DE102004007422B4

DE102004007422B4 - Synchronmaschine mit Statorspulen in Dreieckschaltung

Info

Publication number: DE102004007422B4
Application number: DE200410007422
Authority: DE
Inventors: Rolf Vollmer; Michael Zastrow
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2024-02-17
Also published as: DE102004007422A1; WO2005078896A1

Abstract

Dreiphasige Synchronmaschine mit
– einem Rotor, der eine vorbestimmte Polteilungsweite Tp besitzt,
– einem Stator, dessen Spulen eine vorbestimmte Spulenweite Tsp besitzen und im Dreieck verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
– die Ungleichung
2/3Tp + 2iTp – 1/6Tp < Tsp < 2/3Tp + 2iTp + 1/6Tp
oder
– die Ungleichung
4/3Tp + 2iTp – 1/6Tp < Tsp < 4/3Tp + 2iTp + 1/6Tp mit i = 1, 2, 3 ... erfüllt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine 3-phasige Drehstrom-Synchronmaschine mit einem Rotor, der eine vorbestimmte Polteilungsweite Tp besitzt, und einen Stator, dessen Spulen eine vorbestimmte Spulenweite Tsp besitzen und im Dreieck verschaltet sind.
Für 3-phasige Drehstrom-Synchronmaschinen herkömmlicher Bauart ist es wenig sinnvoll, die Wicklungen der Phasen im Dreieck zu schalten, weil durch Kreisströme zusätzliche Verluste entstehen. Die Kreisströme werden durch Oberwellen, nämliche dritte, sechste, neunte Harmonische etc., die ihrerseits vom Rotorfeld erzeugt werden, verursacht.
Die Möglichkeit, eine Maschine im Dreieck zu schalten, hätte jedoch folgende Vorteile:

– Die Variabilität hinsichtlich einstellbarer Motordaten wäre erhöht, da eine feinere Windungszahlstufung bei gleich guter Ausnutzung der Maschine möglich ist; insbesondere bei Motoren mit Zahnspulen ist die Variabilität der Windungszahlen stark eingeschränkt und bestimmte Windungszahlen lassen sich nur durch das Weglassen einzelner Windungen realisieren, woraus eine schlechtere Ausnutzung der Maschine folgt.
– Bei höheren Spulenwindungszahlen wären dünnere Wickeldrähte einsetzbar, was eine vereinfachte Fertigungstechnik zur Folge hat.
– Ein Umschalten von Stern- auf Dreickschaltung im Betrieb kann Performancevorteile hinsichtlich der Variabilität von Drehzahl und Drehmoment gewährleisten.

Aus der US 4,703,211 ist eine 3-phasige Synchronmaschine bekannt, die einen Rotor mit einer Polteilungsweite von 90° aufweist. Am Stator sind sechs Spulen mit einer Spulenweite von 60° vorgesehen, die im Dreieck verschaltet sind.
Aus der EP 0 271 125 B1 ist eine 3-phasige Synchronmaschine bekannt, bei der der Rotor eine Polteilungsweite von 45° hat und der Statur sechs Spulen mit einer Spulenweite von 60° aufweist, die im Dreieck verschaltet sind.
Die EP 1 276 212 A2 beschreibt eine elektrische Synchronmaschine, die einen Statur aufweist, der eine dreiphasige Drehstromwicklung mit einer mittleren Spulenweite aufweist, und wobei die elektrische Synchronmaschine ferner einen Rotor aufweist, der mit Permanentmagneten versehen ist, und zwar weist der Rotor eine gerade Polpaarzahl mit einer bestimmten Polteilungsweite auf, wobei sich ein Teilungsverhältnis zwischen mittlerer Spulenweite zur Polteilungsweite von > 2,5 ergibt. Sinn dieser Anordnung ist es, ein gegenüber herkömmlichen Synchronmaschinen verbessertes Drehmomentenverhalten zu erreichen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, in Ergänzung zum Stand der Technik eine Synchronmaschine bereitzustellen, die die genannten Vorzüge einer Maschine in Dreieckschaltung besitzt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine dreiphasige Synchronmaschine mit einem Rotor, der eine vorbestimmte Polteilungsweite Tp besitzt, einem Statur, dessen Spulen eine vorbestimmte Spulenweite Tsp besitzen und im Dreieck verschaltet sind, wobei die Ungleichung 2/3Tp + 2iTp – 1/6Tp < Tsp < 2/3Tp + 2iTp + 1/6Tp oder die Ungleichung 4/3Tp + 2iTp – 1/6Tp < Tsp < 4/3Tp + 2iTp + 1/6Tp mit i = 1, 2, 3 ... erfüllt ist.
In vorteilhafter Weise werden gemäß der vorliegenden Erfindung somit Statorgeometrien bereitgestellt, die für die Dreieckschaltung geeignet sind. Diese Statorgeometrien resultieren aus der konsequenten Umsetzung der Oberwellentheorie der Luftspaltfelder.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Synchronmaschine um eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, bei der die Permanentmagneten im Rotor verbaut sind und die mit 3-phasigem Drehstrom betreibbar ist. Die Spulenweite der Spulen im Stator lassen sich dann nach den obigen Bedingungen dimensionieren.
Besonders bevorzugt ist, wenn sich die Synchronmaschine zwischen dem Dreiecks- und Sternbetrieb umschalten lässt. Damit besteht, wie eingangs bereits angedeutet, die Möglichkeit, zwischen unterschiedlichen effektiven Windungszahlen hin- und herzuschalten und somit die Drehzahl bzw. das Drehmoment der Maschine zu beeinflussen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 ein Diagramm zur Verdeutlichung des Aufbaus eines Synchronmaschine in Dreieckschaltung für drei Spulen, einer Polzahl von Zwei und der Beziehung Tsp = 2/3Tp;
2 ein der 1 entsprechendes Diagramm für eine Polzahl von Acht und dem Verhältnis Tsp = 4/3 Tp; und
3 ein Diagramm entsprechend dem von 1 für eine Anordnung mit einer Polzahl von Vierzehn und dem Verhältnis Tsp = 2 2/3Tp.
Das nachfolgend näher geschilderte Ausführungsbeispiel nach 3 stellt eine bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, dass bestimmte Verhältnisse zwischen Polteilungsweite Tp und Spulenweite Tsp zu verminderten Verlusten bei Dreieckschaltung führen. Idealerweise beträgt das Verhältnis Tsp = 2/3 Tp + 2iTp oder Tsp = 4/3Tp + 2iTp, wobei i = 1, 2, 3 ... ist. Bei diesen Verhältnissen werden die dritten, sechsten, neunten etc. Harmonischen des Rotorfelds unterdrückt bzw. nicht induziert.
Diese reduzierten Verluste ergeben sich aber auch bereits in der Nähe dieser Teilungsverhältnisse. So stellt sich der erfindungsgemäße Erfolg reduzierter Verluste für eine Maschine mit einer Polteilungsweite bzw. einem Polteilungswinkel von 180° bereits ab etwa einer Spulenweite von 90° ein.
Somit ergeben sich für die Spulenweiten Tsp die folgenden verlustarmen Bereiche:
2/3Tp + 2iTp – 1/6Tp < Tsp < 2/3Tp + 2iTp + 1/6Tp und
4/3Tp + 2iTp – 1/6Tp < Tsp < 4/3Tp + 2iTp + 1/6Tp
Ein Beispiel für eine Anordnung einer 3-phasigen Drehstrom-Synchronmaschine in Dreieckschaltung ist in 1 anhand eines linearen Diagramms dargestellt. Der Rotor der Maschine besitzt eine Polteilungsweite von 180°. Die Anzahl der Pole 2p beträgt 2, wobei p der Polpaarzahl entspricht. Die Spulenweite Tsp der Statorspulen entspricht dem Wert 2/3Tp und somit im gewählten Beispiel 120°. Die Lage der Spulen des Stators zu den Polabschnitten des Rotors ist aus dem oberen und mittleren Diagramm von 1 zu entnehmen.
Im unteren Diagramm von 1 ist darüber hinaus symbolisiert, wie die Spulen des Stators verschaltet bzw. genutzt werden können. Im vorliegenden Fall werden die Spulen der einzelnen Phasen u, v, w unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet.
In 2 ist ein abgewandeltes Beispiel für eine Anordnung in Dreieckschaltung wiedergegeben. Auch hier beträgt die Anzahl der Statorspulen Drei. Die Anzahl 2p der Pole im Rotor beträgt jedoch Acht und das Verhältnis zwischen der Polteilungsweite Tp und der Spulenweite Tsp genügt der Gleichung Tsp = 4/3Tp. Bei einem Polteilungswinkel Tp = 45°_mech = 180° ergäbe sich eine Spulenweite Tsp = 60°_mech = 240°. Der mechanische bzw. physikalische Winkel α_mech steht hierbei mit dem elektrischen Winkel α_el und der Polpaarzahl p in folgender Beziehung: α_el = p·α_mech (im vorliegenden Dokument entsprechen die Winkelangaben ohne Zusatz elektrischen Winkeln). Die Lage der Statorspulen zum Rotor ist dabei so einzustellen, dass beispielsweise ihr Anfangspunkt bei 120°_mech liegt, wenn die drei Phasen u, v, w auf eine volle Umdrehung aufgeteilt werden. Das untere Diagramm der 2 symbolisiert wiederum die Schaltung für diesen Fall.
Ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung in Dreieckschaltung ist in 3 dargelegt. Wiederum werden drei Statorspulen eingesetzt. In diesem Beispiel beträgt die Polzahl 2p jedoch Vierzehn und das Verhältnis zwischen der Polteilungsweite Tp und der Spulenweite Tsp ist charakterisiert durch Tsp = 2 2/3 Tp. Bei einem Polteilungswinkel von 360°/14 = 26°_mech ergäbe sich ein Spulenwinkel von ca. 69°_mech. Entsprechend dem mittleren Diagramm von 3 wären die Spulen wiederum im Abstand von 120° zueinander angeordnet. Im unteren Diagramm von 3 ist auch hier die Schaltung der Spulen angedeutet.
Mit der erfindungsgemäßen Bauform können die Maschinen ohne weiteres von Stern- auf Dreieckschaltung umgeschaltet werden. In Sternschaltung kann gegenüber der Dreieckschaltung bei gleicher Spulenanordnung eine höhere effektive Windungszahl erreicht werden, wodurch sich eine geringere Drehzahl und somit ein höheres erzielbares Drehmoment ergibt. Dementsprechend kann in Dreieckschaltung mit geringerer effektiver Windungszahl eine höhere Drehzahl und mithin ein geringes Drehmoment erzielt werden. Das Einsatzgebiet derart umschaltbarer Maschinen ist entsprechend vielfältiger.

Claims

Dreiphasige Synchronmaschine mit – einem Rotor, der eine vorbestimmte Polteilungsweite Tp besitzt, – einem Stator, dessen Spulen eine vorbestimmte Spulenweite Tsp besitzen und im Dreieck verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ungleichung 2/3Tp + 2iTp – 1/6Tp < Tsp < 2/3Tp + 2iTp + 1/6Tp oder – die Ungleichung 4/3Tp + 2iTp – 1/6Tp < Tsp < 4/3Tp + 2iTp + 1/6Tp mit i = 1, 2, 3 ... erfüllt ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 1, die mit Permanentmagneten erregt ist und mit 3-phasigem Drehstrom betreibbar ist.
Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die in den Stern-Betrieb umschaltbar ist.