DE102005016856A1

DE102005016856A1 - Elektrische Asynchronmaschine mit Zahnspulen im Stator-Wicklungssystem

Info

Publication number: DE102005016856A1
Application number: DE102005016856A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Platen; Detlef Dr. Potoradi; Rolf Vollmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-04-12
Filing date: 2005-04-12
Publication date: 2006-10-19
Also published as: JP2008536466A; WO2006108810A1; US20080185931A1

Abstract

Die elektrische Asynchronmaschine umfasst einen Stator und einen Rotor. Der Stator hat ein Stator-Wicklungssystem, das mittels mehrerer teilweise in Stator-Nuten angeordneten Zahnspulen ausgebildet ist. Der Rotor hat ein Rotor-Wicklungssystem, das mittels mehrerer kurzgeschlossener, in Rotor-Nuten (7) verlegten elektrischen Leitern aufgebaut ist. Der Rotor weist eine Anzahl an Rotor-Nuten (7) von elf, dreizehn, siebzehn oder siebenundzwanzig auf. Dadurch werden durch Oberwellen bedingte Verluste und die Drehmomentwelligkeit reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Asynchronmaschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei ein Zahnspulen umfassendes Stator-Wicklungssystem vorgesehen ist.

In der DE 103 25 982 A1 wird ein Stator-Wicklungssystem beschrieben, das unter Verwendung von Zahnspulen realisiert ist. Es ist unter anderem auch für einen Einsatz bei einer elektrischen Asynchronmaschine bestimmt.

Ein auf Zahnspulen basiertes Stator-Wicklungssystem erzeugt im elektrischen Stator-Luftspaltfeld einen vergleichsweise hohen Oberwellenanteil. Diese Oberwellen können bei einer elektrischen Asynchronmaschine mit dem Rotor-Luftspaltfeld in Wechselwirkung treten und so zu unerwünschten Nebeneffekten führen. Insbesondere kann es zu einer großen Streuung, zu hohen Verlusten oder zu einer Welligkeit im von der Asynchronmaschine erzeugten Drehmoment kommen. Diese Welligkeit wird durch Pendeldrehmomente hervorgerufen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine elektrische Asynchronmaschine der eingangs bezeichneten Art anzugeben, bei der die genannten Nebeneffekte trotz Verwendung eines zahnspulenbasierten Stator-Wicklungssystems zumindest reduziert sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Asynchronmaschine handelt es sich um eine solche, bei der

a) der Stator ein Stator-Wicklungssystem umfasst, das mittels mehrerer teilweise in Stator-Nuten angeordneten Zahnspulen ausgebildet ist,
b) der Rotor ein Rotor-Wicklungssystem umfasst, das mittels mehrerer kurzgeschlossenen, in Rotor-Nuten verlegten elektrischen Leitern aufgebaut ist, und
c) der Rotor eine Anzahl an Rotor-Nuten von elf, dreizehn, siebzehn oder siebenundzwanzig aufweist.

Aufgrund der genannten Nebeneffekte sind Zahnspulen bei elektrischen Asynchronmaschinen bislang praktisch nicht für den Aufbau des Stator-Wicklungssystems eingesetzt worden. Erst die erfindungsgemäß vorgesehene gezielte Auswahl der im Rotor vorgesehenen Nutanzahl, und damit insbesondere auch der Anzahl der über den Umfang des Rotors verteilt angeordneten elektrischen Leiter, ermöglicht den unter Fertigungsgesichtspunkten sehr vorteilhaften Einsatz von Zahnspulen im Stator-Wicklungssystem. Bei Verwendung von elf, dreizehn, siebzehn oder siebenundzwanzig Rotor-Nuten treten die unerwünschten Nebeneffekte wenn überhaupt nur noch sehr stark reduziert auf. Mittels der Zahnspulen lässt sich außerdem ein höherer Füllfaktor mit dem Material der elektrischen Leiter und folglich eine höhere Ausnutzung der elektrischen Asynchronmaschine erreichen.

Vorzugsweise sind die elektrischen Leiter als Stäbe aus Kupfer oder aus Aluminium ausgebildet. Diese Materialien haben eine günstige hohe elektrische Leitfähigkeit, so dass die ohmschen Verluste im Rotor-Wicklungssystem gering gehalten werden.

Der Kurzschluss zwischen den elektrischen Leitern erfolgt insbesondere mittels entsprechend ausgebildeter Kurzschlussringe, die auf beiden axialen Stirnseiten des Rotors angeordnet sind, so dass eine auch als Kurzschluss- oder Käfigläufer bezeichneter Bauform des Rotors vorliegt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Asynchronmaschine ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.

Günstig ist eine Variante, bei der das Stator-Wicklungssystem eine durch drei teilbare Anzahl an Stator-Nuten aufweist. Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Stator-Wicklungssystem eine Lochzahl von 0,5 aufweist. Dadurch wird insbesondere die Ausbildung subharmonischer Wellenanteile im Stator-Luftspaltfeld weitgehend vermieden.

Gemäß einer anderen Variante weisen die Rotor-Nuten eine Steghöhe von mindestens 3 mm auf. Dadurch wird die Wechselwirkung von Oberwellen des Rotor-Luftspaltfelds mit dem Oberwellenspektrum des Stator-Luftspaltfelds zumindest stark reduziert.

Diesen Vorteil bietet auch eine weitere bevorzugte Ausgestaltung, bei der die Rotor-Nuten eine Schrägung aufweisen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Asynchronmaschine mit Zahnspulen im Stator und mit einer speziellen Rotor-Nutanzahl in einer Längsschnittdarstellung,
2 einen Querschnitt durch den Stator der elektrischen Asynchronmaschine von 1 und
3 bis 8 mehrere Ausführungsbeispiele eines im Rotor der elektrischen Asynchronmaschine von 1 eingesetzten Rotor-Blechschnitts.
Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 8 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Asynchronmaschine 1 mit einem Stator 2 und einem Rotor 3 in Längsschnittdarstellung gezeigt. In 2 ist ein Querschnitt durch den Stator 2 wiedergegeben. Der Stator 2 umfasst ein – abgesehen von den Wicklungsköpfen – in 1 nicht näher dar gestelltes Stator-Wicklungssystem 4, das mittels vorgefertigter Zahnspulen 5 realisiert ist. Deren einzelne Leiterwicklungen verlaufen größtenteils in Stator-Nuten 6 eines Stator-Blechpakets.
Das Stator-Wicklungssystem 4 ist im Ausführungsbeispiel achtpolig, d.h. mit einer Polpaarzahl von p = 4, ausgebildet. Weiterhin ist bei einer Stranganzahl von m = 3 eine Stator-Nutenanzahl von N1 = 12 vorgesehen. Damit handelt es sich bei dem Stator-Wicklungssystem 4 um eine Bruchlochwicklung mit einer Lochzahl von q = N1/(2p·m) = 1/2.
Der Rotor 3 besteht aus einem Rotor-Blechpaket mit gleichmäßig über den Umfang des Rotors 3 verteilten, im Wesentlichen axial verlaufenden Rotor-Nuten 7, in die elektrisch leitfähige Kupferstäbe 8 eingelegt sind. Die Kupferstäbe 8 sind auf beiden axialen Stirnseiten des Rotors 3 mittels eines Kurzschlussringes 9 bzw. 10 elektrisch leitend miteinander verbunden. Es liegt ein sogenannter Käfigläufer vor. Die Kupferstäbe 8 und die beiden Kurzschlussringe 9 und 10 bilden ein Rotor-Wicklungssystem 11.
In den 3 bis 8 sind Ausführungsbeispiele von Rotor-Blechschnitten 12 bis 17, die im Rotor-Blechpaket zum Einsatz kommen, gezeigt. Diese Ausführungsbeispiele unterscheiden sich in erster Linie durch die jeweils vorgesehene Anzahl N2 der Rotor-Nuten 7 und damit auch der im Rotor-Wicklungssystem 11 vorgesehenen Kupferstäbe 8. Die Rotor-Nutenanzahl N2 nimmt beim Rotor-Blechschnitt 12 gemäß 3 den Wert elf, beim Rotor-Blechschnitt 13 gemäß 4 den Wert dreizehn, bei den Rotor-Blechschnitten 14 und 15 gemäß 5 bzw. 6 jeweils den Wert siebzehn sowie bei den Rotor-Blechschnitten 16 und 17 gemäß 7 bzw. 8 jeweils den Wert siebenundzwanzig an.
Die Rotor-Blechschnitte 15 bis 17 haben im Unterschied zu den anderen drei Rotor-Blechschnitten 12 bis 14 jeweils eine von Null verschiedene Steghöhe 18. Bei den Rotor-Blechschnitten 15 und 16 beträgt die Steghöhe 18 jeweils 3 mm, beim Rotor-Blechschnitt 17 dagegen 5 mm.
Aufgrund der im Stator-Wicklungssystem 4 verwendeten Zahnspulen 5 hat das sich im Luftspalt 19 zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 3 ausbildende Stator-Luftspaltfeld einen höheren Oberwellengehalt als bei einem herkömmlichen Stator-Wicklungssystem, das mittels verteilter Spulenwicklungen realisiert ist. Um die sich ansonsten ausbildenden unerwünschter Pendeldrehmomente zu reduzieren oder komplett zu unterbinden, ist der Rotor 3 so ausgeführt, dass bei geringer Streuung eine möglichst geringe Wechselwirkung zwischen dem Rotor-Luftspaltfeld und den Oberwellen des Stator-Luftspaltfelds resultiert.
Dies gelingt mittels der vorstehend genannten gezielten Auswahl für die Anzahl N2 der im Rotor 3 vorgesehenen Rotor-Nuten 7. Als diesbezüglich besonders effizient haben sich bei der genannten Dimensionierung des Stator-Wicklungssystems 4 (also q = 1/2, N1 = 12 und m = 3) die Rotor-Blechschnitte 12, 14 und 15 mit einer Rotor-Nutenanzahl N2 von elf bzw. siebzehn herausgestellt. Es ergeben sich niedrige durch die Oberwellen bedingte Verluste und eine sehr geringe Drehmomentwelligkeit.
Die bei den Rotor-Blechschnitten 15 bis 17 zusätzlich vorgesehene von Null verschiedene Steghöhe 18 minimiert den unerwünschten Einfluss der Oberwellen weiter. Gleiches gilt für eine bezogen auf die Drehachse des Rotors 3 schräge Anordnung der Rotor-Nuten 7 und damit auch der Kupferstäbe 8.
Insgesamt lässt sich trotz der im Zusammenhang mit der Verwendung von Zahnspulen 5 ungewöhnlich niedrigen Stator-Nutenanzahl N1 von nur zwölf ein sehr gutes Gesamtverhalten der elektrischen Asynchronmaschine 1 erzielen. Die niedrige Stator-Nutenanzahl N1 ermöglicht außerdem eine einfache Herstellung, so dass niedrige Fertigungskosten resultieren.

Claims

Elektrische Asynchronmaschine mit einem Stator (2) und einem Rotor (3), wobei a) der Stator (2) ein Stator-Wicklungssystem (4) umfasst, das mittels mehrerer teilweise in Stator-Nuten (6) angeordneten Zahnspulen (5) ausgebildet ist, b) der Rotor (3) ein Rotor-Wicklungssystem (11) umfasst, das mittels mehrerer kurzgeschlossenen, in Rotor-Nuten (7) verlegten elektrischen Leitern (8) aufgebaut ist, und c) der Rotor (3) eine Anzahl an Rotor-Nuten (7) von elf, dreizehn, siebzehn oder siebenundzwanzig aufweist.
Asynchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stator-Wicklungssystem (4) eine durch drei teilbare Anzahl an Stator-Nuten (6) aufweist.
Asynchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stator-Wicklungssystem (4) eine Lochanzahl von 0,5 aufweist.
Asynchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotor-Nuten (7) eine Steghöhe (18) von mindestens 3 mm aufweisen.
Asynchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotor-Nuten (7) eine Schrägung aufweisen.