DE3320805A1

DE3320805A1 - Vielpolige, mehrphasige synchronmaschine

Info

Publication number: DE3320805A1
Application number: DE19833320805
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dr.-Ing. Dr. 6800 Mannheim Abraham
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: Fried Krupp AG Hoesch Krupp
Priority date: 1983-06-09
Filing date: 1983-06-09
Publication date: 1984-12-13
Also published as: DE3320805C2

Description

Vielpolige, mehrphasige Svnchronmaschine-
Die Erfindung bezieht sich auf eine vielPol.ige, mehrphasige Synchronmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche vielpolige, mehrphasige Synchronmaschine ist beispielsweise aus Tagen, Einführung in die Theorie der elektrischen Maschinen, II., Svnchron- und Asynchronmaschinen, Verlag Vieweg und Sohn, Braunschweig, Seite 1 bis 4 bekannt.
Bei langsam laufenden Maschinen bzw. Geräten bietet der Direktantrieb ohne Untersetzungsgetriebe erhebliche Vorteile bezüglich Verschleiß, Positionierverhalten und dynamischer Eigenschaften gegenüber einem Antrieb mit Untersetzungsgetriebe. Bei Geräten mjt großem Durchmesser kann bei Direktantrieb die Antriebsmaschine als Ringmotor ausgeführt und direkt in das Gerät bzw. das Hauptlager des Gerätes integriert werden. Dies führt zu vielpoligen Maschinen mit Polzahlen von 30 bis weit über 100 und zu sehr kurzen Ankerlängen. Der Ringmotor soll wegen der Einbauverhältnisse möglichst klein sein, er muß aber trotzdem einen guten Wirkungsgrad haben und kostengünstig zu fertigen sein. Im Lei.stungsbereich von einigen kW bis zu etwa 100kW bietet die permanenterregte Synchronmaschine zur Erfüllung dieser Forderungen die günstigsten Eigenschaften.
Wegen der kurzen Ankerlänge der Ringmotoren können die Wicklungsköpfe einen großen Anteil der Kupferverluste verursachen und einen wesentlichen Anteil des Volumens beansDruchen. Die bei herkömmlichen elektrischen Maschinen üblichen Zweischicht- oder iweietagenwicklungen haben relativ große Wickelköpfe, da sich die Wicklungen im Wicklungskopf kreuzen und aneinander vorbeigeführt werden müssen. Deswegen können für kleine Drehstrommaschinen Ankerwicklungen vorgesehen werden, bei denen die Spulen der verschiedenen Phasen R, S, T mit wechselnder Stromflußrichtung ohne ede berlappung nebeneinander liegen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.
In einer besonderen Ausführungsart können die Seiten zweier benachbarter SDulen- in derselben Nut liegen. Derartige Wicklungen benötigen nur einen sehr kleinen Wicklungskopf. Es sind jedoch weiterhin relativ komplizierte Drehstrom-Schaltverbindungen zwischen den Spulen der Wicklungsstränge R, S, T erforderlich. Außerdem führt die Wicklung nach Fig. 1 zu einer relativ kleinen Polteilung p = zr/p (wobei p = Polpaarzahl) und damit zu einer schlechten Ausnutzung der Maschinen.
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine vielpolige, mehrphasige Synchronmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, die aufgrund einer guten Ausnutzung und geringer Verluste einen guten Wirkungsgrad aufweist und dabei gleichzeitig möglichst klein im Volumen ausgebildet ist, Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Dabei kann einmal zwischen den Zonen ein räumlicher Abstand vorgesehen sein, der dem. Phasenwinkel zwischen den zugeordneten Wicklungssträngen entspricht; zum anderen können die Ankerspulen einer Zone in Reihe geschaltet werden und die Polteilungen der Ankerwicklung und der Erregung in der Weise verschieden sein, daß sich innerhalb einer Zone eine Phasenverschiebung ergibt, die dem Phasenwinkel zwischen zwei Wicklungssträngen entspricht.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß gegenüber bekannten Anordnungen die Polteilung der Maschine vergrößert werden kann und daß die Schaltverbindungen zwischen den Wicklungen wesentlich einfacher sind als bei herkömmlichen Maschinen.
Außerdem bleiben die'Reluktanzmomente trotz extrem kleiner Nutenzahl pro Pol und Strang gering, was bei Positionierantrieben wichtig ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen erläutert.
Es zeigen: Fig. 2 einen Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung, Fig. 3 eine dreiphasige Wicklungsanordnung mit sechs Zonen, Fig. 4 eine konstruktive Ausführung der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung.
In Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung dargestellt, und zwar sind beispielhaft sechs nebeneinanderliegende Spulen S1....S6 mit wechselnder Stromflußrichtung R, -R, R, -fl.... einer ersten Zone Z1 (Phase R) und zwei nebeneinanderliegende Spulen S7, S8 mit wechselnder Stromflußrichtung T, -T einer zweiten Zone Z2 (Phase T) gezeigt, wobei ein räumlicher Abstand a am ttbergang von der Wicklungszone Z1 zur Wicklungszone Z? vorgesehen ist. Die Seiten zweier benachbarter Spulen liegen jeweils in derselben Nut.
Die Spulen in einer Zone können im Prinzip gleich aufgebäut sein wie bei einer Wicklung..nach Fig. 1. Die Polteilung t p ist gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 um den Faktor 4/3 erhöht. In jeder Wicklungszone können die Spulen vorzeichenrichtig in Reihe oder'auch parallel geschaltet werden.
Pro Wicklungsstrang R, S, T, können am Umfang der Maschine eine oder mehrere Wicklungszonen angeordnet sein.
Es können prinzipiell auch Wicklungszonen verschiedener Breite verwendet werden, wobei im Normalfall die Summe der Zonenbreiten für alle W:icklungsstränge gleich sein sollte. Besonders günstig für die Fertigung ist es jedoch, in einer Maschine nur Zonen gleicher Breite anzuordnen.
Bei dreiphasigen Maschinen mit hoher Polzahl sind vorzugsweise sechs gleich breite Zonen Z1,..Z6 vorgesehen, wie in Fig. 3 dargestellt, wobei der Abstand a zwischen zwei Zonen gleich einem Drittel der Polteilung ist, d.h.
a = Q: p/3. Man erhält damit eine Maschine ohne einseitigen magnetischen Zug, wobei durch die Summe der räumlichen Abstände a ein Teil des Umfanges unbewickelt bleibt, der einer doppelten Polteilung entspricht, d.h.
6a = 6 2-p/3 = 2 tp.
Beim Beispiel gemäß Fig. 3 sind in jeder Zone Z1...Z6 jeweils acht nebeneinanderliegende Spulen vorgesehen, so daß die gesamte Wicklungsanordnung 48 Spulen-S1...S48 aufweist.
Um den umbewickelten Teil einer dreiphasigen Maschine weiter zu verringern, kann man auch lediglich drei gleich große Zonen mit einer ungeraden Anzahl von Polen vorsehen, wobei der räumliche Abstand a zwischen den Zonen gleich einem Drittel der Polteilung ist, d.h.
a = 35 D/3. Der unbewickelte Teil des Umfanges entspricht dann nur noch-einer Polteilung, d.h.
3a = 3 t p/3 = 12 p. Allerdings hat die Maschine bei dieser Anordnung einen einseitigen magnetischen. Zug.
Bei zweiphasigen Maschinen werden vorzugsweise vier gleich breite Zonen am Umfang angeordnet, wobei der räumliche Abstand a zwischen zwei Zonen gleich der Hälfte der Polteilung ist.
Der Abstand a zwischen den Zonen kann auch gleichmaRig über die Zone verteilt werden. Man kommt dann zu Wicklungen, deren Polteilung großer ist als die Polteilung der Erregung. Dadurch ergibt sich zwischen benachbarten Spulen eine kleine Phasenverschiebung, die sich innerhalb einer Zone zum Phasenwinkel zwischen benachbarten Wicklungssträngen addiert. Wegen der Phasenverschiebung mUssen dabei die Spulen einer Zone in ReiVe geschattet werden. Die Polteilung der Ankerwicklung kann auch kleiner gewählt werden als die Polteilung der Erregung.
Dies entspricht einem negativen Abstand a zwischen den Zonen.
Durch die gleichmäßige Verteilung der Phasenverschiebung über die Zone wird die Form der Ankerspannung verbessert, da sich durch die Addition der Snannungen verschiedene Zonenfaktoren für Grund- und Oberschwingungen ergeben. AuRerdem werden die Reluktanzmomente der Maschine wesentlich verringert, weil wegen der unterschiedlichen Polteilungen keine Vorzugsstellungen für den magnetischen Fluß vorhanden sind.
Dreiphasige Synohronmaschinen werden bei gleichmäßiger Verteilung des Abstandes am günstigsten mit sechs gleich großen Zonen ausgeführt, die jeweils eine -Phasenverschiebung von 600 bewirken. Das heißt, die Polpaarzahl der Ankerwicklung ist um ein Polpaar kleiner oder größer als die Polpaarzahl der Erregung. Die Ausführung mit sechs Zonen bewirkt auch hier eine Maschine ohne einseitigen magnetischen Zug-.
Man kann bei einer dreiphasigen Maschine auch mit drei Zonen auskommen, wenn die Spulenzahl ungerade ist. Die Phasenverschiebung zwischen zwei Zonen entspricht 600, d.h. die Polzahl der Ankerwicklung ist um einen Pol größer oder kleiner als die Polzahl der Erregung.
Bei zweiphasigen Maschinen sind am Umfang vorzugsweise vier gleiche Zonen vorhanden und die Phasenverschiebung innerhalb einer Zone entspricht einem Phasenwinkel von 900.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für die konstruktive Ausführung einer Maschine. Dargestellt ist ein Ausschnitt aus einer Außenpolmaschine, die vorzugsweise. als 'AuAenläufermaschine eingesetzt wird. Die Erregung wird durch Permanentmagnete 1 erzeugt, die auf ein Joch 2 des Läufers aufgesetzt sind. In Nuten des Ankerblechpaketes R des Standers sind Spulen 4a, 4b., 4c.... der Ankerwicklung untergebracht. Die Zähne 5 des Blechpaketes 3 sind mit Polschuhen 6 versehen, welche die Nuten teilweise schließen. Dadurch werden der Induktionsverlauf für die Ankerwicklung verbessert und die Ausnutzung der Maschine gesteigert.
Die Erfindung ist nicht auf Ringmotoren begrenzt, sondern kann allgemein bei mehrphasigen Synchronmaschinen mit gröReren Polzahlen (etwa.ah 8) vorteilhaft angewandt werden. Dabei können permanenterregte und auch elektrisch erregte Maschinen (Motoren oder.Generatoren) entsprechend der Erfindung gebaut werden.
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Claims

Ansprüche 1. Vielpolige, mehrphasige mehrphasige Synchronmaschine, die vorz w weise durch Permanentmagnete erregt wird, mit einer Ankerwicklung, die.aus nebepeinanderliegenden Spulen besteht, wobei die Seiten zweier benachbarter Spulen in jeweils derselben Nut liegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerumfang in mehrere verschiedene Zonen (Z1...Zn, n - beliebige ganze Zahl) aufgeteilt ist, wobei in jeder Zone nur Spulen (S1...Sm, m = beliebige ganze Zahl) des gleichen Wicklungsstranges (R,S,T) angeordnet sind und jeweils ein Phasenwinkel zwischen den einzelnen Zonen vorhanden ist.
2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zonen ein räumlicher Abstand (a) vorgesehen ist, der dem'Phasenwinkel zwischen den zugeordneten Wicklungsträgern entspricht.
3. Synchronmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dreiphasiger Ausführung sechs gleich groBe Zonen am Umfang vorgesehen sind und der räumliche Abstand (a) zwischen den Zonen gleich einem Drittel der Polteilung ist.
4. Synchronmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dreiDhasiger Ausführung am Umfang drei gleich großen Zonen mit einer ungeraden Zahl von Spulen vorgesehen sind und der rRumliche Abstand (a) zwischen den Zonen gleich einem Drittel der Polteilung ist.
5. Synchronmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei zweiphasiger Ausführung vier gleich große Zonen am Umfang vorgesehen sind und der räumliche Abstand (a) zwischen den Zonen gleich der Hälfte der Polteilung ist.
6. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerspulen einer Zone in Reihe geschaltet und die Polteilungen der Ankerwicklung und der Erregung in der Weise verschieden sind, daß sich innerhalb einer Zone eine Phasenverschiebung ergibt, die dem Phasenwinkel zwischen zwei Wicklungssträngen entspricht.
7. Synchronmaschine nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei dreiphasiger Ausführung sechs gleich große Zonen am Umfang vorhanden sind und die Phasenverschiebung innerhalb einer Zone einem Phasenwinkel von 600 entspricht.
8. Synchronmaschine nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei dreiDhasiger Ausführung am Umfang drei gleiche Zonen mit einer ungeraden Zahl von Spulen vorgesehen sind und die Phasenverschiebung innerhalb einer Zone einem Phasenwinkel von 600 entspricht.
9. Synchronmaschine nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei zweiphasiger Ausführung am Umfang vier gleiche Zonen vorhanden sind und die Phasenverschiebung innerhalb einer Zone einem Phasenwinke] von 900 entspricht.
10. Synchronmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (5) des Ankerblechpaketes (3) mit Polschuhen (6) versehen sind, welche die Nut teilweise schließen.