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Die
Erfindung betrifft eine mehrphasige elektrische Maschine, insbesondere
einen mehrphasigen Generator, mit einem Ständer, der mehrere, der Phasenzahl
entsprechende Wicklungen aufweist, deren jeweiligen Anfänge/Enden
miteinander verschaltet werden.
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Stand der Technik
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Eine
mehrphasige elektrische Maschine der eingangs genannten Art ist
zum Beispiel als mehrphasiger Generator bekannt. Dieser mehrphasige Generator
weist einen Ständer
mit einem Ständerblechpaket
auf, in dessen Nuten Wicklungen einliegen, deren Anzahl sich aus
der Phasenzahl ergibt. Die Anfänge/Enden
der Wicklungen werden entsprechend dem Verschaltungstyp miteinander
verschaltet. Für
eine dreiphasige elektrische Maschine sind die Verschaltungstypen
zum Beispiel eine Sternschaltung oder eine Dreieckschaltung. Die
elektrische Verschaltung der einzelnen Wicklungen erfolgt dabei
entweder in einer Schaltung der elektrischen Maschine, wie zum Beispiel
einem Gleichrichter bei einem Generator, oder auf mindestens einem
von den Wicklungen gebildeten Wickelköpfen des Ständers. Neben der elektrischen
Verschaltung muss die Winkellage der Anfänge/Enden (Drahtabgänge) der Wicklungen
am Ständer
zu den Anschlüssen
am Gleichrichter in Deckung gebracht werden. Dies führt insbesondere
bei steigender Phasenzahl und damit größerer Anzahl von Anschlüssen zu
Konflikten bei der Wahl der Winkelposition, da die Anordnungsmöglichkeiten
im Gleichrichter durch die größere Anzahl von
Dioden stark eingeschränkt
sind. Die Herstellung der Ständer
erfolgt meistens im Einziehverfahren. Dabei werden die Wicklungen
durch mehrere Umläufe
des Drahtes (Wicklungsumläufe)
in eine ebene, sternförmige
Form gebracht. Die so vorgeformten Wicklungen werden mit einem geeigneten
Verfahren in die jeweils zugeordneten Nuten des Kernkörpers eingelegt.
Werden pro Wicklung zum Beispiel mehrere Drähte parallel geführt, müssen diese
zur Verschaltung der Maschine prozesssicher elektrisch miteinander
verbunden werden. Dies führt
zu einzelnen, langen Verschaltungswegen oder Drahtkreuzungen der
Anfänge/Enden
der Wicklungen auf dem Wickelkopf. Durch auftretende Schwingungen
im Betrieb neigen solche Anordnungen mit langen Verschaltungswegen
vermehrt zu Kurzschlüssen
und müssen deshalb
gesondert fixiert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei
der erfindungsgemäßen mehrphasigen elektrischen
Maschine ist vorgesehen, dass für
mindestens einen kurzen Verschaltungsweg mindestens eine der Wicklungen
als unterwickelte Wicklung oder überwickelte
Wicklung ausgebildet ist. Eine überwickelt
ausgebildete Wicklung ist durch eine reduzierte Anzahl von in den
Nuten einliegenden Abschnitten gekennzeichnet, und eine überwickelt
ausgebildete Wicklung ist durch eine erhöhte Anzahl von in den Nuten
einliegenden Wicklungsabschnitten gekennzeichnet. Durch ein derartiges
Abweichen von einer Bewicklung mit gleich langen Wicklungen lassen
sich lange Verbindungen und Drahtkreuzungen auf dem Wickelkopf vermeiden,
sowie die Winkellage der Ständeranschlüsse zu Verschaltungspunkten
der Schaltung optimieren. Besondere Vorteile ergeben sich bei einem
Ständer
mit größerer Phasenzahl
und mehreren parallel geführten
Drähten
pro Wicklung. Für
eine fünfphasige
elektrische Maschine und entsprechender Anzahl von Anschlüssen ist
eine Unterwicklung beziehungsweise eine Überwicklung sinnvoll, da die
Möglichkeiten
zur Anordnung der Dioden in einer als fünfphasigem Gleichrichter ausgebildeten Schaltung
stark eingeschränkt
sind. Daher macht die Ausbildung mindestens einer Über- oder
Unterwicklung insbesondere für
die Phasenzahl fünf
Sinn.
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Mit
Vorteil ist vorgesehen, dass die Wicklungen auf mindestens einem
Wickelkopf des Ständers verschaltet
sind. Sind die Wicklungen in Verschaltungspunkten auf dem Wickelkopf
verschaltet, so wird jeweils nur eine Leitung zum Verbinden der
Verschaltungspunkte mit der Schaltung benötigt. Dies ist zum Beispiel
bei Kompaktgeneratoren von Vorteil, bei denen der Ständer unmittelbar
von einer Abdeckung wie zum Beispiel einem Lagerschild umgeben ist
und außerhalb
dieser Abdeckung in der Schaltung verschaltet wird. Die nötigen Durchbrüche in derartigen
Abdeckungen können
bei einer Verschaltung der jeweiligen Anfänge/Enden der Wicklungen auf
einem Wickelkopf des Ständers
deutlich kleiner dimensioniert sein, da nur einzelne Leitungen aus
der Abdeckung herausgeführt
werden müssen.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass die überwickelte
Wicklung als erste Wicklung in den Kernkörper des Ständers eingebracht ist. Hieraus
folgen mechanische Vorteile, da eine zusätzliche Drahtmenge bei der überwickelten
Wicklung vergleichsweise einfach eingebracht werden kann.
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Alternativ
oder zusätzlich
ist vorgesehen, dass die unterwickelte Wicklung als letzte Wicklung in
den Kernkörper
des Ständers
eingebracht ist. Durch die Unterwicklung folgen mechanische Vorteile
durch eine verringerte Drahtmenge bei der zuletzt einbrachten Wicklung,
zum Beispiel durch geringere Einzugskräfte und verbleibenden Platz
in den Nuten und dem Wickelkopf.
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Insbesondere
ist vorgesehen, dass die Wicklungen als Einziehwicklungen ausgebildet
sind. Das Einziehen der Wicklungen ist eine bekannte Technik, bei
der die einzelnen Wicklungen erst vorgeformt werden, um anschließend auf
den Kernkörper übertragen
zu werden.
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Mit
Vorteil ist vorgesehen, dass die Wicklungen als Wellenwicklungen
ausgebildet sind. Wellenwicklungen eignen sich besonders gut zum
Einziehen in den Kernkörper.
Alternativ können
jedoch auch Schleifenwicklungen in die Nuten des Kernkörpers eingebracht
werden. Die Schleifenwicklung ist ein Wicklungstyp, bei dem zwei
aufeinanderfolgende zugeordnete Nuten jeweils im Wechsel mit einliegenden
Wicklungsabschnitten befüllt
werden. Dadurch entstehen im Wesentlichen schleifenförmige Elemente
der Wicklung.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass die Wellenwicklungen als einfache Wellenwicklungen
oder verteilte Wellenwicklungen ausgebildet sind. Bei einer einfachen
Wellenwicklung folgt periodisch ein in einer zugeordneten Nut einliegender
Wicklungsabschnitt auf eine Wickelkopfverbindung, wobei die Wickelkopfverbindung
von einer zur nächsten
Nut nur auf einer Seite des Kernkörpers entsteht. Bei einer verteilten
Wellenführung
folgt periodisch ein in einer zugeordneten Nut einliegender Wicklungsabschnitt
auf eine Wickelkopfverbindung, wobei die Wickelkopfverbindung von
einer zur nächsten
Nut auf beiden Seiten des Kernkörpers
entsteht.
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Mit
Vorteil ist vorgesehen, dass jede der Wicklungen von mehreren parallel
geführten
Drähten gebildet
ist. Zur Vereinfachung des Einziehvorgangs ist bekannt, pro Leiter
mehrere parallel geführte Drähte zu verwenden.
Dabei werden insbesondere zwei bis vier parallel geführte Drähte verwendet,
wodurch der Einziehvorgang stark vereinfacht ist.
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Insbesondere
ist eine mehrphasige Brückenschaltung
vorgesehen, in der die Wicklungen verschaltet sind. Ist die mehrphasige
elektrische Maschine als Generator ausgebildet, so ist die Brückenschaltung
zum Beispiel eine mehrphasige Gleichrichterschaltung mit einer entsprechenden
Anzahl von Dioden.
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Mit
Vorteil ist vorgesehen, dass die Verschaltung der Wicklungen in
der Brückenschaltung
einer Verschaltung in einer Drudenfuß-Anordnung ist. Die Drudenfußanordnung
ist ein Verschaltungstyp, bei dem die fünf Wicklungen elektrisch so
miteinander verbunden werden, dass die Form des Schaltbildes ein
Pentagramm ergibt.
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Weiterhin
ist mindestens ein axial mit dem Läufer verbundener Radiallüfter und
mindestens ein Lagerschild vorgesehen, das den Ständer, den
Läufer
und den Radiallüfter
zumindest teilweise umgibt. Eine solche Anordnung ist typisch für Kompaktgeneratoren
mit innenliegenden Radiallüftern.
Bei derartigen Kompaktgeneratoren kommen Ständer zum Einsatz, die mit Einziehtechnik
hergestellt werden. Um die Anzahl der Durchbrüche in der als Lagerschild ausgebildeten
Abdeckung gering zu halten, werden die Anfänge/Enden der Wicklungen auf
den Wickelköpfen
verschaltet.
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Schließlich ist
vorgesehen, dass die elektrische Maschine als Klauenpolmaschine
ausgebildet ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1a einen
nicht erfindungsgemäßen fünfphasigen
Ständer
in Drudenfuß-Verschaltung
bei gleichmäßiger Bewicklung
aller Wicklungen,
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1b ein
Wicklungsschema des fünfphasigen
Ständers
der 1a mit fünf
einfachen Wellenwicklungen,
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1c ein
Wicklungsschema des fünfphasigen
Ständers
der 1a mit fünf
verteilten Wellenwicklungen,
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2a und 2b einen
fünfphasigen Ständer in
Drudenfußverschaltung,
bei dem die fünfte Wicklung
als Unterwicklung ausgebildet ist und einem entsprechenden Wicklungsschema
mit fünf
einfachen Wellenwicklungen,
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3a und 3b einen
fünfphasigen Ständer in
Drudenfußverschaltung,
bei dem die erste Wicklung als Überwicklung
ausgebildet ist und einem entsprechenden Wicklungsschema mit fünf einfachen
Wellenwicklungen und
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4 eine
schematische Darstellung einer Drudenfußverschaltung.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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Die 1a zeigt
einen Ständer 1 einer
nicht erfindungsgemäßen, als
Generator ausgebildeten elektrischen Maschine. Der Ständer 1 weist
einen als Ständerblechpaket
ausgebildeten Kernkörper 2 auf, der
im Wesentlichen hohlzylinderförmig
ausgebildet ist. Der Kernkörper 2 weist
nicht dargestellte Nuten auf. Die Nuten sind über den Umfang des Kernkörpers verteilt
angeordnet und sind jeweils axial ausgerichtet. In den Nuten liegen
fünf Wicklungen 3, 4, 5, 6, 7 ein.
Die Anzahl der Wicklungen 3, 4, 5, 6, 7 ergibt sich
aus der Phasenzahl. Die Anzahl der Wicklungen 3, 4, 5, 6, 7 kann
dabei der Phasenzahl oder einem vielfachen der Phasenzahl entsprechen.
Die Phasenzahl des in den 1a bis 3b dargestellten Ständers 1 ist
jeweils fünf.
In den hier gezeigten Beispielen ist die Anzahl der Wicklungen damit
gleich der Phasenzahl. Die Wicklungen 3, 4, 5, 6, 7 bilden an
den Stirnseiten 8, 9 des Kernkörpers 2 jeweils einen
Wickelkopf 10, 11. Jede der fünf Wicklungen 3, 4, 5, 6, 7 ist
gleich ausgebildet, weist einen Anfang 3.1, 4.1, 5.1, 6.1, 7.1 und
ein Ende 3.2, 4.2, 5.2, 6.2, 7.2 auf
und liegt in ihr zugeordneten Nuten ein. Die Anzahl der Nuten ist
dabei zum Beispiel sechzig. Die Anfänge 3.1, 4.1, 5.1, 6.1, 7.1 und
Enden 3.2, 4.2, 5.2, 6.2, 7.2 sind
auf dem ersten Wickelkopf 10 in einer Drudenfußanordnung
verschaltet. Die Drudenfuß-Anordnung
(Pentagramm-Anordnung) ist eine bekannte Schaltungsanordnung für eine fünfphasige elektrische
Maschine. Zur Verschaltung ist das Ende 3.2 der ersten
Wicklung 3 mit dem Anfang 6.1 der vierten Wicklung 6 das
Ende 6.2 der vierten Wicklung 6 mit dem Anfang 4.1 der
zweiten Wicklung 4 das Ende 4.2 der zweiten Wicklung 4 mit
dem Anfang 7.1 der fünften
Wicklung 7, das Ende 7.2 der fünften Wicklung 7 mit
dem Anfang 5.1 der dritten Wicklung 5 und das
Ende 5.2 der dritten Wicklung 5 mit dem Anfang 3.1 der
ersten Wicklung 3 verbunden. Dabei ergeben sich entsprechende
Verschaltungswege A, B, C, D, E, auf dem Wickelkopf 10.
Da alle fünf
Wicklungen 3, 4, 5, 6, 7 gleich
lang ausgebildet sind, ergeben sich bei dem Ständer 1 bei der dargestellten
Verschaltung der Wicklungen 3, 4, 5, 6, 7 vier
kurze Verschaltungswege A, B, D, E und ein überlanger Verschaltungsweg
C beim Verschalten des Endes 4.2 der zweiten Wicklung 4 mit
dem Anfang 7.1 der fünften
Wicklung 7. Der Anfang 7.1 der fünften Wicklung 7 ist
entlang des Wickelkopfs 10 geführt und an nicht dargestellten
Fixpunkten, zum Beispiel mit Klebeharz, auf dem Wickelkopf 10 fixiert.
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Die 1b zeigt
ein mögliches,
nicht erfindungsgemäßes Wickelschema
der Wicklungen 3, 4, 5, 6, 7 im
Kernkörper 2.
Dieses Wickelschema ist zum Beispiel im Ständer 1 der 1a realisiert.
Dabei haben die Wicklungen 3, 4, 5, 6, 7 alle
die gleiche Länge
und sind als einfache Wellenwicklungen 12, 13, 14, 15, 16 ausgebildet.
Diese einfachen Wellenwicklungen 12, 13, 14, 15, 16 eignen
sich besonders gut, um als Einziehwicklungen in die entsprechenden Nuten
eingezogen zu werden. Dazu sind die Einziehwicklungen bereits vorgeformt
und werden durch Einziehen auf den Kernkörper 2 übertragen.
Die Wellenwicklungen der 1b sind
dabei als einfache Wicklungen – also
als einfache Wellenwicklungen 12, 13, 14, 15, 16 – ausgebildet.
Dabei wird jede der Wicklungen 3, 4, 5, 6, 7 von
mindestens einem Draht 22 gebildet. Bei mehreren Drähten 22,
die eine Wicklung bilden, sind die Drähte 22 parallel geführt. Die jeweiligen
Anfänge 3.1, 4.1, 5.1, 6.1, 7.1 und/oder
Enden 3.2, 4.2, 5.2, 6.2, 7.2,
der Wicklungen werden miteinander verschaltet. Dabei ergeben sich
die Verschaltungswege A, B, C, D, E. Die Wellenwicklungen 12, 13, 14, 15, 16 bestehen
aus periodisch aufeinander folgenden Wicklungsabschnitten 23,
die in den Nuten des Kernkörpers 2 einliegen
und Wicklungsbereichen 24, die die Wickelköpfe 10, 11 bilden.
Jede der einfachen Wellenwicklungen 12, 13, 14, 15, 16 weist in
diesem Beispiel mehrere Wicklungsumläufe auf. Die Wicklungen 3, 4, 5, 6, 7 der 1a und 1b sind
gleich lang ausgebildet, sodass sich bei der gezeigten Anordnung
vier kurze, gleichmäßig beabstandete
Verschaltungswege A, B, D, E und ein langer Verschaltungsweg C ergeben.
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Die 1c zeigt
ein weiteres, nicht erfindungsgemäßes Wickelschema von Wicklungen 3, 4, 5, 6, 7,
die als verteilte Wellenwicklungen 17, 18, 19, 20, 21 ausgebildet
sind. Das Wickelschema entspricht im Wesentlichen dem Wickelschema
der 1b.
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Die 2a und 3a entsprechen
im Wesentlichen der 1a und die 2b und 3b entsprechen
im Wesentlichen der 1b, sodass hier nur auf die
Unterschiede eingegangen wird.
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Die 2a zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel
des Ständers 1 einer
erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine in einer Drudenfußverschaltung, bei
dem die fünfte
Wicklung 7 als unterwickelte Wicklung 7' ausgebildet
ist. Die unterwickelte Wicklung 7' ist um soviel kürzer als
eine Wicklung 7 mit "normaler" Länge, dass
das Ende 7.1 im Winkelabschnitt 25 des Anfangs 4.2 der
zweiten Wicklung 4 endet. Dadurch dass das Ende 7.1 im
Winkelabschnitt 25 endet ergibt sich ein kurzer Verschaltungsweg
C'. Zwischen dem
Winkelabschnitt 26, in dem die dritte Wicklung 5 anfängt und
dem Winkelabschnitt 25, in dem die zweite Wicklung 4 endet,
weist der Ständer 1 einen
unterwickelten Bereich 27 der Wicklung 7' auf.
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Eine
auftretende Temperaturerhöhung
der unterwickelten Wicklung 7', verursacht durch die Reduzierung
der Länge
kann durch Anordnung der unterwickelten Wicklung 7' an der Innenseite 29 des
Wickelkopfes 10 bei einem Nutschlitz ausgeglichen werden,
da dieser Bereich von einem nicht dargestellten Radiallüfter gut
gekühlt
wird. Durch die Unterwicklung folgen auch mechanische Vorteile durch
die verringerte Drahtmenge bei der zuletzt eingezogenen unterwickelten
Wicklung 7',
zum Beispiel durch geringere Einzugskräfte und verbleibenden Platz
in den Nuten und den Wickelköpfen 10, 11.
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Die 3a und 3b zeigen
ein zweites Ausführungsbeispiel
des Ständers 1 der
erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine in Drudenfußverschaltung,
wobei die erste Wicklung überwickelt 3'' ausgebildet ist. Die überwickelte
Wicklung 3'' ist dabei länger als
die "normal" ausgebildete erste
Wicklung 3. Dadurch ergibt sich ein überwickelter Bereich 28 zwischen
den Winkelabschnitten 25 und 26. Das Wickelende 3.2 der überwickelten
Wicklung 3'' liegt im Winkelabschnitt 26,
in der Nähe
des Endes 5.1 der dritten Wicklung 5. Dadurch
ergibt sich ein kurzer Verschaltungsweg E''.
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Die
Temperaturänderung
der überwickelten Wicklung 3'' gegenüber der "normal" ausgebildeten Wicklung 3 durch
die größere Länge kann
durch die Anordnung der überwickelten
Wicklung 3'' an einem Außenumfang 30 des
Wickelkopfes 10 an einem Nutgrund ausgeglichen werden.
Auch hieraus folgen mechanische Vorteile, da die zusätzliche
Drahtmenge bei der als überwickelten
Wicklung 3'' Wicklung 3 vergleichsweise
einfach eingezogen werden kann.
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Die 4 zeigt
den Verschaltungstyp einer Drudenfußanordnung, bei dem die fünf Wicklungen elektrisch
so miteinander verbunden werden, dass die Form des Schaltbildes
ein Pentagramm ergibt.
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Durch
die kurzen Verschaltungswege bei Unter- beziehungsweise Überwicklung
wird die Kühlluftströmung des
Radiallüfters
weniger gestört,
sodass der Ständer 1 gleichmäßig gekühlt wird,
wobei weniger Strömungsgeräusche auftreten.
Durch die kurzen Verschaltungswege entfallen zusätzliche Fixierungspunkte, die
bei überlangen
Verschaltungswegen benötigt
werden.
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Die
in den 2a und 2b beziehungsweise 3a und 3b dargestellten
Anordnungen sind für
alle Wicklungsarten (einfache Wellenwicklung 12, 13, 14, 15, 16,
verteilte Wellenwicklung 17, 18, 19, 20, 21,
Schleifenwicklung und verteilte Schleifenwicklung) geeignet. Weiterhin
eignet sich die Anordnung mit mindestens einer unterwickelten oder überwickelten
Wicklung 3'', 7' für alle Polpaarzahlen
eines Läufers
(insbesondere sechs oder acht Pole), alle Drahtzahlen (insbesondere
ein bis vier parallel geführte
Drähte 22 pro
Wicklung 3, 4, 5, 6, 7), alle
Drahtquerschnitte der parallel geführten Drähte 22 (Rund-, Profil-
beziehungsweise geprägte
Formdrähte),
alle Herstelltechniken des Kernkörpers 2 (Kernkörper aus
Rundlamellen und hochkantgerollte Kernkörper) einer elektrischen Maschine,
insbesondere eines Generators mit in bevorzugt als Lagerschilde
ausgebildeten Abdeckungen einliegendem Radiallüfter. Diese Generatoren sind
insbesondere als Kraftfahrzeug-Generatoren ausgebildet.
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Mit
Vorteil ist ein Läufer
mit einer Polzahl vorgesehen, die multipliziert mit der Phasenzahl
die Anzahl der Nuten ergibt. Ist der Ständer bei fünf Phasen zum Beispiel für einen
Läufer
mit zwölf
Polen ausgelegt, so ergibt sich eine Anzahl von sechzig Nuten.