DE102004010386A1

DE102004010386A1 - Drehstromasynchronmaschine

Info

Publication number: DE102004010386A1
Application number: DE102004010386A
Authority: DE
Inventors: Matthias Braun; Rolf Vollmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2005-11-10
Also published as: WO2005086324A1

Abstract

Drehstromasynchronmaschine (1) mit einem Stator (2) und einem Rotor (3), wobei der Stator (2) ein Wicklungssystem aufweist und der Rotor (3) als Kurzschlussläufer ausgebildet ist mit zumindest zwei Kurzschlusswicklungen (7, 8), die in Nuten (Nut1 bis Nut16) des Rotors (3) eingebettet sind, wobei die Nuten in vorgegebenen Winkelpositionen am Umfang des Rotors (3) positioniert sind und die Hin- und Rückleiter der jeweiligen Kurzschlusswicklung (7, 8) derart verschaltet ist, dass vorgebbare Oberwellen des durch das Wicklungssystem erzeugten Gesamtspektrums der Luftspaltfelder jeweils eine vernachlässigbare Spannung in den Kurzschlusswicklungen (7, 8) induzieren. Damit lassen sich u. a. parasitäte Drehmomente vermeiden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehstromasynchronmaschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator ein Wicklungssystem aufweist, das durch Zahnspulen gebildet ist und der Rotor einen Kurzschlussläufer mit einer oder mehreren Kurzschlusswicklungen aufweist.
Drehstromasynchronmotoren erzeugen aufgrund der Oberwellen des Stators Verluste in einem Kurzschlusskäfig des Rotors. Die zwischen Stator und Rotor wechselwirkenden Oberwellen erzeugen ebenfalls unerwünschte Pendeldrehmomente.
Um derartige Erscheinungen zu reduzieren wurden bisher spezielle Statorwicklungen benutzt, die möglichst wenig Oberwellen erzeugen. Des Weiteren wurde versucht durch Schrägung der Nuten des Stators diese Erscheinungen zu vermeiden.
Dennoch lösen diese Maßnahmen die oben genannten Probleme nur teilweise.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde eine Drehstromasynchronmaschine zu schaffen, welche die Wirkung der vom Stator erzeugten Oberwellen reduziert und damit den Wirkungsgrad der Motoren erhöht und außerdem unerwünschte Pendeldrehmomente vermeidet.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine Drehstromasynchronmaschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator ein Wicklungssystem aufweist, und der Rotor als Kurzschlussläufer ausgebildet ist mit zumindest zwei Kurzschlusswicklungen, die in Nuten des Rotors eingebettet sind, wobei die Nuten in vorgegebenen Winkelpositionen am Umfang des Rotors positioniert sind und die Hin- und Rückleiter der jeweiligen Kurzschlusswicklung derart verschaltet sind, dass vorgebbare Oberwellen des durch das Wicklungssystem erzeugten Gesamtspektrums der Luftspaltfelder jeweils eine vernachlässigbare Spannung in den Kurzschlusswicklungen induzieren.

Vorteilhaft dabei ist, dass durch die nicht äquidistanten Abstände der Nuten des Rotors die negativen Auswirkungen der Oberwellen des Luftspaltfeldes minimiert werden können. Die Lage der Nuten des Rotors eines Stranges am Umfang und die Schaltung der Leiter in den Nuten wird derart gewählt, dass die Summe der induzierten Spannungen mit bestimmten Polzahlen reduziert oder gar eliminiert werden. Damit wird vermieden, dass durch die Oberwellen Ströme im Kurzschlusskäfig induziert werden, die zur Erwärmung führen und des Weiteren parasitäre Drehmomente verursachen, die zur Drehmomentenwelligkeit beitragen.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß der Unteransprüche werden in einer Zeichnung schematisch dargestellt. Darin zeigt:
1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Drehstromasynchronmaschine,
2 einen erfindungsgemäßen Rotor,
3 eine beispielhafte Verschaltung eines erfindungsgemäßen Rotors
1, 2 zeigt beispielhaft einen achtpoligen Drehstromasynchronmotor 1 mit der Polpaarzahl vier, dessen nicht näher dargestellten Stator 2, eine Zahnspulenwicklung mit der Nutenzahl N1=12, der Strangzahl m=3 und dem Bruchlochverhältnis dieser Wicklung von q=1/2. Der Rotor 3 mit Nutenzahl N2=16 und der Strangzahl m=2 weist unterschiedliche Abstände dieser Nuten Nut1 bis Nut16 auf. Die einzelnen Nuten Nut1 bis Nut16 des Rotors 3 sind am Umfang des Rotors 3 verteilt. Dabei sind die Abstände zwischen den jeweiligen Nuten unterschiedlich, wobei die Leiter jeweils eines Stranges des Rotors 3 über die Kurzschlussringe 7, 8 gemäß, 3 verschaltet sind. Die Verschaltung 10, 11 zeigt die prinzipielle elektrische Verbindung der zu einem Strang gehörenden Leiter. Die elektrische Verbindung vollzieht sich in den Kurzschlussringen 7, 8.
Sowohl die Anzahl der Nuten des Rotors 3 als auch die Anzahl der Stränge des Rotors 3 sind hier nur beispielhaft dargestellt. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Nutenanzahl Nut1 bis Nut16 beschränkt ebenso wenig wie die Anzahl der Stränge des Rotors 3.
Insbesondere bei Statoren 2, die eine Zahnspulenwicklung aufweisen, ist das Spektrum der Oberwellen des Luftspaltfeldesgegenüber herkömmlichen Wicklungssystemen vergleichsweise stärker ausgeprägt. Demzufolge führt dies zu höheren Pendeldrehmomenten, die zu reduzieren bzw. eliminieren sind. Dies gelingt im vorliegenden Fall insbesondere durch gezielte Positionierung und Verschaltung der Nuten Nut1 bis Nut16 am Umfang des Rotors 3.
Dabei sind bei einem Drehstromasynchronmotor 1 mit oben genannten Parametern beispielsweise folgende Winkelpositionen der Nuten Nut1 bis Nut16 bereits beim Stanzen des Blechpakets des Rotors 3 zu beachten: Strang 1:

Nut: Winkel:

Nut1 0

Nut3 42,75

Nut5 81

Nut7 126

Nut9 186,75

Nut11 225

Nut13 267,75

Nut15 321,75

Strang 2:

Nut: Winkel:

Nut2 22,5

Nut4 65,25

Nut6 103,5

Nut8 148, 5

Nut10 209,25

Nut12 247,5

Nut14 290,45

Nut16 344,25
Mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Aufbaus des Rotors 3 bei einer Asynchronmaschine werden die Wicklungsfaktoren einzelner besonders relevanter Oberwellen des Rotors 3 durch gezielte Verteilung der Nuten am Umfang zu Null oder zumindest möglichst klein gemacht.
Am Beispiel einer 6-poligen Asynchronmaschine ergeben sich folgende Randbedingungen für die Eliminierung der jeweiligen Wicklungsfaktoren.

• sechspolige Drehstromasynchronmaschine
• Bruchlochzahl der Ständerwicklung q=1/2
• Nutzahl des Stators; N1=9
• Wicklung des Rotors 3 Zweisträngig
• Nutzahl des Rotors 3; N2=12
• Da das Wicklungssystem des Stators hohe Wicklungsfaktoren für die 6-te, 12-te und 15-te Oberwelle aufweist, sollen diese Wicklungsfaktoren der Wicklung des Rotors 3 auf Null reduziert werden.

Folgende Anforderungen müssen dabei erfüllt sein:
Der Wicklungsfaktor für die Grundwelle darf nicht zu klein sein. Die einzelnen Winkelpositionen der Nuten eines Stranges sollten möglichst gleichmäßig verteilt sein, damit in den Zwischenräumen am Umfang des Rotors 3 ein zweiter Strang oder gar noch ein weiterer Strang ergänzt werden kann.
Meist ist es auch ausreichend wenn bestimmte Wicklungsfaktoren nicht Null sind, sondern nur eine gewisse Größe nicht überschreiten und somit bereits eine ausreichende Reduzierung der Induktionsspannung herbeiführen.
Folgende Aspekte sind zu beachten:

• Eine konventionelle Leiterverteilung eines Wicklungssystems erzeugt diskrete Oberwellen in gesetzmäßigen Abständen (z.B. für Lochzahl eins gilt: ξ_k=1 mit k=n·N±p_Grund) Dazwischen sind alle Wicklungsfaktoren 0.
• Bei ungleichmäßiger Verteilung der Leiterpositionen verändern sich die Wickelfaktoren von Grundwelle und Oberwellen (verschmiertes Spektrum).
• Nur bei gezielter Verteilung der Leiter können gezielt ausgewählte N/2 Oberwellen zu Null gemacht werden.
• Allerdings wird bei erfindungsgemäßer Leiterverteilung immer auch der Wicklungsfaktor der Grundwelle kleiner; dies kann gegebenenfalls dadurch kompensiert werden, indem die in die gleiche Richtung wie die Grundwelle drehenden Oberwellen zur Drehmomentenbildung herangezogen werden.
• Bei der erfindungsgemäßen beispielhaften Leiterverteilung sind die 6-te, 12-te und 15-te Oberwelle Null.

Claims

Drehstromasynchronmaschine (1) mit einem Stator (2) und einem Rotor (3), wobei der Stator (2) ein Wicklungssystem aufweist, und der Rotor (3), als Kurzschlussläufer ausgebildet ist mit zumindest zwei Kurzschlusswicklungen (7, 8), die in Nuten (Nut1 bis Nut16) des Rotors (3) eingebettet sind, wobei die Nuten in vorgegebenen Winkelpositionen am Umfang des Rotors (3) positioniert sind und die Hin- und Rückleiter der jeweiligen Kurzschlusswicklung (7, 8) derart verschaltet ist, dass vorgebbare Oberwellen des durch das Wicklungssystem erzeugten Gesamtspektrums der Luftspaltfelder jeweils eine vernachlässigbare Spannung in den Kurzschlusswicklungen (7, 8) induzieren.
Drehstromasynchronmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände benachbarter Nuten (Nut1 bis Nut16) des Rotors (3) unterschiedlich sind.
Drehstromasynchronmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wicklungssystem des Stators (2) aus Zahnspulen aufgebaut ist.
Drehstromasynchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlusswicklungen (7, 8) galvanisch voneinander getrennt sind.
Drehstromasynchronmaschine (1) nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (Nut1 bis Nut16) des Rotors (3) geschlossen oder offen sind.