DE10049883A1 - Mehrphasenmotoren mit Wicklungen ohne Spulenüberlappung - Google Patents

Abstract

Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine Magnetkreisgeometrie und damit eine Wicklunganordnung für Drehstromsynchron- und Asynchronmotoren (eisenbehaftet oder einsenlos) zu finden, geeignet für den Einsatz nichtüberlappender Spulen bei Mehrphasenwicklungen und mit geringer magnetischer Rastung bei eisenbehafteter Wicklung. Die induzierte spannung dieser Motoren soll weitestgehend sinusförmig sein. Diese Magnetkreisgeometrie kommt bei der Realisierung von Linearmotoren und rotatorischen Motoren zur Anwendung. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden die Spulen bei eisenbehafteten oder eisenlosen Wicklungen in Primärteilen so gestaltet, daß mehrere Spulen einer Phase nacheinander und nicht überlappend als Spulengruppe einer Phase angeordnet werden. Die Spulengruppen der weiteren Phasen sind dazu um jeweils 360 DEG dividiert durch die Phasenzahl elektrisch versetzt und bilden gemeinsam mit der Spulengruppe der ersten Phase ein Motormodul, mit dem Modulverhältnis Gesamtpolzahl (p) zu Gesamtspulenzahl (Z) von p = Z + 1. Der Motor (linear oder rotatorisch, synchron oder asynchron) kann erfindungsgemäß aus einem oder mehreren hintereinander gereihten Modulen aufgebaut werden, wobei die einzelnen Module konstruktiv direkt verbunden sein können.

Description

Im Allgemeinen werden heute permanenterregte Drehstromsynchronmotoren und auch Asynchronkurzschlussläufermotoren sowohl als Linearmotoren als auch als rotatorische Motoren mit Wicklungen ausgeführt, bei der sich Spulen verschiedener Motorphasen überlappen.

Diese Wicklungen sind schwer herstellbar und haben einen Wickelkopf, der den mehrfachen Spulenquerschnitt aufweist.

Ziel der Erfindung ist es, eine Magnetkreisgeometrie und damit eine Wicklungsanordnung für permanenterregte Drehstromsynchronmotoren und Asynchronkurzschlussläufermotoren (eisenbehaftet oder eisenlos) zu finden, die die Verwendung nicht überlappender Spulen bei Mehrphasenwicklungen erlaubt sowie eine weitestgehende Sinusform der induzierten Spannung und bei eisenbehafteter Wicklung eine möglichst geringe magnetische Rastung (Cogging) aufweist. Diese Magnetkreisgeometrie soll besonders bei der Realisierung von eisenbehafteten und eisenlosen Linearmotoren und vielpoligen rotatorischen Motoren (z. B. Torquemotoren) zur Anwendung kommen.

Erfindungsgemäß werden die Spulen bei eisenbehafteten oder eisenlosen Wicklungen in den Primärteilen so gestaltet, daß mehrere Spulen einer Phase nacheinander und nicht überlappend als Spulengruppe einer Phase angeordnet werden. Die Spulengruppen der weiteren Phasen sind dazu um jeweils 360° dividiert durch die Phasenzahl des Motors elektrisch versetzt (z. B. bei einer dreiphasigen Wicklung um 120°), und bilden gemeinsam mit der Spulengruppe der ersten Phase ein Motormodul.

Zum Erreichen von gleichmäßigen Spulenabständen bei eisenbehafteten oder eisenlosen Wicklungen in Primärteilen werden die sich ergebenden Teilungen innerhalb der einzelnen Spulen­ gruppen der Phasen erfindungsgemäß gedehnt. Diese Maßnahme verbessert die Sinusform der induzierten Spannung.

Bei eisenbehafteten Primärteilen reduziert die gleichmäßige Spulenaufteilung auch die magnetische Rastung zwischen Induktorkamm und den Magneten.

Der Magnetkreis ist erfindungsgemäß bei eisenbehafteten Primärteilen so gestaltet, daß jeder Zahn des Induktorkammes eine Spule aufnimmt. Die Zahnflanken des Induktorkammes sind vorzugsweise parallel ausgeführt, welches den Spuleneinbau entscheidend erleichtert.

Der Motor (linear oder rotatorisch, synchron oder asynchron) kann erfindungsgemäß aus einem oder mehreren hintereinander gereihten Modulen aufgebaut werden, wobei die einzelnen Module konstruktiv direkt verbunden sein können.

Eine besonders günstige Lösung ergibt sich z. B. bei einem eisenbehafteten dreiphasigen Primärteil für einen permanentmagneterregten Motor, wenn die einzelnen Spulengruppen einer Phase aus je drei Spulen gebildet werden und damit das Primärteil des Motormoduls aus insgesamt 9 Spulen besteht, die auf 9 Zähnen des Induktorkammes angeordnet sind, welches 10 Permanentmagnete des Sekundärteiles überdeckt. Die magnetische Rastung dieses Motors ist sehr gering, da innerhalb des Motormoduls alle Zähne des Induktorkammes unterschiedliche Raststellen aufweisen. Die induzierte Spannung ist praktisch sinusförmig.

Um die vorgenannten Charakteristiken des Magnetkreises bzw. der Wicklung zu erreichen, sind bei der Gestaltung eines Motormoduls folgende Bedingungen einzuhalten:

• 1. Die Anzahl der vom Motormodul überdeckten Pole des Sekundärteils ist nicht durch die Phasenzahl ganzzahlig teilbar und um 1 größer als die Anzahl der Spulen im Primärteil. Da zum Erreichen guter Motoreigenschaften minimal zwei Spulen je Phase angeordnet werden müssen und die Gesamt­ zahl der Spulen im Motormodul ganzzahlig durch die Phasenzahl (m) teilbar sein muß, ist die vom Motormodul zu überdeckende Polanzahl (p) des Sekundärteiles durch die Beziehung p = 1 + n.m bestimmt, wobei n eine ganze natürliche Zahl < = 2 ist.
• 2. Um Motormodule lückenlos aneinanderreihen zu können, muß die Anzahl der vom Modul überdeckten Pole geradzahlig sein. Für nur aus einem Modul bestehende Linearmotoren muß diese Bedingung nicht eingehalten werden.
• 3. Der mittige Abstand zwischen den Spulengruppen zweier Phasen beträgt genau 1/m des elektrischen Winkels der vom Primärteil des Moduls überdeckten Pole, der mittige Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Spulen ist gleich.

Die vorgenannten Prinzipien werden an Hand der beiliegenden Zeichnungen von eisenbehafteten permanenterregten Motoren näher erläutert:

Fig. 1 Prinzipdarstellung eines trivialen Linearmotors mit 4 Magneten und 3 Spulen.

Fig. 2 Prinzipdarstellung eines nicht erfindungsgemäß ausgeführten Linearmotors mit 8 Magneten und 6 Spulen.

Fig. 3 Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäß ausgeführten Linearmotors mit 7 Magneten und 6 Spulen.

Fig. 4 Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäß ausgeführten Linearmotors mit 10 Magneten und 9 Spulen.

Fig. 5 Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäß ausgeführten rotatorischen Motors mit 10 Magneten und 9 Spulen.

Fig. 6 Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäß ausgeführten rotatorischen Motors mit 20 Magneten und 18 Spulen.

Beim im Fig. 1 dargestellten trivialen Linearmotor ist die induzierte Spannung nicht sinusförmig und der Primärteil des Motormodules hat 3 magnetische Raststellen bei einer Bewegung über eine Polteilung (180° el) gegenüber dem Sekundärteil.

Auch beim in Fig. 2 gezeigten, nicht erfindungsgemäß gestalteten Linearmotormodul treten die gleichen Rastungsprobleme auf, da sich magnetische Raststellen gleichzeitig an um 720° el. versetzten Zähnen des Induktorkammes ausbilden.

Erst das in Fig. 3 gezeigte erfindungsgemäße Linearmotormodul weist diese Eigenschaft nicht auf. Alle 6 Zähne des Induktorkammes sind gegenüber den Permanentmagneten des Sekundärteiles unterschiedlich versetzt, so daß bei einer Bewegung über eine Polteilung 6 schwache, nicht störende magnetische Rastungen auftreten. Die induzierte Spannung ist größer, da die Dehnung des Zahnabstandes zum Erreichen einer gleichen Zahnteilung im Primärteil gegenüber den im Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Motormodulen geringer gewählt werden kann. Durch ungradzahlige Magnetzahl ist dieses Motormodul aber nicht für eine Reihung geeignet.

Das in Fig. 4 gezeigte erfindungsgemäß gestaltete Motormodul mit 10 Magneten im Sekundärteil und 9 Zähnen im Induktorkamm hat durch 9 schwach ausgeprägte magnetische Rastungen bei der Bewegung über eine Polteilung und durch die geringe erforderliche Dehnung der Zahnteilung ideale Eigenschaften hinsichtlich der magnetischen Rastung und der Form sowie der Größe der induzierten Spannung. Durch geradzahlige Magnetanzahl im Sekundärteil ist dieses Motormodul für eine Anreihung gut geeignet.

Einen, auf der Basis des in Fig. 4 dargestellten Linearmotormoduls, gestalteten rotatorischen Motor zeigt Fig. 5. Die bei dieser Lösung auftretende radiale Wellendurchbiegung durch sich ändernde Stromaufteilung zwischen den Phasen während einer Periode des Motorstromes wird durch den Aufbau eines Motors nach Fig. 6 mit 20 Magneten und 18 Zähnen am Primärteil auf der Basis von zwei angereihten Motormodulen nach Fig. 4 vermieden. Der Aufbau eines rotatorischen Motors aus mehr als zwei Motormodulen ist möglich und hat die gleichen Vorteile wie die Lösung nach Fig. 6.

Claims (5)

1. Mehrphasenmotoren mit Wicklungen ohne Spulenüberlappung dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spulen einer Phase nebeneinander und nicht überlappend als Spulengruppe einer Phase und eine der Phasenzahl der Wicklung entsprechende Anzahl solcher Spulengruppen ebenfalls nebeneinander ohne Überlappung ein Motormodul bilden, wobei die Gesamtzahl der Spulen ganzzahlig durch die Phasenzahl der Wicklung teilbar und um 1 kleiner als die von dem Motormodul überdeckte Polzahl des Sekundärteiles ist und die Wicklung des gesamten Motors aus einem oder mehreren dieser Motormodule besteht, die auch konstruktiv miteinander verbunden sein können.

2. Mehrphasenmotoren mit Wicklungen ohne Spulenüberlappung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der mittige Abstand zwischen zwei Spulengruppen immer genau 1/3 des elektrischen Winkels beträgt, welcher durch die durch das Primärteil überdeckten Pole gebildet wird und die Spulenabstände innerhalb der Spulengruppe einer Phase so weit gedehnt werden, daß sich gleiche Spulenweiten im Motormodul und damit auch gleiche Zahnabstände bei eisenbehafteten Primärteilen ergeben.

3. Mehrphasenmotoren mit Wicklung ohne Spulenüberlappung nach Anspruch 1. und 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnflanken der Zähne des Primärteiles bei eisenbehafteten Motoren parallel gestaltet werden.

4. Mehrphasenmotoren mit Wicklungen ohne Spulenüberlappung nach Anspruch 1. und 2. dadurch gekennzeichnet, daß für die Reihung von Motormodulen vorzugsweise solche verwendet werden, deren Primärteile eine geradzahlige Polanzahl des Sekundärteiles überdecken.

5. Mehrphasenmotoren mit Wicklungen ohne Spulenüberlappung nach Anspruch 1., 2. und 4. dadurch gekennzeichnet, daß für den Aufbau von rotatorischen Motoren vorzugsweise mindestens zwei Motormodule eingesetzt werden, deren Primärteile eine geradzahlige Polanzahl des Sekundärteiles überdecken.