DE102006047975A1

DE102006047975A1 - Permanenterregte Synchronmaschine mit Flachdrahtwicklung

Info

Publication number: DE102006047975A1
Application number: DE102006047975A
Authority: DE
Inventors: Detlef Dr. Potoradi; Holger Schunk; Rolf Vollmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-10-10
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2008-04-17
Also published as: WO2008043688A1

Abstract

Die Wirbelstromverluste werden verringert bei einer permanenterregten Synchronmaschine mit einem Stator (1), der zumindest ein in Nuten (2) angeordnetes Wicklungssystem aufweist, und einem mit Permanentmagneten (7) versehenen Rotor, wobei die Breite eines Nutzschlitzes des Stators (1) zumindest dem 0,7-fachen der Nutzbreite entspricht und wobei das Wicklungssystem massive Flachdrähte (8) aufweist und wobei ein vorgebbarer Bereich der Nut frei von Flachdrähten (8) ist, um Wirbelströme in den Flachdrähten (8) zu vermeiden.

Description

Die Erfindung betrifft eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem Stator, der eine nutenangeordnete Wicklungssystem aufweist und einem mit Permanentmagnet versehenen Rotor, wobei das Wicklungssystem massive Flachdrähte aufweist.
Permanenterregte Synchronmaschinen weisen ein Wicklungssystem in ihren Nuten auf, dass durch Deckschieber oder Nutverschlusskeile gesichert ist. Um hohe Nutfüllfaktoren zu erreichen, sind die Leiter des Wicklungssystems hochkant gewickelt mit Flachdrähten bestückt. Dabei dringt aber durch die offenen Nutschlitze das von den Permanentmagneten erzeugte Feld vergleichsweise tief in den Nutenraum ein. Da sich dieses von den Permanentmagnet erzeugte Feld mit der Drehzahl des Rotors bewegt, entsteht in dem Rotor zugewandten Teil der Nut ein Wechselfeld. Dieses Wechselfeld erzeugt nun in den massiven Flachdrähten unerwünschte Kreisströme, die zu hohen drehzahlabhängigen Verlusten führen. Diese Verluste dominieren bei höheren Drehzahlen das thermische Verhalten dieser Motoren.
Dieses Problem wurde versucht durch den Einsatz magnetisch leitender Nutverschlüsse zu lösen. Die Wirkung dieser Nutverschlusskeile besteht nunmehr darin, dass deren magnetische Leitfähigkeit das in die Nut eindringende Feld in die Zähne umleitet und so das Nutinnere abschirmt. Nachteilig dabei sind allerdings, dass die Sättigungsinduktion dieses Materials der leitenden Nutverschlusskeile bei unter 50% des Wertes des verwendeten Elektroblechs liegt, somit ist dieses Material der Nutverschlusskeile lediglich in der Lage, einen Teil des Streuflusses in der Nut abzuschirmen bevor es in Sättigung geht und sich damit magnetisch wie Luft verhält.
Des Weiteren wird durch die Platzierung des Deckschiebers am Nutgrund auch zum Teil der drehmomentbildende Fluss der Ständerwicklung kurzgeschlossen, was zu einer Verringerung der Drehmomentkonstanten führt. D.h. trotz Nutverschlusskeil treten in einem permanenterregten Synchronmotor erhebliche Zusatzverluste auf.
Der Erfindung liegt nunmehr das Problem zugrunde, eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem Wicklungssystem zu schaffen, bei der das thermische Verhalten optimiert wird und die thermischen Verluste der Flachdrahtwicklungen reduziert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem Stator, der ein in Nuten angeordnetes Wicklungssystem aufweist und einem mit Permanentmagneten versehenen Rotor, wobei das Wicklungssystem massive Flachdrähte aufweist, und wobei ein vorgebbarer Bereich der Nut frei von Flachdrähten ist um die Wickelströme in den Flachdrähten zu vermeiden.
Vorteilhafterweise entspricht die Breite eines Nutschlitzes des Stators zumindest dem 0,7-fachen der Nutbreite.
Damit wird eine erhebliche Reduktion der Zusatzverluste der permanenterregten Synchronmaschine erreicht. Nachteilig dabei ist zwar, dass das Stillstandsmoment aufgrund der geringeren Kupferfläche vergleichsweise absinkt, allerdings wird dieser Nachteil bei Weitem dadurch aufgehoben, dass die permanenterregte Synchronmaschine bei wesentlichen höheren Drehzahlen betrieben werden kann.
Vorteilhafterweise ist nunmehr die Höhe der Leiter in der Nut um ca. 15% reduziert, was gegenüber einer vollständigen belegten Nut ungefähr die Höhe einer Leiterbreite bei Flachdrähten ausmacht. Die Leiter rücken also eine Leiterbreite weiter in Richtung Nutgrund.
Berechnungen zeigten eine Verminderung der induzierten Verluste im Leerlauf um 55%, da diese bei höheren Drehzahlen thermisch dominant sind, wird unter anderem erst dadurch er möglicht, den Motoren bei bestimmten Drehzahlen zu betreiben. Vorteilhafterweise wird der Abstand der Leiter vom Zahnende nach folgender Ausführungsvorschrift eingestellt. X größer gleich ½ × (s/2 – d)wobei

X: der Abstand der Leiter vom zahnende,
s: die Nutschlitzbreite,
d: der physikalische Luftspalt von Rotor(Oberkante Permanentmagnete oder Oberfläche Rotor) und Unterkante des bewickelten Zahns

Der so entstandene Raum mit der Querschnittsfläche s mal X und der Länge 1 (Länge des Blechpakets) wird vorteilhafterweise mit elektrisch nicht leitendem Material und/oder einer Wasserkühlung oder aber auch einem weiteren Wicklungssystem aus Runddrähten belegt, das die Wirbelstromverluste ebenfalls reduziert.
Die Erfindung sowie weitere Vorteile der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche sind in dem folgenden Ausführungsbeispiel prinzipiell dargestellt. Dabei zeigen:
1 eine prinzipielle Darstellung eines permanenterregten Synchronmotors,
2 bis 5 Teilquerschnitte eines Statorblechpakets, mit jeweils unterschiedlichen Ausführungen der zum Luftspalt weisenden Nuten.
1 zeigt in prinzipieller Darstellung einen permanenterregte Synchronmaschine, mit axial verlaufenden paarweise parallelflankigen Nuten 2 im Statur 1, die jeweils einen Zahn 9 bilden. Die Nutschlitzbreite entspricht dabei der Nutbreite. Der Zahn 9 ist jeweils von einer Zahnspule umgeben, die aus Flachdrähten 8 hergestellt ist, wobei die Flachdrähte 8 mit ihrer, im Querschnitt betrachteten Längsachse im Wesentlichen tangential zum Rotor 6 angeordnet sind.
Der Rotor 6 ist mit Permanentmagneten 7 versehen, die entweder an der Oberfläche des Rotors 6 oder „vergraben" angeordnet sind.
2 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts eines Stators 1 der zwei benachbarte, parallelflankige Nuten 2 aufweist, die mit Flachdrahtwicklungen 4 versehen sind. Die Flachdrahtwicklung 4, die vorzugsweise als Zahnspule ausgebildet ist besteht aus Flachdrähten 8, und wird somit zur Positionierung innerhalb der Nuten 2 lediglich über den Zahn 9 geschoben. Auf der dem physikalischen Luftspalt der permanenterregten Synchronmaschine zugewandten Seite der Nut 2 befinden sich gegenüberliegende Schlitze 5, in die zusätzlich ein Nutverschlusskeil 23 vorzugsweise ein amagnetischer Nutverschlusskeil eingesetzt werden kann.
Gemäß der Ausführungsvorschrift X größer gleich ½ × (s/2 – d)wobei

11

4

12

1

2

9

4

13

4

2

3

3 zeigt eine Anordnung nach 2, wobei der ausgesparte Nutraum durch beispielhaft dargestellte Kühlelemente 20 oder 21 zumindest teilweise eingenommen wird.
Dabei ist das Kühlelement 20 über die Schlitze 5 gleichzeitig durch Nasen 22 des Kühlelements 20 in der Nut 2 positioniert.
Das Kühlelement 21 wird insbesondere noch durch den Nutverschlusskeil 23 in der Nut 2 positioniert.
Die Kühlelemente 20, 21 sind aus Kunststoff oder Keramik.
Des Weiteren kann natürlich jedes Kühlelement 20, 21 mehrere pararallele oder in Reihe geschaltete Kühlkanäle aufweisen. Das Kühlelement 21 zeigt diesbezüglich zwei parallel angordnete Kühlkanäle. Eine derartige Verschaltung erfolgt Idealerweise an den Stirnseiten des Stators 1. Damit kann über die gesamte Nuten 2 eine wirksame Kühlung des Wicklungssystems als auch der benachbarten Zähne 9, 13 und somit des Stators 1 hergestellt werden, um somit gleichzeitig die oben genannten positiven Effekte zu erzielen.
Nach 4 kann der verbleibende Nutraum auch durch eine Runddrahtwicklung 25 ergänzend ausgefüllt werden, da dort die auftretenden Wirbelstromverluste einen vergleichsweise geringen Anteil gegenüber einer dort positionierten Flachdrahtwicklung 4 ausmachen.
Diese Runddrahtwicklung 25 ist vorteilhafterweise ebenfalls als Zahnspule ausgeführt.
Somit stellen sich um den Zahn 9 zumindest zwei übereinanderliegende Zahnspulen ein, die elektrisch in einem Klemmenkasten oder sonstigen Anschlusselement verschaltbar sind. Die eine ist aus Flachdrahten 8 aufgebaut, während die andere aus Runddrähten aufgebaut ist und sich näher am Luftspalt der Synchronmaschine befindet. Durch die Flachdrahtwicklung 4 erhält man eine vergleichsweise höheren Kupferfüllfaktor, während durch die Runddrahtwicklung 25 die Wirbelstromverluste in Grenzen gehalten werden.
5 zeigt, dass der verbleibende Nutraum auch durch eine Isolierstoffmasse 26 ausgefüllt ist.
Selbstverständlich sind auch Kombinationen der Ausführungsformen vorstellbar, d.h. neben den Zahnspulen aus Flachdraht gibt es in den Nuten 2 Zahnspulen aus Runddrahtwicklung 25 und/oder Kühlelementen 20, 21 und/oder Isolierstoffmasse 26.

Claims

Permanenterregte Synchronmaschine mit einem Stator (1), der zumindest ein in Nuten (2) angeordnetes Wicklungssystem aufweist und einem mit Permanentmagneten (7) versehenen Rotor, wobei das Wicklungssystem massive Flachdrähte (8) aufweist, und wobei ein vorgebbarer Bereich der Nut frei von Flachdrähten (8) ist, um Wirbelströme in den Flachdrähten (8) zu vermeiden.
Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (s) eines Nutschlitzes des Stators (1) zumindest dem 0,7-fachen der Nutbreite entspricht.
Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Bereich der Nut von Kühlelementen (20, 21) eingenommen wird um eine Wasserkühlungsanordnung für die Synchronmaschine zu schaffen.
Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht von Flachdrähten (8) belegte Bereich der Nut (2) von Runddrähten (8) belegt ist.
Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Bereich der Nut von elektrisch nicht leitendem Material (26) belegt ist.
Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils zwei nebeneinander liegenden Nuten (2) parallelflankig ausgerichtet sind.
Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei paral lelflankigen Nuten (2) die Beziehung X größer gleich ½ mal (s halbe minus d) gilt, wobei X der Abstand des Flachleiters vom Zahnende ist, s die Nutschlitzbreite und d der physikalische Luftspalt von Oberkante Rotor (6) bis Unterkante Zahn (9).
Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (2) von einem Nutverschlusskeil (23) abgeschlossen sind.