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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft einen Stator für eine Synchronmaschine und
insbesondere ein Schema zur Anordnung von Spulen an einem Stator
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Stand der Technik
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Synchronmaschinen
weisen einen feststehenden Stator und einen drehbaren, mit Permanentmagneten
oder dergleichen versehenen Rotor auf. Der Stator ist mit einer
Spulenwicklung mit mehreren Spulen versehen, um bei Anlegen eines
geeigneten Drehstroms ein magnetisches Drehfeld zu erzeugen, das
den Rotor antreibt. Der Stator weist in der Regel Statorzähne und
Nuten auf, durch die die Spulen des Ständers geführt werden, so dass eine Spule
mindestens einen Statorzahn umgibt. Um gute Laufeigenschaften einer
solchen elektrischen Maschine zu erreichen, werden die einzelnen
Spulen an dem Stator einander überlappend
angeordnet. Dadurch liegen in einer Nut zwei oder mehr als zwei
Spulenseiten in radialer Richtung übereinander.
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Üblicherweise
werden bei einer elektrischen Maschine mehrere Spulen miteinander
verschaltet, so dass sie gemeinsam durch eine Phasenansteuerung,
d. h. einen Phasenstrom, angesteuert werden können. Diese Spulen sind häufig in
einer oder mehreren Gruppen zu mehreren Spulen zusammengefasst.
Dabei sind die Spulen einer Gruppe an dem Stator teilweise einander
benachbart angeordnet, so dass die Spulenseiten von zwei einander
benachbarten Spulen durch dieselbe Nut verlaufen.
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Dies
kann jedoch bei Wicklungsfehlern zu Kurzschlüssen zwischen den derselben
Phase zugeordneten Spulen führen.
Dies bewirkt hohe Wirbelströme
im Fehlerfall, wodurch insbesondere bei Kurzschlüssen zwischen derselben Phase
zugeordneten Spulen besonders große Bremsmomente entstehen können. Um
die Gefahr derartiger Kurzschlüsse
zu vermeiden, wird zwischen den Spulenseiten in einer Nut des Stators
eine Zusatzisolation vorgesehen. Dies bedeutet jedoch einen zusätzlichen
Verarbeitungsschritt, der aufwendig ist und die Herstellungskosten
erhöht.
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Bei
einer dreiphasigen Synchronmaschine mit 18 Statorzähnen, die
die Statorpole darstellen, und 8 Rotorpolen umschließt jede
Spule zwei Statorzähne
jeweils mit einer dazwischenliegenden Nut. Spulen einer Phase weisen
zwei an dem Stator einander gegenüberliegende Gruppen von jeweils
3 Spulen auf. In jeder Gruppe von Spulen sind drei Spulen einander
benachbart angeordnet, so dass zwei unmittelbar einander benachbarte
Spulen eine Spulenseite in jeweils derselben Nut aufweisen. Die Gruppen
von Spulen der weiteren Phasen weisen dieselbe geometrische Anordnung
auf, sind jedoch an dem Stator um jeweils eine Nut gegenüber den anderen
Spulengruppen versetzt.
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Die
einer Phase zugeordneten Spulen können seriell und/oder parallel
verschaltet sein. Die einander benachbarten Spulen einer Gruppe,
deren Spulenseiten durch die gleiche Nut verlaufen, weisen in der
Nut einen einander entgegengesetzten Wicklungssinn auf, so dass
im Betrieb die Stromflüsse durch
die in einer Nut liegenden Spulenseiten zueinander gleichgerichtet
sind.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine
bereitzustellen, bei der die Spulen so angeordnet sind, dass Kurzschlüsse zwischen
den einer Phase zugeordneten Spulen ausgeschlossen sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch die elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt ist eine Statoranordnung für eine mehrphasige Synchronmaschine vorgesehen.
Die Statoranordnung umfasst einen ringförmigen Stator mit radial nach
innen gerichteten Statorzähnen
und dazwischen angeordneten Nuten sowie jeweils einer Phase zugeordnete
Spulenanordnungen mit jeweils mehreren Spulen. Die mehreren Spulen
einer Spulenanordnung sind in vier Gruppen aufgeteilt, von denen
mindestens zwei einander gegenüberliegende
Gruppen mehrere Spulen umfassen. Die Gruppen sind um jeweils 90° zueinander versetzt
an dem Stator angeordnet. Die Spulen der mindestens zwei einander
gegenüberliegenden Gruppen
mit mehreren Spulen sind so an den Statorzähnen angeordnet, dass keine
der Spulenseiten der mehreren Spulen in derselben Nut angeordnet
sind.
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Eine
Idee der Erfindung betrifft eine Statoranordnung mit einem speziellen
Wicklungsschema, bei dem die einer Phase zugeordneten Spulen verteilt
an dem Stator angeordnet sind, so dass nicht zwei von deren Spulenseiten
gemeinsam in einer Nut des Stators zu liegen kommen. Dies wird erreicht,
in dem die Spulen in mehreren Gruppen versetzt an dem Stator angeordnet
werden und in einer Gruppe mit mehreren Spulen diese so an den Statorzähnen verteilt
angeordnet werden, dass jede Spulenseite der mehreren Spulen der
Spulenanordnung einzeln in einer der Nuten angeordnet ist.
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Zwei
einzelne Spulen sind ebenfalls einander gegenüberliegend an dem Stator angeordnet,
so dass deren Mittenachse im Wesentlichen senkrecht zur Mittenachse
der einander gegenüberliegenden Zweieranordnungen
von Spulen verläuft.
Dadurch, dass bei der Zweieranordnung der Spulen diese so zueinander
angeordnet sind, dass die entsprechenden Spulenseiten durch verschiedene
Nuten verlaufen, kann kein Kurzschluss zwischen den Windungen der
Spulen, die einer Phase zugeordnet sind, auftreten, da die entsprechenden
Spulenseiten durch verschiedene Nuten des Stators verlaufen.
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Weiterhin
können
die einander gegenüberliegenden
Gruppen mit mehreren Spulen eine punktsymmetrische Anordnung aufweisen.
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Bei
einer Ausführungsform
kann der Wicklungssinn jeder der Spulen an dem Stator bezüglich einer
radialen Richtung gleich sein.
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Beispielsweise
kann die Anzahl der Statorzähne 18 oder
ein Vielfaches davon betragen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
können
die den Phasen zugeordneten Anordnungen von Spulen jeweils um einen
Winkel zueinander versetzt sein, der 360° geteilt durch die Anzahl der
Phasen entspricht.
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Weiterhin
kann bei einer der Gruppen mit mehreren Spulen eine erste und eine
zweite der Spulen jeweils mehrere Statorzähne umschließen, wobei eine
Spulenseite der ersten Spule in einer Nut liegt, die zwischen zwei
der mehreren von der zweiten Spule umschlossenen Statorzähnen liegt.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann bei einer der Gruppen mit mehreren Spulen eine erste der Spulen eine
erste Anzahl von Statorzähnen
und eine zweite der Spulen jeweils eine zweite Anzahl der Statorzähne umschließen, wobei
beide Spulensei ten der ersten Spule in Nuten liegen, die zwischen
den von der zweiten Spule umschlossenen Statorzähnen liegen
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine mit der obigen Statoranordnung und
einem im Inneren der Statoranordnung drehbar gelagerten Rotor vorgesehen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Wicklungsschema für
eine erste elektrische Maschine mit 18 Statornuten; und
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2 ein
Wicklungsschema für
eine zweite elektrische Maschine mit 18 Statornuten.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung einer ersten elektrischen
Maschine 1 mit einem Stator 2 und einem Rotor 3 dargestellt.
Der Stator 2 ist kreisförmig
ausgebildet und umschließt einen
Bereich, in dem der Rotor 3 drehbar an einer (nicht gezeigten)
Welle angeordnet ist. Der Stator 2 umfasst Statorzähne 4,
zwischen denen Nuten 5 ausgebildet sind. Im vorliegenden
Beispiel umfasst der Stator 18 Nuten, die mit 1 bis 18
durchnummeriert sind. Die Statorzähne 4 sind am Stator 2 radial
zum Mittelpunkt des kreisförmigen
Stators 2 gerichtet. An ihren nach innen stehenden Enden
sind die Statorzähne 4 verbreitert
ausgebildet, so dass eine T-förmige
Struktur der Statorzähne 4 gebildet
ist.
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Der
Rotor 3 ist mit Permanentmagneten 8 versehen und
weist in radialer Richtung nach außen gerichtete Magnetpole 6 auf,
wobei einander benachbarte Magnet pole verschiedene Polaritäten aufweisen.
Im dargestellten Beispiel weist der Rotor 3 acht Magnetpole 6 auf.
Spulen 7 sind an dem Statur 2 angeordnet, so dass
sie jeweils zwei Statorzähne 4 und eine
dazwischenliegende Nut 5 umschließen. Die Abschnitte der Spulen 7,
die in der jeweiligen Nut 5 liegen, werden Spulenseiten
genannt.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
werden 18 Spulen 7 vorgesehen, wobei jeder Phase sechs
Spulen zugeordnet sind. Die sechs Spulen 7 einer Phase
können
auf verschiedene Weise miteinander verschaltet sein, insbesondere
in einer Kombination von Serien- und Parallelschaltung. Der Anschaulichkeit
halber sind in 1 nur die einer Phase zugeordneten
sechs Spulen 7 dargestellt. Die Spulen 7 sind
durch nach außen
gezogene Bögen
dargestellt. Der Wicklungssinn jeder Spule 7 ist durch
einen Pfeil angegeben.
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Die
sechs Spulen 7 der betrachteten Phase sind verteilt an
dem Statur 2 angeordnet. Zwei Zweiergruppen von Spulen 7 sind
einander gegenüberliegend
an dem Statur 2 vorgesehen. Jede der Zweiergruppen weist
zwei Spulen 7 auf, die jeweils zwei Statorzähne 4 umschließen und
die um eine Nut 5 bzw. um einen Statorzahn 4 zueinander
versetzt sind, so dass die beiden Spulen 7 vier einander
benachbarte Nuten 5 belegen. Zwei derselben Phase zugeordnete,
einzelne Spulen 7 sind ebenfalls einander gegenüberliegend
an dem Statur 2 um 90° zu
den einander gegenüberliegenden
Zweiergruppen angeordnet. Mit anderen Worten verläuft eine
erste radiale Mittenachse M1 als Symmetrieachse durch die beiden
einzelnen Spulen 7 senkrecht zu einer zweiten radialen
Mittenachse M2 als Symmetrieachse der beiden Zweiergruppen von Spulen 7.
Auf diese Weise können
die Spulen 7 an dem Statur 2 verteilt angeordnet
werden, ohne dass in einer der Nuten 5 zwei Spulenseiten
von Spulen 7 einer Phase angeordnet sind.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 1 sind die Spulen 7, die einer gemeinsamen
Phase zugeordnet sind, gemäß einem
Schema 3–5,
7–9, 8–10, 12–14, 16–18, 17–1 angeordnet,
wobei die Ziffern der in der Zeichnung angegebenen Nummerierung
der Nuten 5 entsprechen. Der Wicklungssinn der Spulen 7 in
den Nuten 5 ist bezüglich
der jeweiligen radialen Richtung des Stators 2 gleichgerichtet.
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In 2 ist
eine zweite elektrische Maschine 11 dargestellt, die eine
weitere mögliche
Anordnung der Spulen 7 an dem Stator 2 zeigt.
Im Wesentlichen unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel der 2 von
der 1 dadurch, dass die Zweieranordnungen von Spulen 7 so
ausgebildet sind, dass eine erste der Spulen 71 nur einen
Statorzahn 4 umschließt
und eine zweite der Spulen 72 drei Statorzähne 4 umschließt, wobei
der mittlere der umschlossenen Statorzähne 4 die erste Spule 71 trägt. Mit
anderen Worten, die erste und zweite Spule der Zweiergruppe sind
symmetrisch zur zweiten durch den Mittelpunkt des Stators 2 verlaufenden
Mittenachse M2 angeordnet. Alternative Anordnungen können vorsehen,
dass die erste Spule 71 mehr als einen Statorzahn 4 und
die zweite Spule 72 eine Anzahl von Statorzähnen 5 umschließt, wobei
die zweite Spule 72 die erste Spule 71 umschließt, so dass
die Nuten 5, durch die die erste Spule 71 verläuft, zwischen
den äußeren Statorzähnen des
Blockes von Statorzähnen
liegen, die die zweite Spule 72 umschließt.
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Im
Wesentlichen ist das Wicklungsschema auf Statoren 2 mit
einer Anzahl von Statorzähnen 4 übertragbar,
deren Anzahl ein Vielfaches von 18 beträgt.
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Eine
Idee besteht darin, die Anzahl einer Phase zugehöriger Spulen 7 in
vier Gruppen von Spulen 7 zu unterteilen. Jeweils zwei
einander gegenüberliegende
der Gruppen weisen die gleiche Anzahl und bezüglich der Statorzähne gleiche
Anordnung der Spulen 7 auf. Die vier Gruppen sind an dem Stator 2 in
einem Winkel von 90° bezüglich ihrer
jeweiligen Mittenachse M1, M2 zueinander versetzt. Weist eine der
Gruppen mehr als eine Spule 7 auf, so sind die Spulenseiten
der Spulen 7 in einer Anzahl von Nuten 5 angeordnet,
die dem doppelten der Anzahl der Spulen 7 entspricht, so
dass die Spulenseiten jeder der Spulen 7 in einer Nut 5 angeordnet
sind, in der keine weitere Spulenseite einer derselben Phase zugeordneten
Spule 7 angeordnet ist.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 2 ist das Wicklungsschema 3–5, 7–10, 8–9, 12–14, 16–18 und 17-1.
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In
beiden Ausführungsformen
werden die Spulengruppen der weiteren Phasen entsprechend der oben
gezeigten Anordnung ausgebildet, jedoch zu den dargestellten der
ersten Phase zugeordneten Spulengruppen versetzt. Allgemein sind
die Spulen 7 der Gruppen bezüglich ihrer Mittenachsen M1,
M2 um einen Winkel zueinander versetzt, der 360° durch die Anzahl der Phasen
entspricht.
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Die
Spulengruppen können
bspw. so verschaltet sein, dass die jeweils zwei zueinander um 90° versetzten
Spulengruppen Spulen 7 in Reihe geschaltet sind, während die
diesen gegenüberliegenden,
ebenfalls in Reihe verschalteten Spulen 7 parallel geschaltet
sind. Auch andere Verschaltungen der Spulen 7 einer Phase
sind möglich.