DE102004036727A1 - Elektrische Maschine mit mehreren Wicklungssystemen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit zwei galvanisch voneinander getrennten Wicklungssystemen, die jeweils von einem eigenen Versorgungssystem gespeist werden. Um eine möglichst einfach zu fertigende elektrische Maschine zu schaffen, die durch zwei Wicklungssysteme, denen jeweils ein eigenes Versorgungssystem zugeordnet ist, versorgt wird, wird vorgeschlagen, dass die elektrische Maschine mit einer in Nuten (1...24) montierten Wicklung versehen ist, die zwei galvanisch voneinander getrennte, als Zweischicht-Stabwicklung ausgeführte Wicklungssysteme aufweist, wobei DOLLAR A - die Wicklungssysteme in den Nuten (1...24) der elektrischen Maschine derart übereinander geschichtet sind, dass jede Nut vier Leiter (1a) aufweist, und DOLLAR A - jedes Wicklungssystem genau einem eigenen Versorgungssystem zugeordnet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die durch mehrere galvanisch voneinander getrennte Wicklungssysteme gespeist wird.
• Zur Versorgung elektrischer Maschinen hoher Leistung müssen häufig mehrere Versorgungssysteme parallel geschaltet werden, um die von der Maschine geforderte elektrische Leistung liefern zu können. Insbesondere umrichtergespeiste elektrische Maschinen, die heute bevorzugt für drehzahlvariable Antriebsysteme eingesetzt werden, müssen häufig mit mehreren parallel geschalteten Umrichtern versorgt werden, da die Maschinenleistung oft größer als die Typenleistung eines einzelnen Umrichters ist.
• Bei einer mit einem Wicklungssystem ausgeführten elektrischen Maschine müssen die Umrichter extern parallel geschaltet werden, um die erforderliche Leistung zu liefern. Eine solche harte Parallelschaltung der Umrichter hat den Nachteil, dass bei einer nicht idealen Synchronisation der parallelen Umrichter Ausgleichsströme zwischen den Umrichtern fließen. Um diese Ausgleichströme zu begrenzen, muss die Kopplung der Umrichter über Drosselspulen realisiert werden. In diesem Fall steht nicht die vollständige Typenleistung jedes Umrichters zur Versorgung der elektrischen Maschine zur Verfügung.
• Elektrische Maschinen mit zwei getrennten, in den Ständer eingelegten Wicklungssystemen sind zum Beispiel aus DE 2257908 C2 bekannt. Eine Anwendung solcher Systeme ist eine umschaltbare Ständerwicklung, bei der durch Änderung der effektiven Ständerwindungszahl eine Erweiterung des Regelbereichs der Maschine erzielt wird.
• Aus US 4743828 A ist ein elektrisches Antriebssystem für einen Traktionsantrieb hoher Leistung bekannt, bei dem eine elektrische Maschine mehrere von separaten Umrichtern gespeiste Ständerwicklungssysteme aufweist. Die verschiedenen Dreiphasensysteme sind nebeneinander über den Ständerumfang verteilt und mit Spulenwicklungen ausgeführt. Harmonische Oberschwingungsanteile in den Wicklungsströmen werden durch Wahl einer Konfiguration unterdrückt, die eine hohe Streuinduktivität in der Ständewicklung bewirkt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine möglichst einfach zu fertigende elektrische Maschine zu schaffen, die durch zwei galvanisch voneinander getrennte Wicklungssysteme, denen jeweils ein eigenes Versorgungssystem zugeordnet ist, versorgt wird.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Elektrische Maschine mit einer in Nuten montierten Wicklung, die zwei galvanisch voneinander getrennte, als Zweischicht-Stabwicklung ausgeführte Wicklungssysteme aufweist, wobei
• – die Wicklungssysteme in den Nuten der elektrischen Maschine derart übereinander geschichtet sind, dass jede Nut vier Leiter aufweist, und
• – jedes Wicklungssystem genau einem eigenen Versorgungssystem zugeordnet ist.
• Insbesondere bei schnelllaufenden elektrischen Maschinen geringer Polpaarzahl ist die erfindungsgemäße Montage der verschiedenen Wicklungssysteme von besonderem Vorteil, da aufgrund der geringen Polzahl die Zahl der parallelen Wicklungszweige beschränkt ist und ferner die Leiterzahl je Nut mit Rücksicht auf die Umrichterspannung auch nicht beliebig wählbar ist. Spulenwicklungen, die üblicherweise erst ab einer Leiterzahl von sechs Leitern je Nut ausgeführt werden können, führen u. U. auf zu hohe Maschinenspannungen und bereiten Schwierigkeiten beim einlegen oder sind aufgrund von zu hohen Zusatzverlusten durch Stromverdrängung nicht einsetzbar.
• In der erfindungsgemäßen Anordnung liegen die Leiter der Wicklungssysteme übereinander in den Nuten der Maschine, so dass gegenüber der normalen Stabwicklung die Leiterzahl je Nut verdoppelt wird. Durch die Verwendung von zwei in den Nuten der Maschine übereinander liegenden Zweischicht-Stabwicklungen ergibt sich eine Vierschichtwicklung.
• Zweischicht-Stabwicklungen haben gegenüber Spulenwicklungen ferner den Vorteil, dass sie wesentlich einfacher in die Nuten der Maschine eingelegt werden können. Dieser Vorteil kommt besonders bei schnelllaufenden elektrischen Maschinen mit kleinem Läuferdurchmesser zum tragen. Weiterhin weisen Stab-Wicklungen durch die Verwendung von Gitterstäben geringere Zusatzverluste als Spulenwicklungen auf.
• Durch die erfindungsgemäße Zuordnung jedes Wicklungssystems zu genau einem eigenen Versorgungssystem werden an die Versorgungssysteme keine außergewöhnlichen Anforderungen hinsichtlich der Versorgungsspannung gestellt. Jedes Versorgungssystem sieht die Induktivität genau einer herkömmlichen Zweischicht-Stabwicklung. Prinzipiell wäre auch die Verwendung nur einer Zweischicht-Stabwicklung denkbar. Bei der Speisung durch zwei Versorgungssysteme entstehen jedoch aufgrund der niedrigen relativen Leiterzahl jedes Wicklungssystems u. U. Probleme hinsichtlich der Spannungsanpassung.
• Durch die oben genannte Versorgung von genau einem aus einer Zweischicht-Stabwicklung bestehendem Wicklungssystem durch genau ein Versorgungssystem kann eine besonders kostengünstige Versorgung der Maschine erzielt werden, wenn die Wicklungssysteme jeweils genau einem eigenen, als Umrichter ausgeführten Versorgungssystem zugeordnet sind. In diesem Fall können Standard Antriebsumrichter verwendet werden.
• Eine Reduktion der Oberwellenanteile der Durchflutung der elektrischen Maschinen und eine damit verbundene Reduktion parasitärer Drehmomente wird erreicht, wenn die Wicklungssysteme gesehnt ausgeführt sind.
• In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Wicklung als Ständerwicklung der elektrischen Maschine vorgesehen.
• In einer weiteren Gestaltungsform der Erfindung ist die Wicklung als Läuferwicklung der elektrischen Maschine vorgesehen.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Maschine als Drehfeldmaschine ausgeführt und die Wicklungssysteme sind als mehrphasige, insbesondere dreiphasige, Systeme ausgeführt.
• Um zu gewährleisten, dass beide Wicklungssysteme die gleichen elektrischen Parameter aufweisen und somit auch die gleiche Durchflutung bei gleichen Versorgungssystemen erzeugen, ist in einer vorteilhaften Ausführungsform die Systemzuordnung der in den Nuten geschichteten Leitern derart ausgeführt, dass die Rückleiter eines Stranges eines der Wicklungssysteme einem am Nutgrund befindlichen Zweistab-Wicklungssystem zugeordnet sind, sofern die Hinleiter des jeweiligen Stranges einem an der Nutbohrung befindlichen Zweistab-Wicklungssystem zugeordnet sind, und umgekehrt.
• Durch eine derartige Systemzuordnung der in den Nuten der Maschine untergebrachten Leiter resultiert eine gleiche Nutstreuung für beide Wicklungssysteme. Somit sind die elektrischen und magnetischen Parameter beider Wicklungssysteme gleich, so dass beide Wicklungssysteme an der Maschine die gleiche Durchflutung hervorrufen, sofern sie mit der gleichen Spannung gespeist werden.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert.
• Die Figur zeigt eine Wicklung mit zwei galvanisch voneinander getrennten Wicklungssystemen. Beide Wicklungssysteme sind dreiphasig ausgeführt und somit zur Erzeugung eines Drehfeldes geeignet. Beispielsweise soll es sich hierbei um die Ständerwicklung einer Asynchronmaschine handeln. Die beiden Wicklungssysteme werden zur Erzeugung des Drehfeldes mit jeweils einem dreiphasigen Umrichter gespeist, der beispielsweise mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation oder einer Toleranzbandregelung ein symmetrisches dreiphasiges Spannungssystem erzeugt.
• Die Wicklungssysteme sind als Zweischicht-Stabwicklungen ausgeführt. Die drei Phasen der Wicklungssysteme sind mit den Buchstaben U,V,W bezeichnet und die Zuordnung der Leiter der einzelnen Phasen zu den Wicklungssystemen durch Anhängen einer eins (z. B. U1) für das erste und einer zwei (z. B. U2) für das zweite Wicklungssystem. Hinleiter sind mit einem positiven Vorzeichen versehen (z. B. +U1) und Rückleiter mit einem negativen Vorzeichen (z. B. –U1).
• Die Wicklung ist für eine zweipolige Maschine ausgeführt mit vierundzwanzig über den Ständer verteilte Nuten 1..24, so dass sich insgesamt eine Nutenzahl pro Pol und Strang von vier ergibt. Die beiden Wicklungssysteme sind in den Nuten 1..24 übereinander angeordnet, so dass sich insgesamt vier Leitern in jeder Nut befinden.
• Die Hinleiter der Phase U des ersten Wicklungssystems +U1 befinden sich an der Nutbohrung, während die entsprechenden Rückleiter –U1 am Nutgrund positioniert sind. Dieses Schema gilt für sämtliche Stränge beider Wicklungssysteme, so dass beide Wicklungssysteme eine weitgehend gleiche Nutstreuung erzeugen.
• Darüber hinaus sind die Wicklungssysteme gesehnt ausgeführt. Die Rückleiter der Phase U des ersten Wicklungssystems –U1 sind um weniger als eine Polteilung τ versetzt von den Hin leitern +U1 positioniert. Bei einer ungesehnten Wicklung befänden sich die Rückleiter zu +U1 in den Nuten 13 bis 16. In dem Ausführungsbeispiel entspricht der Versatz also zwei Nuten. Durch die Sehnung werden Oberschwingungsanteile in der Drehdurchflutung und somit parasitäre Oberschwingungsanteile im resultierenden Drehmoment der Maschine unterdrückt.
• Durch die Verwendung von zwei übereinandergeschichteten Zweischicht-Stabwicklungen lässt sich die hier dargestellte Wicklung sehr einfach in den Ständer der elektrischen Maschine einlegen. Die bessere Einlegbarkeit gegenüber einer Spulenwicklung wirkt sich gerade bei schnelllaufenden zweipoligen Maschinen besonders vorteilhaft aus. Bei derartigen Maschinen ist auch die mögliche Nutenzahl des Ständers begrenzt. Durch die Übereinanderschichtung der zwei Zweischicht-Stabwicklung wird erreicht, dass die notwendige Nutenzahl durch die Verwendung zweier Wicklungssysteme nicht größer ist, als bei der Verwendung nur einer Zweischicht-Stabwicklung. Auch mit nur einer Zweischicht-Stabwicklung ließe sich eine Wicklung mit zwei galvanisch voneinander getrennten Wicklungssystemen realisieren, indem jede Schicht einem eigenen Umrichter zugeordnet wird. In diesem Fall wären jedoch die effektive Windungszahl und damit die Induktivität jedes Wicklungssystems im Vergleich zu der in der Figur skizzierten Anordnung nur halb so groß. Insbesondere bei umrichtergespeisten Maschinen erfordert diese geringe Windungszahl eine Anpassung der Umrichterspannung, so dass nicht mehr mit Standard Antriebsumrichtern gespeist werden kann.
• Die vorliegende Erfindung soll nicht auf die hier exemplarisch gezeigte Ausführungsform beschränkt sein. Vielmehr sind weitere Ausführungsformen denkbar und von der Erfindung umfasst, solange der Grundgedanke, dass zur Erzeugung der Durchflutung der elektrischen Maschine zwei Zweischicht-Stabwicklungen im Ständer oder Läufer der Maschine vorgesehen sind, die in den Nuten der Maschine übereinander liegen und gegeneinander galvanisch getrennt sind, erfüllt ist. Denkbar sind verschiedene Maschinentypen, die mit der erfindungsgemäßen Wicklung ausgerüstet sind, wie Synchronmaschinen, Gleichstrommaschinen, geschaltete Reluktanzmaschinen etc. Die Maschinentypen können sowohl als Innenpol- als auch als Außenpolmaschine ausgeführt sein. Die Maschinen können für den Motor- und für den Generatorbetrieb vorgesehen sein. Es können sowohl gesehnte Wicklungen als auch ungesehnte Durchmesserwicklungen auf die beschriebene Weise realisiert werden. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Wicklung auch für höherpolige Maschinen ausführbar.

Claims (7)

1. Elektrische Maschine mit einer in Nuten (1..24) montierten Wicklung, die zwei galvanisch voneinander getrennte, als Zweischicht-Stabwicklung ausgeführte Wicklungssysteme aufweist, wobei – die Wicklungssysteme in den Nuten (1..24) der elektrischen Maschine derart übereinander geschichtet sind, dass jede Nut vier Leiter (1a) aufweist, und – jedes Wicklungssystem genau einem eigenen Versorgungssystem zugeordnet ist.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungssysteme jeweils einem eigenen, als Umrichter ausgeführten Versorgungssystem zugeordnet sind.
3. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungssysteme gesehnt ausgeführt sind.
4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung als Ständerwicklung der elektrischen Maschine vorgesehen ist.
5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung als Läuferwicklung der elektrischen Maschine vorgesehen ist.
6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine als Drehfeldmaschine ausgeführt ist und die Wicklungssysteme als mehrphasige, insbesondere dreiphasige, Systeme ausgeführt sind.
7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückleiter (13c, 13d) eines Stranges eines der Wicklungssysteme einem am Nutgrund befindlichen Zweistab-Wicklungssystem zugeordnet sind, sofern die Hinleiter (1a, 1b) des jeweiligen Stranges einem an der Nutbohrung befindlichen Zweistab-Wicklungssystem zugeordnet sind, und umgekehrt.