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Die
Erfindung betrifft eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem
ein Wicklungssystem mit drei Wicklungssträngen beinhaltenden Ständer und
einem mit Permanentmagneten versehenen Läufer.
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Eine
derartige permanenterregte Synchronmaschine weist im Betrieb oftmals
eine gewisse Drehmomentwelligkeit auf. Zur Reduzierung dieser Drehmomentwelligkeit
sind verschiedene Maßnahmen
bekannt.
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So
wird in der
DE 100
41 329 A1 beschrieben, dass eine Polbedeckung der Oberfläche des Läufers mit
Permanentmagneten von 70 bis 80% zu einem verbesserten Oberfeldverhalten
führt.
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Außerdem ist
der
DE 199 61 760
A1 zu entnehmen, dass spezielle Wicklungsfaktoren eines
in den Nuten angeordneten Wicklungssystems und eine Schrägung der
Nuten zu einer Reduzierung der Drehmomentwelligkeit führen.
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Weiterhin
ist aus der
DE 101
14 014 A1 eine kostengünstig
herzustellende permanenterregte Drehfeldmaschine bekannt, deren
Ständer
fünfzehn geschrägte Nuten
zur Aufnahme eines symmetrischen Wicklungssystems aufweist. Die
spezielle Ausführung
des Ständers
und des Wicklungssystems führt
zu einer weitgehenden Unterdrückung
des Nutrastens und der fünften
Oberwelle.
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Bekannt
ist aus der
EP 0 909
009 A1 eine permanenterregte Synchronmaschine, die ein dreisträngiges Wicklungssystem
mit jeweils fünf
Spulen und einen Stator mit fünfzehn
Nuten sowie einen Läufer
mit vier Polpaaren aufweist. Die Spulen umfassen jeweils zwei Zähne.
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Trotz
dieser bekannten Maßnahmen
ist die Drehmomentwelligkeit immer noch vorhanden, insbesondere
dann, wenn gleichzeitig die Forderung nach einer möglichst
kostengünstigen
Herstellung der permanenterregte Synchronmaschine besteht.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine permanenterregte
Synchronmaschine der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die ein
weiter verbessertes Drehmomentverhalten mit möglichst niedriger Welligkeit
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 1. Bei der eingangs bezeichneten permanenterregten
Synchronmaschine handelt es sich um eine solche, bei der
- a) der Ständer
insgesamt 15·n
gleichmäßig über den
Umfang verteilte Nuten aufweist und n eine beliebige natürliche Zahl
größer als
null ist,
- b) eine Nutzpolpaarzahl von 4·n vorgesehen ist,
- c) das Wicklungssystem n in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete
Teilwicklungssysteme mit jeweils fünfzehn zugeordneten Nuten enthält,
- d) wobei jedes Teilwicklungssystem drei jeweils einem der drei
Wicklungsstränge
zugeordnete und jeweils fünf
in Reihe geschaltete Spulen umfassende Teilwicklungsstränge enthält und
d1)
die Spulen des ersten Teilwicklungsstrangs in der ersten, dritten,
fünften,
siebten, neunten sowie in der jeweils benachbarten Nut verlaufende
Spulenleitungen,
d2) die Spulen des zweiten Teilwicklungsstrangs in
der elften, dreizehnten, fünfzehnten,
zweiten, vierten sowie in der jeweils benachbarten Nut verlaufende
Spulenleitungen und
d3) die Spulen des dritten Teilwicklungsstrangs
in der sechsten, achten, zehnten, zwölften, vierzehnten sowie in
der jeweils benachbarten Nut verlaufende Spulenleitungen
aufweisen
und
d4) benachbarte Spulen jedes der Teilwicklungsstränge mit
jeweils abwechselndem Wicklungssinn miteinander verbunden sind.
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Die
Drehmomentwelligkeit einer permanenterregten Synchronmaschine wird
durch folgende Aspekte bestimmt. Eine erste Ursache sind Reluktanzkräfte zwischen
den Permanentmagneten des Läufers
und den Zähnen
des Ständers.
Diese führen
zu zyklischen Schwankungen des magnetischen Leitwerts und verursachen
das sogenannte Nutrasten. Als Konsequenz enthält das von der Synchronmaschine
gelieferte Drehmoment einen Anteil mit einem Pendeldrehmoment. Weitere
Ursachen der Drehmomentwelligkeit sind in Wechselwirkungen von Läufer- und
Ständer-Magnetfeldwellen
zu sehen, wobei insbesondere die fünften und die siebten Oberwellen
zur Nutzwelle eine signifikante Welligkeit im Drehmoment hervorrufen.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass eine weitere Ursache
der Drehmomentwelligkeit eine durch Sättigungserscheinungen hervorgerufene
Schwankung des magnetischen Leitwerts ist. Je nach aktueller Drehstromeinprägung in das
Wicklungssystem des Ständers
können
sich im Ständer örtlich begrenzte
Bereiche ausbilden, in denen das magnetische Material des Ständer-Blechpakets
vorübergehend
in Sättigung
geht. Entsprechend der zeitlich sich ändernden Drehstromeinprägung ändert sich
auch die Position dieser Sättigungsbereiche innerhalb
des Ständers.
Anhand der einfachsten Ausführungsform
einer dreiphasigen Synchronmaschine, die zwei Pole und ein in insgesamt
sechs Ständer-Nuten
angeordnetes dreisträngiges
Wicklungssystem umfasst, lässt
sich veranschaulichen, dass jede Strombelag-Konstellation der Drehstromeinprägung insgesamt
sechsmal pro Umfang auftaucht. Die genannten Sättigungseffekte führen deshalb
zu einer Drehmomentwelligkeit mit der sechsten Oberwelle. Der Einfluss
dieser Sättigungseffekte
lässt sich
erfassen, indem dem Ständer
zusätzliche
virtuelle Zähne
zugewiesen werden. Bei der genannten zweipoligen Drehstrom-Synchronmaschine
wären zwei
zusätzliche
virtuelle Zähne
vorzusehen, die fiktiv in gleichmäßigem Abstand über den Umfang
des Ständers
verteilt angeordnet sind. Erfindungsgemäß lässt sich der Einfluss dieser
virtuellen Zähne
unterdrücken,
indem die Ausbildung der umlaufenden Bereiche mit lokaler Sättigung
unterbunden wird. Dies wird mittels des erfindungsgemäßen und
diesbezüglich
beson ders vorteilhaften Wicklungssystems erreicht, so dass insgesamt
ein stark verbessertes Drehmomentverhalten mit einer verringerten
Welligkeit resultiert.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen permanenterregten Synchronmaschine
ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
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Vorzugsweise
sind die Nuten des Ständers und/oder
die Permanentmagnete des Läufers
ungeschrägt
beziehungsweise ungestaffelt angeordnet, ohne dass dadurch eine
erhöhte
Drehmomentwelligkeit resultiert. Die Nuten und/oder die Permanentmagnete
sind also im Wesentlichen in axialer Richtung, das heißt in Richtung
der Drehachse, ausgerichtet. Dies bietet fertigungstechnische Vorteile
und führt
zu niedrigeren Herstellungskosten.
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Bei
einer Variante sind die Spulen als besonders preiswert herstellbare
Zahnspulen ausgebildet, die jeweils einen zwischen benachbarten
Nuten angeordneten Zahn umschließen.
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Weiterhin
können
in jeder der Nuten Spulenleitungen von zwei verschiedenen Spulen
angeordnet sein. Dabei sind die zu den jeweiligen Spulen gehörigen Spulenleitungen
innerhalb der Nut vorzugsweise nebeneinander angeordnet. Dies führt zu einem
vorteilhaft homogenen Feldverlauf.
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Eine
andere Variante ist dadurch ausgezeichnet, dass auf dem Läufer eine
Magnetpolbedeckung von 4/5, also von 80 %, einer Polteilung der Permanentmagnete
vorgesehen ist. Dadurch wird die fünfte Oberwelle wirksam unterdrückt, so
dass diese Ursache für
die Drehmomentwelligkeit ausgeschlossen ist.
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Besonders
günstig
ist eine Ausführungsform, bei
der der Ständer
fünfzehn
Nuten aufweist, die Nutzpolpaarzahl vier beträgt und das Wicklungssystem
nur ein einziges Teilwicklungssystem enthält. Für die Variable n ist also der
Wert eins gewählt.
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Dies
bietet fertigungstechnische Vorteile, da gerade bei kleinen permanenterregten
Synchronmaschinen oftmals der Platz zur Unterbringung der Nuten
und des Wicklungssystems sehr begrenzt ist. Deshalb ist es günstig, mit
dem kleinstmöglichen Wert
für n zu
arbeiten.
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Die
permanenterregte Synchronmaschine kann sowohl mit einem Innenläufer als
auch mit einem Außenläufer ausgeführt sein.
Das vorstehend beschriebene günstige
Wicklungssystem kann bei beiden Ausführungsformen mit den beschriebenen Vorteilen
eingesetzt werden.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der
Zeichnung. Es zeigt:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
einer permanenterregten Synchronmaschine mit speziellem Wicklungssystem
im Querschnitt und
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2 einen
abgerollten Innenumfang eines Ständers
der permanenterregten Synchronmaschine von 1.
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Einander
entsprechende Teile sind in den 1 und 2 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
eine als Motor ausgebildete permanenterregte Synchronmaschine 1 in
Querschnittsdarstellung gezeigt. Sie enthält einen Ständer 2 sowie einen
Läufer 3,
der um eine Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Der Läufer 3 ist
ein Innenläufer.
Der Ständer 2 enthält an seiner
dem Läufer 3 zugewandten
inneren Wandung mehrere, im Ausführungsbeispiel
von 1 insgesamt fünfzehn,
gleichmäßig über den
Umfang verteilte Nuten 5, zwischen denen jeweils Zähne 6 gebildet
sind. Ein außen
umlaufendes Joch 7 verbindet die Zähne 6 miteinander.
In den Nuten 5 ist ein dreisträngiges Wicklungssystem 8 angeordnet.
Der Läufer 3 ist
mit Permanentmagneten 9 verse hen, die so angeordnet sind,
dass sich insgesamt acht gleichmäßig über den
Umfang verteilte Magnetpole 10 ergeben. Einem Magnetpol 10 ist
dabei eine Polteilung τP, die durch einen Winkelbereich eines Umfangswinkels α gebildet
ist, zugewiesen. Die Permanentmagnete 9 erstrecken sich
in Umfangsrichtung nicht über
den gesamten Winkelbereich der Polteilung τP, sondern
nur über
einen Teil x·τP.
Die Größe x bezeichnet
dabei eine Polbedeckung. Sie hat einen Wert kleiner als eins. Im
Ausführungsbeispiel
liegt die Polbedeckung x bei 4/5, also bei 80%.
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Das
Wicklungssystem 8 umfasst insgesamt fünfzehn Spulen 11 bis 25,
die als Zahnspulen ausgebildet sind und jeweils einen Zahn 6 umschließen. In einer
Nut 5 sind Spulenleitungen 26, die zu zwei verschiedenen
der Spulen 11 bis 25 gehören, nebeneinander angeordnet.
Die Spulenleitungen 26 sind in 1 exemplarisch
für die
erste Spule 11 angedeutet. Für die übrigen Spulen 12 bis 25 sind
jeweils nur die durch die Spulenleitungen 26 gebildeten
Wicklungspakete schematisiert wiedergegeben.
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Im
folgenden wird die Wirkungsweise der permanenterregten Synchronmaschine 1 näher beschrieben.
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Eine
messtechnische Bestimmung und eine Frequenzauswertung des durch
das Wicklungssystem 8 in einem Luftspalt 27, der
zwischen dem Ständer 2 und
dem Läufer 3 vorhanden
ist, hervorgerufenen Magnetfelds ergibt eine Nutzpolpaarzahl pN von 4. Allerdings ist auch das Grundfeld
mit einer Polpaarzahl p = 1 vorhanden, wenngleich mit deutlich niedrigerer
Amplitude. Im Luftspalt 27 sind dann Feldanteile mit der
Nutzpolpaarzahl pN und deren Vielfachen
dominant.
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Während des
Betriebs kann die permanenterregte Synchronmaschine 1 eine
unerwünschte Drehmomentwelligkeit
aufweisen, für
die verschiedene Ursachen in Frage kommen.
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Zum
einen verursachen Reluktanzkräfte
zwischen den Permanentmagneten 9 und den Zähnen 6 ein
Nutrasten mit einer Rastpolpaarzahl pR,
die sich gemäß: PR = kgV(N, 2·pN)errechnet. Hierbei steht kgV für das kleinste
gemeinsame Vielfache und N für
eine Nutanzahl der Nuten 5.
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Eine
typische Auslegung einer nicht dargestellten permanenterregten Synchronmaschine
mit einem Wicklungssystem aus Zahnspulen enthält acht Magnetpole und zwölf Nuten.
Die Nutzpolpaarzahl pN beträgt vier
und die Nutzahl N zwölf.
Daraus ergibt sich eine Rastpolpaarzahl des Nutrastens von pR = 24. Diese permanenterregte Synchronmaschine
rastet demnach mit der doppelten Nutanzahl N. Da dieser Oberfeldanteil
noch eine sehr geringe Dämpfung aufweist,
ist eine gesonderte Maßnahme
zur Unterdrückung,
wie beispielsweise eine Schrägung
oder Staffelung der Nuten oder der Permanentmagnete erforderlich.
Dadurch steigt der fertigungstechnische Aufwand.
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Im
in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel hat die permanenterregte
Synchronmaschine 1 jedoch fünfzehn Nuten und acht Pole.
Damit ergibt sich entsprechend der vorstehenden Gleichung eine Rastpolpaarzahl
pR von 120, so dass die permanenterregte
Synchronmaschine 1 mit dem achtfachen der Nutanzahl N rastet.
Dieser Oberfeldanteil hat eine so hohe Ordnung, dass er bereits
stark gedämpft
ist und das zugehörige
Nutrasten praktisch kaum ins Gewicht fällt. Gesonderte Unterdrückungsmaßnahmen
sind damit nicht erforderlich. Dies wirkt sich günstig auf die Herstellungskosten
aus.
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Weitere
Hauptursachen für
die Drehmomentwelligkeit liegen in Wechselwirkungen von Läufer- und
Ständer-Magnetfeldwellen
im Luftspalt 27 begründet.
Besonders störend
sind dabei die fünften und
die siebten Oberwellen zur Nutzwelle des sich im Luftspalt 27 ausbildenden
magnetischen Luftspaltfeldes.
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Die
fünften
Oberwellen des Ständerfelds
und des Läuferfelds
drehen im Luftspalt 27 in entgegengesetzte Richtungen und
erzeugen somit Rastungen bei dem Sechsfachen einer Nutzpolpaarzahl
pN. Um diesen Anteil zu unterdrücken, ist
es ausreichend, wenn die fünfte
Oberwelle entweder des Ständerfelds
oder des Läuferfelds
gering gehalten wird. Als Unterdrückungsmaßnahme kommt für das Ständerfeld
ein Wicklungssystem 8 in Frage, das bei der fünften Oberwelle
einen geringen Wicklungsfaktor aufweist, oder für das Läuferfeld eine Polbedeckung,
die zu einer niedrigen fünften
Oberwelle des Läuferfelds führt. Im
Ausführungsbeispiel
ist die zweite Variante gewählt.
Die Polbedeckung x ist mit dem Wert 4/5 gerade so gewählt, dass
die fünfte
Oberwelle des Läuferfelds
wirksam reduziert wird.
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Die
vorstehenden Aussagen treffen im Wesentlichen auch auf die siebte
Oberwelle des Ständerfelds
und des Läuferfelds
zu, wobei diese Felder im Luftspalt 27 in die gleiche Richtung
drehen. Dadurch werden wiederum Rastungen beim Sechsfachen der Nutzpolpaarzahl
pN pro Läuferumdrehung erzeugt.
Als Unterdrückungsmaßnahme kommt ebenso
ein Wicklungssystem 8 mit einem für die siebte Oberwelle geringen
Wicklungsfaktor oder eine Polbedeckung x von beispielsweise 6/7,
die zu einer Unterdrückung
der siebten Oberwelle im Läuferfeld führt, in
Betracht. Im Ausführungsbeispiel
wird die siebte Oberwelle des Ständerfelds
aufgrund des speziellen Wicklungssystems 8 unterdrückt. Der
Wicklungsfaktor hat für
die siebte Oberwelle einen praktisch verschwindenden Wert.
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Neben
dem Nutrasten und der fünften
und siebten Oberwelle der Ständer-
und Läufer-Felder existiert
eine weitere wesentliche Ursache für die unerwünschte Drehmomentwelligkeit.
Hierbei handelt es sich um zeitlich und örtlich variable Sättigungserscheinungen
im Ständer 2,
die lokal eng begrenzt auftreten, von der Stromeinprägung in
das Wicklungssystem 8 im Ständer 2 abhängen und
in Umfangsrichtung mit umlaufen können. Diese Sättigungserscheinungen
verursachen Schwankungen des magneti schen Leitwerts und führen ebenfalls
zu einer Drehmomentwelligkeit bei der sechsten Oberwelle der Nutzpolpaarzahl
pN. Der Sättigungseinfluss lässt sich
durch die fiktive Einführung
zusätzlicher
virtueller Zähne
im Ständer 2 beschreiben.
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Es
gilt die Ausbildung der Sättigungsbereiche
und damit der virtuellen Zähne
zu unterdrücken, um
eine möglichst
niedrige Drehmomentwelligkeit zu erreichen. Das bei der permanenterregten
Synchronmaschine 1 eingesetzte spezielle Wicklungssystem 8 ist
gerade so ausgelegt, dass keine derartigen virtuellen Zähne im Ständer 2 entstehen.
Die magnetische Durchflutung wird in sämtlichen Bereichen des Ständers 2,
also in sämtlichen
Zähnen 6 und
im Joch 7, so eingestellt, dass praktisch zu keinem Zeitpunkt eine
lokale Sättigung
des Ständer-Materials auftritt.
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Das
spezielle Wicklungssystem 8 bewirkt, dass die Phasenlagen
der Pole 10 des Läufers 3 im Verhältnis zu
den virtuellen Zähnen
so eingestellt sind, dass sich die Wechselwirkungskräfte aufheben oder
zumindest nicht linear addieren. Insgesamt wird dadurch die Sättigung
wirksam unterdrückt.
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Diese
vorteilhafte Wirkung des Wicklungssystems 8 ergibt sich
aufgrund einer Verschaltung der Zahnspulen 11 bis 25 gemäß einem
speziellen Schema. Die Zusammenschaltung der Zahnspulen 11 bis 25 geht
aus der Darstellung von 2 hervor. Gezeigt ist ein abgerollter
Innenumfang des Ständers 2.
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Aus 2 ist
ersichtlich, dass die Zahnspulen 11 bis 25 jeweils
einen Zahn 6 umschließen
und in einer Nut 5 jeweils Spulenleitungen von zwei verschiedenen
der Zahnspulen 11 bis 25 angeordnet sind. In Richtung
der Drehachse 4 sind zu beiden Seiten des eigentlichen
aktiven Teils des Ständers 2 jeweils
ein Bereich für
einen Wicklungskopf 28 und 29 vorgesehen. Während im
Bereich des Wicklungskopfes 28 lediglich die Spulenleitungen
der Zahnspulen 11 bis 25 umgelenkt werden, erfolgt
im Bereich des Wicklungskopfs 29 die angesprochene Zusammenschaltung
der Zahnspulen 11 bis 25.
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Das
Wicklungssystem 8 enthält
drei Wicklungsstränge
entsprechend den drei Phasen eines Drehstromsystems. Jeder Wicklungsstrang
hat eine Zuleitung 30, 31 bzw. 32 und
eine Reihenschaltung von jeweils fünf der Zahnspulen 11 bis 25.
Bezeichnet man die Zahnspule 11 als erste und die Zahnspule 25 als
letzte, also im Ausführungsbeispiel
als fünfzehnte
Zahnspule, erhält
man folgendes Bildungsgesetz für
die Zusammenschaltung des Wicklungssystems 8. Der erste
Wicklungsstrang enthält
die erste, dritte, fünfte,
siebte und neunte Zahnspule 11, 13, 15, 17 bzw. 19,
der zweite Wicklungsstrang die elfte, dreizehnte, fünfzehnte,
zweite und vierte Zahnspule 21, 23, 25, 12 bzw. 14 sowie
der dritte Wicklungsstrang die sechste, achte, zehnte, zwölfte und
vierzehnte Zahnspule 16, 18, 20, 22 bzw. 24.
Benachbarte der Zahnspulen 11 bis 25 jedes der
drei Wicklungsstränge
sind mit jeweils abwechselnden Wicklungssinn miteinander verbunden.
An ihren jeweils von den Zuleitungen 30 bis 32 abgewandten
Enden sind die drei Wicklungsstränge
zu einem gemeinsamen Sternpunkt 33 zusammengeschaltet.
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Das
vorstehende Schema lässt
sich analog angeben, wenn anstelle der Zahnspulen die Nuten 5 oder
die Zähne 6 bezeichnet
werden. Das zugrunde liegende Prinzip ändert sich dadurch nicht.
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Zur
Verdeutlichung sind in 2 die drei Wicklungsstränge mit
jeweils unterschiedlicher Linienführung wiedergegeben. Der erste
Wicklungsstrang ist mit durchgezogener Linienführung, der zweite Wicklungsstrang
mit gestrichelter Linienführung
und der dritte Wicklungsstrang mit strichpunktierter Linienführung dargestellt.
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Das
Wicklungssystem 8 bietet die unter Fertigungsgesichtspunkten
günstige
Möglichkeit,
Zahnspulen 11 bis 25 einzuset zen und zugleich
auf eine ansonsten übliche
Schrägung
oder Staffelung der Nuten 5 oder der Permanentmagnete 9 zu
verzichten. Trotzdem resultiert aufgrund der beschriebenen günstigen
Eigenschaften des Wicklungssystems 8 eine sehr niedrige
Drehmomentwelligkeit. Insbesondere unterdrückt das Wicklungssystem 8 den
Einfluss der virtuellen Zähne,
so dass diese keinen Beitrag zur Drehmomentwelligkeit leisten.
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Das
vorstehend am konkreten Beispiel für N = 15 und pN =
4 beschriebene Schema lässt
sich auch in verallgemeinerter Form angeben.
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Der
Ständer 3 enthält im allgemeinen
Fall 15·n
gleichmäßig über den
Umfang verteilte Nuten 5, Zähne 6 und jeweils
einen der Zähne 6 umschließende Zahnspulen,
wobei n eine beliebige natürliche Zahl
größer als
null ist. Die Nutzpolpaarzahl pN beträgt 4·n und
jeder der drei Wicklungsstränge
enthält n
in Reihe geschaltete Teilwicklungsstränge mit jeweils fünf in Reihe
geschaltete Zahnspulen. Dementsprechend setzt sich auch das Wicklungssystem
insgesamt aus n in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Teilwicklungssystemen
mit jeweils fünfzehn
zugeordneten Nuten 5 zusammen, wobei jedes Teilwicklungssystem
drei jeweils einem der drei Wicklungsstränge zugeordnete Teilwicklungsstränge enthält. Die
Teilwicklungssysteme sind dabei jeweils so aufgebaut wie das Wicklungssystem 8 des
vorstehend beschriebenen Beispiels.