DE102006014613A1

DE102006014613A1 - Elektrische Maschine mit Dämpfungswicklung

Info

Publication number: DE102006014613A1
Application number: DE102006014613A
Authority: DE
Inventors: Zelijko Dr. Jajtic; Gerhard Matscheko; Stefan Schiele
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-10-11
Also published as: WO2007113046A2; WO2007113046A3; EP1999837A2; US20090174266A1

Abstract

Resonante Überspannungen in elektrischen Maschinen sollen reduziert werden. Hierzu ist vorgesehen, dass in einer elektrischen Maschine für ein n-phasiges, symmetrisches, elektrisches System mit n Arbeitswicklungen (Au, Av, Aw), die den n Phasen (U, V, W) zugeordnet sind und mit denen entsprechende Magnetfüße erzeugbar sind, jeder der n Arbeitswicklungen (Au, Av, Aw) eine separate Dämpfungswicklung (Du, Dv, Dw) zugeordnet ist. Durch jede Dämpfungswicklung fließt der Magnetfluss der jeweiligen Arbeitswicklung. Die n Dämpfungswicklungen (Du, Dv, Dw) sind in Serie geschaltet und insgesamt kurzgeschlossen. Somit lassen sich asymmetrische Anteile des Systems dämpfen, während der Nutzfluss nicht beeinträchtigt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für ein n-phasiges, symmetrisches, elektrisches System mit n Arbeitswicklungen, die den n Phasen zugeordnet sind und mit denen entsprechende Magnetflüsse erzeugbar sind.
Unter dem Begriff elektrische Maschinen fallen beispielsweise elektrische Direktantriebsmotoren, wie z.B. Torque- und Linearmotoren. Diese müssen an die technischen Anforderungen des Antriebs genau angepasst werden, insbesondere bezüglich der erforderlichen Geschwindigkeit bzw. des erforderlichen Drehmoments. In den meisten Direktantrieben werden daher vom Motor verhältnismäßig kleine Drehzahlen und hohe Drehmomente verlangt, was wiederum zu hohen Wicklungsinduktivitäten L und Wicklungskapazitäten C der Motoren führt, da L proportional 1/Drehzahl und C proportional dem Drehmoment ist. Damit ergibt sich im Vergleich zu schnell laufenden, kleineren Motoren eine deutlich niedrigere Resonanzfrequenz der Motorwicklung. Diese ist proportional zu 1/√LC und liegt üblicherweise im Bereich von ca. 20 kHz bis 60 kHz. Im Umrichterbetrieb verhält sich die Motorwicklung wie ein RLC-Schwingkreis, der durch getaktete Spannung an den Motorklemmen zur Schwingung angeregt wird. Die Folge davon ist eine zum Teil erhebliche Spannungsüberhöhung innerhalb der Motorwicklung. Durch die Überspannungen wird die Motorisolation geschädigt, was oft zum Durchschlag der Isolation und zum Motorausfall mit Masseschluss führt.
Zur Reduzierung der resonanten Spannungsüberhöhungen wird bislang beispielsweise ein zusätzlicher Schaltkreis mit Zener-Dioden galvanisch am Sternpunkt der Motorwicklung angeschlossen. Dieser Schaltkreis schließt Spannungsspitzen über einen Widerstand zur Masse kurz. Hierzu wird der Sternpunkt der Motorwicklung als separate Klemme ausgeführt. Ein derartiger Schaltkreis ist jedoch verhältnismäßig aufwendig und stellt ein Gefahrenpotenzial beim Anschließen für den Nutzer dar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, resonante Überspannungen bei einer elektrischen Maschine ohne großen Aufwand zu reduzieren und darüber hinaus Gefahren für den Anwender zu vermeiden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine für ein n-phasiges, symmetrisches, elektrisches System mit n Arbeitswicklungen, die den n Phasen zugeordnet sind und mit denen entsprechend Magnetflüsse erzeugbar sind, wobei jeder der n Arbeitswicklungen eine separate Dämpfungswicklung zugeordnet ist, durch die hindurch der Magnetfluss der jeweiligen Arbeitswicklung fließt, und wobei die n Dämpfungswicklungen in Serie geschaltet und insgesamt kurzgeschlossen sind.
Durch die erfindungsgemäßen Dämpfungswicklungen werden resonante Überspannungen in den Maschinenwicklungen bzw. Arbeitswicklungen reduziert. Hierdurch wird beispielsweise die Motorisolation gegen Durchschlag geschützt. Außerdem erfordert die Dämpfungswicklung bzw. erfordern die Dämpfungswicklungen keine Anschlüsse, sodass sich für den Anwender kein zusätzlicher Schaltungsaufwand ergibt. Ferner erübrigen die Dämpfungswicklungen äußere Klemmen, an denen hohe Spannungen anliegen können, sodass das Gefahrenpotenzial für den Anwender wirksam erniedrigt werden kann.
Bei einer speziellen Ausführungsform kann der Kurzschluss der Dämpfungswicklungen über einen Widerstand erfolgen. Durch die geeignete Auswahl des Widerstands kann die Dämpfungswirkung optimiert werden (R-L-Anpassung). Als Widerstand kann ein separates Bauteil verwendet werden, in welchem die Verlustleistung gezielt dissipiert wird (z.B. zwecks guter Kühlungsmöglichkeit), oder die Dämpfungswicklung wird direkt aus einem Widerstandsdraht gewickelt, so dass optimale Widerstandsanpassung ohne einen separaten Widerstand erreicht wird.
Vorzugsweise ist die elektrische Maschine für ein 3-Phasensystem ausgelegt, wobei die Arbeitswicklungen sternförmig verschaltet sind. Damit lässt sich die Erfindung in vorteilhafter Weise für übliche 3-Phasensysteme ausnutzen.
Speziell kann jede der n Dämpfungswicklungen um den gleichen Polzahn gewickelt sein wie die dazugehörige der n Arbeitswicklungen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der gesamte magnetische Fluss der Arbeitswicklung auch durch die Dämpfungswicklung fließt.
Des Weiteren können mehrere Polzähne der elektrischen Maschine über ein einziges Joch miteinander verbunden sein, auf den Polzähnen kann je eine der n Arbeitswicklungen angeordnet sein und es kann sich jede der n Dämpfungswicklungen zwischen der zugehörigen Arbeitswicklung und dem Joch befinden.
Insbesondere ist es günstig, wenn die Dämpfungswicklungen in Vertiefungen im Joch angeordnet sind. Dadurch kann der Bauraum für die Dämpfungswicklungen im Aktivteil der elektrischen Maschine reduziert werden. Eine Platzbedarfsreduzierung für die Dämpfungswicklung lässt sich auch durch eine mäanderartige Wicklungsform erzielen. Weiterhin können die Dämpfungswicklungen aus Flachdraht oder aus Kupferfolie bzw. Kupferband gefertigt werden. Die Herstellung der Dämpfungswicklung aus Kupferband kann kostengünstig durch Stanztechnik erfolgen: erforderliche Konturführung der Dämpfungswicklung aus dem Kupferband ausstanzen, in Nuten der elektrischen Maschine einlegen und entsprechend zu der Dämpfungswicklung verschalten. Durch die flache Form der Wicklung wird die Nutgeometrie nicht gestört. Außerdem entsteht damit kein zusätzlicher Aufwand bei der Ausführung der Nutisolation.
Die elektrische Maschine kann darüber hinaus eine Kühleinrichtung in/an den Dämpfungswicklungen aufweisen. Diese Kühleinrichtung dient vorzugsweise auch zur Kühlung der Arbeitswicklungen. Somit lässt sich die in den Dämpfungswicklungen entstehende Verlustleistung effektiv wie die Verlustleistung der normalen Arbeitswicklungen abführen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 eine Teilschnittansicht durch das Primärteil eines erfindungsgemäßen Linearmotors;
2 die Verschaltung der Motorwicklung von 1;
3 die Verschaltung der Dämpfungswicklung von 1;
4 eine Anordnung der Dämpfungswicklung gemäß einer ersten Ausführungsform;
5 eine Anordnung der Dämpfungswicklung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
6 die Anordnung der Dämpfungswicklung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ein Schaltungsdiagramm zum Messen der Spannungsüberhöhung und
8 ein Messdiagramm der Spannungsüberhöhung über der Frequenz.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Primärteils eines Linearmotors ist in 1 im Querschnitt schematisch dargestellt. Die Darstellung zeigt einen Abschnitt des Primärteils mit drei Polzähnen Zu, Zv und Zw für ein 3-Phasensystem UVW. Die Polzähne sind durch ein Joch miteinander verbunden. Auf den Polzähnen Zu, Zv und Zw sind Arbeitswicklungen Au, Av und Aw angeordnet. Diese Arbeitswicklungen sind einerseits an die entsprechenden Phasen U, V und W angeschlossen. Andererseits sind sie zu einem Stern miteinander verschaltet. Die prinzipielle Verschaltung der Arbeitswicklungen Au, Av und Aw ist in 2 schematisch wiedergegeben. Die gesamte Motorwicklung ist somit in einer Sternschaltung verschaltet.
Am Fuß des Polzahns Zu, d. h. zwischen der Arbeitswicklung Au und dem Joch J befindet sich eine Dämpfungswicklung Du. Ebenso befindet sich am Fuß des Polzahns Zv zwischen der Arbeitswicklung Av und dem Joch J eine Dämpfungswicklung Dv. Schließlich befindet sich auch eine Dämpfungswicklung Dw am Fuß des Polzahns Zw zwischen der Arbeitswicklung Aw und dem Joch J. Sämtliche Dämpfungswicklungen Du, Dv und Dw sind hintereinander geschaltet, wobei die Enden dieser Reihenschaltung kurzgeschlossen sind. Diese Schaltung der Dämpfungswicklungen Du, Dv und Dw ist in 3 als Schaltungsdiagramm wiedergegeben. Gegebenenfalls werden die einzelnen Dämpfungswicklungen über einen Widerstand kurzgeschlossen.
Mit den Dämpfungswicklungen Du, Dv und Dw gelingt es, die resonanten Überspannungen in der Motorwicklung, d.h. den Arbeitswicklungen Au, Av und Aw zu reduzieren. Die aus wenigen Windungen bestehenden Dämpfungswicklungen befinden sich im Blechpaket des Motors in unmittelbarer Nähe der Arbeitswicklungen und werden daher von den jeweils erzeugten magnetischen Flüssen durchströmt. Die Dämpfungswicklungsanordnung mit ihren Dämpfungswicklungen Du, Dv und Dw weist keine elektrischen Klemmen auf. Es handelt sich somit um eine motorinterne Kurzschlusswicklung, für die keine Anschlüsse vorzusehen sind. Für den Anwender entsteht folglich kein Schaltungsaufwand und es geht keine Gefahr von äußeren Klemmen mit hoher Spannung aus.
Die Dämpfungswirkung basiert auf der guten elektromagnetischen Kopplung zwischen jeder Arbeitswicklung und der dazugehörigen Dämpfungswicklung über das Motorblechpaket. Die Dämpfungswicklungen Du, Dv und Dw sind nur wirksam, wenn das UVW-System asymmetrisch ist. In diesem Fall werden die asymmetrischen Anteile gedämpft. Der Nutzfluss hingegen bleibt ungedämpft. Dies bedeutet, dass das drehmomentbildende, 3-strängige, symmetrische Stromsystem durch die Dämpfungswicklungen nicht beeinträchtigt wird.
Entsprechend einer ersten konkreten Ausführungsform, die in 4 wiedergegeben ist, wird für die Dämpfungswicklungen ein Runddraht R verwendet. Der Runddraht wird in einem Nutfenster N gewickelt bzw. verlegt.
Um die Abmessungen des Primärteils bzw. des Aktivteils der elektrischen Maschine zu reduzieren, können gemäß 5 im Blechpaket und speziell im Joch J Vertiefungen T vorgesehen sein, in denen der Runddraht R der Dämpfungswicklung verlegt bzw. gewickelt wird. Wie aus der Grafik von 5 zu entnehmen ist, lässt sich dadurch die Höhe der Arbeitswicklungen gegenüber dem Ausführungsbeispiel von 4 erhöhen oder aber die Polzahnlänge verkürzen.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Primärteils, das sehr kompakt gestaltet ist, ist in 6 wiedergegeben. Dort wird für die Dämpfungswicklungen ein Flachdraht F verwendet, der sich lückenlos an das Blechpaket anschmiegen lässt. Alternativ kann für den Flachdraht F auch eine Kupferfolie verwendet werden. Auch hierdurch kann erreicht werden, dass der für die Dämpfungswicklung zur Verfügung stehende Bauraum besser ausgenutzt wird, so dass sich das Primärteil kompakter gestalten lässt.
Der durch die Dämpfungswicklungen Du, Dv und Dw erzielbare Gewinn lässt sich durch die Messschaltung von 7 nachweisen. Hierzu wird an die Motorklemmen für die Phasen U, V und W eine Messspannung U_K angelegt. Auf Grund der in einem Sternpunkt S zusammengeschalteten Arbeitswicklungen Au, Av und Aw ergibt sich in diesem Sternpunkt S eine Mess- bzw. Sternpunktspannung U_S.
Das Verhältnis K_U = U_S/U_K zwischen der Sternpunktspannung und der Klemmenspannung, das auch als Spannungsüberhöhung bezeichnet werden kann, ist in 8 für den gedämpften und ungedämpften Fall über der Frequenz wiedergegeben. Demnach liegt in dem gewählten Beispiel die Spannungsüberhöhung im ungedämpften Fall bei K_U = 4,6, während die Spannungsüberhö hung im gedämpften Fall lediglich K_U = 1,8 beträgt. Durch die Dämpfung ist die Motorisolation also deutlich gegenüber resonanten Spannungsüberhöhungen geschützt.

Claims

Elektrische Maschine für ein n-phasiges, symmetrisches, elektrisches System mit – n Arbeitswicklungen (Au, Av, Aw), die den n Phasen zugeordnet sind und mit denen entsprechend Magnetflüsse erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass – jeder der n Arbeitswicklungen eine separate Dämpfungswicklung (Du, Dv, Dw) zugeordnet ist, durch die hindurch der Magnetfluss der jeweiligen Arbeitswicklung fließt, und – die n Dämpfungswicklungen in Serie geschaltet und insgesamt kurzgeschlossen sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Kurzschluss der Dämpfungswicklungen (Du, Dv, Dw) über einen Widerstand erfolgt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, die für einen 3-Phasensystem ausgelegt ist, wobei die Arbeitswicklungen sternförmig (Au, Av, Aw) verschaltet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der n Dämpfungswicklungen (Du, Dv, Dw) um den gleichen Polzahn gewickelt ist wie die dazugehörige der n Arbeitswicklungen (Au, Av, Aw).
Elektrische Maschine nach Anspruch 4, wobei mehrere Polzähne (Zu, Zv, Zw) mit einem Joch (J) miteinander verbunden sind, auf den Polzähnen je eine der n Arbeitswicklungen (Au, Av, Aw) angeordnet ist und jede der n Dämpfungswicklungen (Du, Dv, Dw) sich zwischen der zugehörigen Arbeitswicklung und dem Joch befindet.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, wobei die Dämpfungswicklungen (Du, Dv, Dw) in Vertiefungen (T) im Joch (J) angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Dämpfungswicklungen (Du, Dv, Dw) aus Flachdraht (F) gefertigt sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Dämpfungswicklungen (Du, Dv, Dw) aus Kupferfolie gefertigt sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Kühleinrichtung in/an den Dämpfungswicklungen angeordnet ist, die gleichzeitig zur Kühlung der Arbeitswicklungen dient.