgt verteilt:
| a. | die äußerste Teilspule T : | Zo Leiter + Δ Z Leiter |
| b. | die mittlere Teilspule T : | Zo Leiter |
| c. | die innere Teilspule T : | Zo Leiter - Δ Z Leiter. |
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In einer alternativen Ausführungsform kann auch eine nicht stetige Staffelung der Leiterzahlen gewählt werden. 5 zeigt hierzu eine alternative Ausführung eines Zonenplans mit unterschiedlichen Leiterzahlen für eine Multi-Zahnspule mit q = 3. Es bleibt die resultierende Drehfeldwicklung weiterhin symmetrisch, aber die Ständernuten weisen keine einheitliche Nutfüllung auf. Für diesen Fall nicht einheitlicher Nutfüllungen durch ungleiche Leiterzahlen, können die Teilspulen T einer Multi-Zahnspulenwicklung mit unterschiedlichen Wicklungsdragt-Durchmessem ausgeführt werden. Hierdurch lassen sich das Kupfervolumen sowie die Nutfüllung steigern und der effektive Gesamtleiterquerschnitt über alle Nuten dennoch weitgehend einheitlich gestalten.
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In einer besonders vorteilhaften (nicht dargestellten) Ausführungsform können die Teilspulen T einer Multi-Zahnspulenwicklung mit gleichen Wickeldrahtdurchmessern, jedoch aus x parallel geschalteten Spulen mit x-facher Windungszahl gebildet werden, um den Nutfüllgrad anzuheben und zu vereinheitlichen.
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Im unteren Leistungsbereich ist bei 2-poligen Drehfeldmaschinen auch der Fall q = 4 von hoher praktischer Relevanz. In der 6 sind zwei Möglichkeiten für eine Leiterstaffelung dargestellt, die bei der kompletten 3-strängigen Drehfeldwicklung bei allen Ständernuten zu einer identischen Nutfüllung führen.
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Die 7 zeigt je einen Zonenplan einer 2-poligen, 3-strängigen Zahnspulenwicklung für eine Multi-Zahnspule mit q = 4 mit einer abnehmenden Leiterzahl aber identischen Nutfüllung, wobei in der oberen Ansicht eine stetige Reduzierung der Leiterzahl erfolgt, während in der unteren Ansicht ein Zonenplan mit einer quasi-stetigen Abnahme der Leiterzahl dargstellt ist.
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Eine quasi-stetig abnehmende Leiterzahl, bei der nur zwei unterschiedliche Leiterzahlen Verwendung finden, ist immer dann realisierbar, wenn q durch 2 ganzzahlig teilbar ist, also für q = 2, 4, 6, ...
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Wird mit Za die höhere Leiterzahl der äußeren Teilspulen T und mit Zi die geringere Leiterzahl der inneren Teilspulen T bezeichnet, so kann eine Aufteilung der Leiterzahlen in einem Verhältnis von Zi/Za mit einem Wert von etwa 0,73 gewählt werden, bei dem die Wicklungsfaktoren der 5. und 7. Ordnung zu Null gebracht werden und der Grundfeldwicklungsfaktor gleichzeitig gesteigert werden kann, wie es die nachfolgende Tabelle für den Fall q = 4 verdeutlicht.
| v/p | |ξv| |
| ... | ... |
| 13 | 0,0676 |
| 7 | 0 |
| 1 | 0,5134 |
| -5 | 0 |
| ... | ... |
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Durch eine weitere Reduzierung des Verhältnisses von Zi/Za lässt sich der Grundfeldwicklungsfaktor weiter steigern. Für ein Verhältnis von etwa 0,53 erhält man Wicklungsfaktoren für die Oberfelder der 5. und 7. Ordnung entsprechend dem Fall Zi/Za = 1. Der Grundfeldwicklungsfaktor kann weiter auf den Wert von 0,5480 gesteigert werden. Das entspricht einer Steigerung um rund 15 % im Vergleich zur Aufteilung Zi/Za = 1. Die nachfolgende Tabelle verdeutlicht das wieder am Beispiel q = 4.
| v/p | |ξv| |
| ... | ... |
| 13 | 0,0721 |
| 7 | 0,0797 |
| 1 | 0,5480 |
| -5 | 0,1038 |
| ... | ... |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20120228981 A1 [0003]
- US 20120001512 A1 [0004]
- US 20140035425 A1 [0005]