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Die
Erfindung betrifft einen Ständer
für eine schnelllaufende,
zweipolige elektrische Maschine mit mehreren galvanisch voneinander
getrennten Wicklungssystemen.
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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.
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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.
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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.
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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
Ständerwicklung
bewirkt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Ständer für eine schnelllaufende, zweipolige elektrische
Drehfeldmaschine anzugeben, der mehrere galvanisch voneinander getrennte
Wicklungssysteme aufweist, die derart angeordnet sind, dass bei
Ausfall eines oder mehrerer Wicklungssysteme ein minimaler einseitiger
magnetischer Zug entsteht.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Ständer
für eine
zweipolige elektrische Drehfeldmaschine mit einer Anzahl k galvanisch
voneinander getrennter mehrphasiger Wicklungssysteme gelöst, wobei
k größer oder
gleich 2 ist und jedes Wicklungssystem die gleiche Anzahl an Strängen aufweist
und jedes Wicklungssystem derart über den Ständer der Maschine verteilt
ist, dass es eine im Wesentlichen gleichmäßig über den Umfang des Ständers verteilte Drehdurchflutung
aufbaut.
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Der
erfindungsgemäße Ständer weist
mindestens zwei unabhängige
Wicklungssysteme auf, die jeweils von einer eigenen Quelle gespeist
werden können. Üblicherweise
werden bei solchen Wicklungen die Pole der elektrischen Maschine
oder bei höherpolpaarigen
Maschinen die Polpaare wechselseitig den speisenden Quellen zugeordnet.
Dies hat bei Ausfall eines Systems eine Verzehrung des Luftspaltfeldes
und somit des Drehmomentverlaufes der Maschine zur Folge. Hierdurch
entsteht u. U. ein unzulässig
hoher, einseitiger magnetischer Zug.
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Der
erfindungsgemäße Ständer ist
hingegen derart ausgebildet, dass jedes Wicklungssystem, sofern
es durch ein symmetrisches Drehstromssystem gespeist wird, ein räumlich nahezu
periodisch verteiltes Drehfeld von konstanter Form und Größe erzeugt,
deren Maxima und Nulldurchgänge
mit konstanter Winkelgeschwindigkeit den Luftspalt durchlaufen.
Ein Ausfall eines der Wicklungssysteme ändert prinzipiell nichts an
der Form der Drehdurchflutung bzw. des resultierenden Luftspaltfeldes;
es ändern
sich lediglich die entsprechenden Amplituden. Daher kommt es bei
Ausfall eines Wicklungssystems nicht zu einem örtlich unregelmäßigen Drehmomentverlauf
und damit verbundenen einseitigen magnetischen Zug sondern lediglich
zu einer Leistungseinbuße.
Dieser Effekt würde
sich auch bei einem Ständer mit
einem Wicklungssystem einstellen, welches von extern parallel geschalteten
Quellen gespeist wird. Diese „harte
Parallelschaltung" bringt
jedoch die eingangs geschilderten Probleme hinsichtlich Kreisströme und erforderlichem
De-Rating mit sich.
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Drehzahlvariable
Antriebssysteme lassen sich heute besonders günstig durch leistungselektronische
Versorgungssysteme realisieren. Um ein umrichtergespeistes Antriebssystem
hoher Leistung mit Standard Industrieumrichtern zu realisieren,
ist es vorteilhaft, dass die Wicklungssysteme jeweils einem Stromrichter
zugeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich die höhere Antriebsleistung
realisieren, ohne mehrer Umrichter extern parallel zu schalten oder
einen Umrichter höherer
Leistung zu verwenden. Letzteres erfordert im Allgemeinen die Parallelschaltung mehrer
Leistungshalbleiter innerhalb der Umrichterzweige, was jedoch problematisch
hinsichtlich der Stromaufteilung zwischen den parallel geschalteten Bauelementen
ist.
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Vorteilhafterweise
weist der Ständer
Nuten auf, die zur Bestückung
mit den Wicklungssystemen vorgesehen sind. Alternativ können die
Wicklungen auch als Luftspaltwicklungen ausgeführt werden.
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Um
die Leiter der beteiligten Wicklungssystemen getrennt voneinander
in Nuten unterbringen zu können,
ist es vorteilhaft, dass die Nutenzahl pro Pol und Strang q des
Ständers
einem ganzzahligen Vielfachen der Anzahl der galvanisch voneinander getrennten
Wicklungssysteme k entspricht.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung sind die Nuten des Ständers derart mit Leitern bestückt, dass
jedem in einer Nut angeordneten Leiter eines bestimmten Stranges
und eines bestimmten Wicklungssystems
- • ein Leiter
des gleichen Stranges eines anderen Wicklungssystems in einer um
eine Polteilung τ entfernten
Nut zugeordnet ist, wobei die von den beiden Leitern erzeugte Durchflutung
entgegengesetzten Vorzeichens ist, und
- • ein
Leiter des gleichen Stranges eines anderen Wicklungssystems in einer
benachbarten Nut zugeordnet ist, wobei die von den beiden Leitern
erzeugte Durchflutung gleichen Vorzeichens ist.
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Bei
einer derartigen Nutbelegung ist sichergestellt, dass bei einem
Ausfall eines der Wicklungssysteme von dem oder den verbleibenden
bestromten Wicklungssystemen weiterhin eine weitgehend gleichmäßig über den
Ständer
verteilte Durchflutung aufgebaut wird. Daher wird trotz Ausfall
eines Teils der Durchflutung ein minimaler magnetischer Zug generiert.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher beschrieben
und erläutert.
Es zeigen:
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1 Eine
Ständerwicklung
mit zwei Wicklungssystemen und alternierender Nutbelegung und
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2 Eine
Ständerwicklung
mit zwei Wicklungssystemen und paarweise alternierender Nutbelegung.
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1 zeigt
eine Ständerwicklung
mit zwei Wicklungssystemen und alternierender Nutbelegung. Die dreiphasigen
Wicklungssysteme sind galvanisch voneinander getrennt und werden
jeweils von einem dreiphasigen Umrichter, beispielsweise einem B6 Brückenumrichter
mit Spannungszwischenkreis, gespeist. Die Typenleistung der Umrichter
sei gleich.
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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.
Entgegengesetzte Bestromungsrichtungen bei Leitern eines Stranges
eines Wicklungssystems sind durch entsprechende Vorzeichen gekennzeichnet
(z. B. +U1 und –U1).
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Der
Ständer
ist mit einer Nutenzahl pro Pol und Strang von vier ausgeführt, so
dass sich bei einer zweipoligen dreiphasigen Maschine insgesamt
vierundzwanzig Nuten ergeben. Die Nuten des Ständers sind abwechselnd mit
Leitern des ersten und des zweiten Wicklungssystems bestückt. Einem
in einer Nut angeordneten Leiter eines bestimmten Stranges (z. B.
U) und eines bestimmten Wicklungssystems (z. B. 1) ist im Abstand
einer Nutteilung τ ein
Leiter des gleichen Stranges aber des anderen Wicklungssystems zugeordnet.
Die Ströme
der beiden Leiter sind elektrisch um 180 Grad phasenverschoben zueinander.
Beispielweise befindet sich im Abstand τ zu dem Leiter +U1 der Leiter –U2
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Sollte
eines der Wicklungssysteme ausfallen, steht nach wie vor noch ein über den
gesamten Maschinenumfang verteiltes Wicklungssystem zur Verfügung, mit
dem sich ein rotierendes Drehfeld konstanter Amplitude erzeugen
lässt.
Die Form des Feldes bleibt nahezu unverändert. Es halbiert sich lediglich
die zur Verfügung
stehende Leistung.
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2 zeigt
eine Ständerwicklung
mit zwei Wicklungssystemen und paarweise alternierender Nutbelegung.
Auch hier ist eine Nutenzahl pro Pol und Strang von vier gewählt. Somit
stehen für
jeden Strang jedes Wicklungssystems zwei Nuten pro Pol zur Verfügung. Die
Belegung der Nuten ist derart gewählt, dass jeweils zwei benachbarte
Nuten mit Leitern desselben Stranges und Wicklungssystems belegt
sind. Weiterhin ist auch in dieser Anordnung einem in einer Nut
angeordneten Leiter eines bestimmten Stranges und eines bestimmten
Wicklungssystems im Abstand einer Nutteilung τ ein Leiter des gleichen Stranges
aber des anderen Wicklungssystems zugeordnet, wobei die Ströme der beiden
Leiter elektrisch um 180 Grad phasenverschoben zueinander sind.
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Auch
hier verbleibt bei Ausfall eines der Wicklungssysteme eine über den
Ständerumfang
rotierende Drehdurchflutung konstanter Amplitude, da jedes Wicklungssystem über den
gesamten Ständerumfang
verteilt ausgeführt
ist. Somit resultiert auch bei der in 2 dargestellten
Ausführungsform
ein minimaler einseitiger magnetischer Zug bei Ausfall eines der
Wicklungssysteme.
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Die
vorliegende Erfindung soll nicht auf die hier exemplarisch gezeigten
Ausführungsformen
beschränkt
sein. Vielmehr sind weitere Ausführungsformen
denkbar und von der Erfindung umfasst, solange der Grundgedanke,
dass durch eine entsprechend gewählte
Anordnung jedes einzelnen Wicklungssystems am Ständer eine im Wesentlichen gleichmäßig über den
Umfang des Ständers
verteilte Drehdurchflutung aufgebaut und somit ein einseitiger magnetischer
Zug vermieden wird, erhalten bleibt. Die dargestellten Ausführungsformen
lassen sich z. B. konsequent auf mehr als zwei galvanisch voneinander
getrennte Wicklungssysteme übertragen. Auch
die Phasenzahl kann von der für
Drehstromsysteme üblichen
Zahl Drei abweichen. Die dargestellten Anordnungen können sowohl
mit Stab als auch mit Spulenwicklungen mit mehreren Leitern pro
Nut ausgeführt
sein.
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Zusammenfassend
betrifft die Erfindung einen Ständer
für eine
schnelllaufende, zweipolige elektrische Maschine, der mehrere galvanisch
voneinander getrennte Wicklungssysteme aufweist. Um einen Ständer für eine schnelllaufende,
zweipolige elektrische Drehfeldmaschine mit mehreren galvanisch
voneinander getrennten Wicklungssystemen anzugeben, die derart angeordnet
sind, dass bei Ausfall eines oder mehrerer Wicklungssysteme ein minimaler
einseitiger magnetischer Zug entsteht, wird vorgeschlagen, dass
der Ständer
mit einer Anzahl k galvanisch voneinander getrennter mehrphasiger
Wicklungssysteme ausgeführt
ist, wobei k größer oder
gleich 2 ist und jedes Wicklungssystem die gleiche Anzahl an Strängen aufweist
und jedes Wicklungssystem derart über den Ständer der Maschine verteilt
ist, dass es eine im Wesentlichen gleichmäßig über den Umfang des Ständers verteilte
Drehdurchflutung aufbaut.