DE102008006399A1

DE102008006399A1 - Three phase machine e.g. brushless direct current motor, for use in fan motor application, has stator including coil system provided as rotary field coil, where machine is designed as asynchronous machine with active squirrel-cage rotor

Info

Publication number: DE102008006399A1
Application number: DE102008006399A
Authority: DE
Inventors: Raimund Prof. Dr.-Ing. Gottkehaskamp
Original assignee: Groschopp AG Drives and More
Current assignee: Groschopp AG Drives and More
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2008-08-07

Abstract

The machine has a stator (20) including a coil system provided as a rotary field coil with tooth coils (2). The coils have a coil width corresponding to a groove division. The number of coils per groove (14) and strand is a whole number. The machine is designed as an asynchronous machine with an active squirrel-cage rotor. The rotor is designed as a short-circuit squirrel-cage rotor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehstrommaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The The present invention relates to a three-phase machine according to the Preamble of claim 1.

Seit einigen Jahren entwickelt sich die sog. Zahnspulenwicklung (auch Einzelzahnwicklung oder konzentrierte Wicklung) zur Standardwicklung moderner bürstenloser AC- und DC-Motoren mit permanent erregten Läufern. Sie zeichnet sich im Vergleich zur früher üblichen verteilten Wicklung durch eine deutlich höhere Leistungsdichte und geringere Fertigungskosten aus.since some years ago the so-called tooth coil winding develops (also Single tooth winding or concentrated winding) to the standard winding modern brushless AC and DC motors with permanent excited runners. It stands out in comparison to the earlier usual distributed winding through a significantly higher power density and lower manufacturing costs.

Einzelzahnwicklungen bestehen aus Einzelspulen, die eine Weite von genau einer Nutteilung aufweisen und sind vom Grundsatz her Drehfeldwicklungen. Bei üblichen Spulenweiten zwischen 2/3 und 4/3 der Polteilung – dieses Verhältnis wird auch als Spulensehnung bezeichnet – ergeben sich in der Zahnspulenwickeltechnik grundsätzlich Wicklungen mit einer gebrochen Anzahl von Nuten pro Pol und Strang (Lochzahl). Sie gehören also zur Gruppe der Bruchlochwicklungen. Bruchloch-Zahnspulenwicklungen erzeugen ein magnetisches Feld im Luftspalt der Maschine, das neben der gewünschten Grundwelle ein ausgeprägtes Spektrum an Ober- und Unterwellen besitzt, die zum Teil eine höhere Feldamplitude aufweisen als die Grundwelle. Die Feldenergie der Ober- und Unterwellen kann bis zu 500% der Grundwelle betragen. Passive, permanentmagnetische Läufer von bürstenlosen Motoren können nur mit der Grundwelle des Ständerfeldes ein Drehmoment bilden und laufen deshalb auch bei der Verwendung von Bruchloch-Zahnspulenwicklungen weitgehend problemlos.Single tooth windings consist of individual coils, which have a width of exactly one slot pitch and are in principle rotary field windings. At usual Coil widths between 2/3 and 4/3 of the pole pitch - this one Ratio is also referred to as Spulensehnung - result in the tooth coil winding basically windings with a broken number of grooves per pole and strand (number of holes). she So belong to the group of Bruchlochwicklungen. Fractional-slot-tooth coil windings generate a magnetic field in the air gap of the machine next to it the desired fundamental wave to a pronounced spectrum Upper and lower waves has, some higher Field amplitude than the fundamental wave. The field energy of Upper and lower waves can be up to 500% of the fundamental. Passive, permanent magnetic rotor of brushless Motors can only work with the basic shaft of the stator field form a torque and therefore also run in use from Bruchloch-Zahnspulenwicklungen largely problem-free.

Im Gegensatz zur Synchronmaschine reagiert der aktive Käfigläufer einer Asynchronmaschine auf jede Feldwelle im Luftspaltfeld des Ständers. Es ist deshalb für eine Asynchronmaschine zwingend erforderlich, den Anteil der Ober- und Unterwellen im Spektrum des Ständerfeldes gegenüber der Grundwelle möglichst klein zu halten, da andernfalls aufgrund der parasitären Drehmomente der Motor nicht läuft bzw. anläuft. Üblicherweise wird ein Energieinhalt der Ober- und Unterwellen von maximal 10% der Grundwelle angestrebt, was nur mit einer ganzen Anzahl an Nuten pro Pol und Strang zu erreichen ist.in the Unlike the synchronous machine, the active squirrel cage responds an asynchronous machine on each field wave in the air gap field of Stand. It is therefore for an asynchronous machine mandatory, the proportion of upper and lower waves in the spectrum of the stator field with respect to the fundamental wave as possible otherwise, due to the parasitic Torques the motor is not running or starting. Usually is an energy content of the upper and lower waves of a maximum of 10% the fundamental wave sought, which only with a whole number of grooves can be reached per pole and strand.

Mit den unter Energiedichteaspekten festgelegten Spulensehnungen, die wie vorstehend erwähnt üblicherweise in einem Intervall von 2/3 bis 4/3 liegen, lässt sich jedoch ein derart begrenzter Energiegehalt der Ober- und Unterwellen gegenüber der Grundwelle in der Regel nicht erreichen, so dass Asynchronmaschinen mit Ganzlochwicklungen und herkömmlichen Kurzschlussläufern bislang als nicht realisierbar galten.With the coil conditions defined under energy-density aspects, the as mentioned above, usually in one Interval of 2/3 to 4/3, but can be such limited energy content of the upper and lower waves opposite The fundamental wave usually does not reach, so asynchronous with Whole-hole windings and conventional squirrel-cage rotors previously considered unrealizable.

Aus der DE 10 2004 010 386 A1 sind bei einer Bruchloch-Asynchronmaschine mit einem Käfigläufer Ansätze bekannt, durch spezielle Ausgestaltung des Käfigläufers mit ungleichmäßiger Nutteilung und zwei galvanisch getrennten Käfigen den Einfluss der Ober- und Unterwellen zu reduzieren. Aufgrund der aufwendigen Konstruktion des Käfigs hat sich dieser Ansatz bislang jedoch nicht durchgesetzt.From the DE 10 2004 010 386 A1 are in a broken hole asynchronous with a squirrel cage approaches known to reduce the influence of the upper and lower waves by special design of the squirrel cage with uneven slot pitch and two galvanically separated cages. Due to the complex construction of the cage, this approach has not yet prevailed.

Es wird vor diesem Hintergrund im Rahmen der vorliegenden Erfindung gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen, auch bei Asynchronmaschinen mit einem aktiven Käfigläufer – vorzugsweise einem Kurzschlusskäfigläufer – eine Zahnspulenwicklung derart auszuführen, dass sich eine Ganzlochwicklung ergibt.It becomes with this background in the context of the available invention proposed according to claim 1, also in Asynchronous machines with an active squirrel cage - preferably a short circuit squirrel cage - a tooth coil winding be executed so that there is a Ganzlochwicklung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.advantageous Embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Vorzugsweise werden Drehfeldwicklungen mit drei Strängen ausgeführt. Es ergibt sich genau dann eine ganze Anzahl von Nuten pro Pol und Strang, wenn die Spulenweite kleiner oder gleich 1/3 der Polteilung ist, d. h. die Spulensehnung kleiner oder gleich 1/3 ist.Preferably For example, three-phase rotating field windings are used. It then arises exactly a number of grooves per pole and Strand if the coil width is less than or equal to 1/3 of the pole pitch, d. H. the spool disposition is less than or equal to 1/3.

Eine Spulensehnung von 1/3 ergibt sich genau dann, wenn man eine Zahnspulenwicklung als Ganzlochwicklung mit der Lochzahl q = 1 ausführt. Für dreisträngige Wicklungen wären damit 2 Pole mit 6 Nuten, 4 Pole mit 12 Nuten, 6 Pole mit 18 Nuten, usw. denkbar.A Spooling disposition of 1/3 is exactly when one has a tooth coil winding executes as Ganzlochwicklung with the number of holes q = 1. For three-strand windings would be so 2 poles with 6 grooves, 4 poles with 12 grooves, 6 poles with 18 grooves, etc. conceivable.

Durch die im Stand der Technik üblicherweise nicht verwendete Spulensehnung von 1/3 wird ein vergleichsweise schlechter Grundwellenwicklungsfaktor von nur 0,5 erreicht, was mit einer suboptimalen Grundfeldausnutzung einhergeht. Dies führt zu einer nicht optimalen Leistungsdichte eines entsprechenden Motors.By those not commonly used in the art Spooling disposition of 1/3 becomes a comparatively poor fundamental wave winding factor of only 0.5, which results in suboptimal basic field utilization accompanied. This leads to a non-optimal power density a corresponding engine.

Für Anwendungen mit verhältnismäßig geringen Leistungsanforderungen, bei denen die Leistungsdichte nicht die kritische Designgröße darstellt, wie z. B. bestimmte Lüftermotorapplikationen, kann der erfindungsgemäße Asynchronmotor dessen ungeachtet von kommerziellem Interesse sein, da ein derartiger Motor besonders kostengünstig und vollautomatisiert herstellbar ist.For applications with relatively low power requirements, where power density is not critical design size, such as: For example, certain fan motor applications, the asynchronous motor according to the invention may nonetheless be of commercial interest, since such a motor is particularly inexpensive and fully automated to produce.

Der Vorteil gegenüber bekannten Bruchlochwicklungen liegt auch darin, dass durch die Einzelzahnwicklung ein hoher Nutfüllfaktor und eine kurze Wicklungslänge erreicht was geringe ohmsche Verluste zur Folge hat und eine einfache und effektive Kühlung ermöglicht. Ferner lassen sich die entsprechenden Motoren mit verhältnismäßig kurzer axialer Länge herstellen, da die bei Bruchlochwicklungen erforderlichen und axialen Bauraum benötigenden Überlappungen von Spulen entfallen.Of the Advantage over known Bruchlochwicklungen is also in that due to the single tooth winding a high slot fill factor and a short winding length achieves low ohmic Losses and a simple and effective cooling allows. Furthermore, the corresponding motors can be used relatively short axial length produce, as required for Bruchlochwicklungen and axial space requiring overlaps of coils omitted.

Die sich erfindungsgemäß ergebende suboptimale Grundfeldausnutzung kann somit gegebenenfalls durch die Vorteile der Einzelzahnwicklung gegenüber der verteilten Wicklung ausgeglichen werden.The According to the invention resulting suboptimal basic field utilization Thus, if necessary, by the advantages of the single tooth winding be balanced against the distributed winding.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The The invention will be more closely understood by way of example with reference to the drawings explained. Show it:

1 eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Stators mit 6 Nuten und 2 Polen, und 1 a schematic cross-sectional view of a stator according to the invention with 6 grooves and 2 poles, and

2 den zu dem Stator gemäß 1 zugehörigen Wicklungsplan. 2 according to the stator 1 associated winding plan.

Bürstenlose AC- und DC-Motoren werden heute in allen Bereichen der elektrischen Antriebstechnik eingesetzt. Ihr Verwendungsbereich beginnt bei einfachen Lüfter- und Pumpenantrieben und endet bei hochdynamischen Positionier- und Stellantrieben in Werkzeugmaschinen und der Robotik.Brushless AC and DC motors are used today in all areas of electrical Drive technology used. Their area of use begins with simple ones Fan and pump drives and ends at highly dynamic Positioning and positioning drives in machine tools and robotics.

Der mechanische Aufbau bürstenloser Motoren entspricht dem einer Synchronmaschine mit einer im Allgemeinen dreisträngigen Drehfeldwicklung im Ständer und der Felderregung im Läufer, die fast ausschließlich mit Permanentmagneten realisiert wird. Die Ströme des Drehfeldständers werden in Abhängigkeit des Läuferfeldes so eingeprägt, dass der Raumzeiger des Ständerflusses senkrecht zum Läuferfluss steht. Dies entspricht genau dem Kommutierungsschema der klassischen bürstenbehafteten Gleichstrommaschine, woraus sich eine maximale Drehmomentausbeute ergibt.Of the Mechanical structure of brushless motors corresponds to that a synchronous machine with a generally three-stranded Rotating field winding in the stator and the field excitation in the rotor, The almost exclusively realized with permanent magnets becomes. The currents of the rotating field stand are in Dependency of the runner field imprinted that the space pointer of the stator flux perpendicular to the rotor flux stands. This corresponds exactly to the commutation scheme of the classic brushed DC machine, resulting in a maximum torque yield results.

Beim klassischen Design werden Drehfeldwicklungen mithilfe eines dreisträngigen verteilten Wicklungssystems aufgebaut. Diese unterscheiden sich vom Grundsatz her nicht von Wicklungssystemen für Asynchronmotoren, weshalb von vielen Herstellern parallele Baureihen von Asynchronmotoren und bürstenlosen Motoren existieren, die auf den gleichen Anlagen gewickelt werden.At the classic design are rotating field windings using a three-stranded distributed winding system built. These differ in principle, not winding systems for asynchronous motors, which is why many manufacturers use parallel series of asynchronous motors and brushless motors exist on the same Plants are wound.

Drehfeldwicklungen in Zahnspulentechnik zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Spulenweite genau einer Nutteilung entspricht, das heißt, dass die Spulen jeweils um einen Zahn herum gewickelt werden. Im Vergleich zu den verteilten Wicklungssystemen ergeben sich eng anliegende Wickelköpfe mit sehr guter Wärmeabgabe an das Blechpaket. Aus der kurzen Windungslänge und dem hohen er reichbaren Nutfüllfaktor resultieren sehr kleine Wicklungswiderstände. Zur Herstellung der Wicklung kann auf einfache Wicklungstechnik zurückgegriffen werden. Bei segmentierten Ständern (Einzelzähnen) können vorgefertigte Spulen auf die Zähne aufgeschoben werden. Für einteilige Blechpakete hat sich die Nadelwickeltechnik als vorteilhaft erwiesen. Hier ergibt sich ein mit geringen Kosten voll automatisierbarer Herstellungsprozess. Zudem kann auf die Phasenisolation auch bei hohen Spannungen verzichtet werden, da sowohl im Wickelkopf als auch innerhalb der Nut die Spulen keinen direkten Kontakt zueinander haben.Rotating field windings In Zahnspulentechnik are characterized by the fact that their coil width exactly corresponds to a slot pitch, that is, that the Coils are wound around a tooth. Compared to the distributed winding systems arise close fitting Winding heads with very good heat dissipation to the Laminated core. From the short winding length and the high he achievable groove fill factor results in very small winding resistances. To produce the winding can be made of simple winding technology become. For segmented stands (single teeth) prefabricated coils can be pushed onto the teeth become. For one-piece laminated cores, the needle winding technology has proved to be advantageous. This results in a low cost fully automatable manufacturing process. In addition, on the phase insulation can be dispensed with even at high voltages, as both in the winding head as well as within the groove, the coils are not in direct contact with each other to have.

Im Idealfall sollen Zahnspulenwicklungen ein mit konstanter Amplitude umlaufendes Drehfeld erzeugen (Kreisdrehfeld). Ihr Aufbau unterliegt dabei den gleichen Gesetzmäßigkeiten wie bei verteilten Wicklungssystemen. Zahnspulenwicklungen lassen sich also unter der Randbedingung, dass die Spulenweite genau einer Nutteilung entspricht, mit den seit langem bekannten Entwurfsverfahren für dreiphasige Drehfeldwicklungen aufbauen.in the Ideally, tooth coil windings should have a constant amplitude generate revolving rotating field (circular field of rotation). Their structure is subject doing the same laws as in distributed Winding systems. Tooth coil windings can thus be under the Boundary condition that the coil width corresponds exactly to a slot pitch, with the long-known design method for three-phase Build up rotating field windings.

In einem symmetrischen Drehstromnetz ist der Strom in der zweiten Phase gegenüber dem Strom in der ersten Phase um 120° zeitlich phasenverschoben, der Strom in der dritten Phase ist um 240° gegenüber der ersten Phase zeitlich verschoben. Legt man die Zeitachse so, dass der Strom in der ersten Phase zum Zeitpunkt t = 0 maximal ist, ergeben sich für die zeitlichen Phasenwinkel φ1 = 0°, φ2 = 120°, φ3 = 240° (1) In a symmetrical three-phase network, the current in the second phase is phase-shifted by 120 ° with respect to the current in the first phase, the current in the third phase is shifted in time by 240 ° with respect to the first phase. If the time axis is set in such a way that the current in the first phase is maximum at the time t = 0, the temporal phase angles result φ 1 = 0 °, φ 2 = 120 °, φ 3 = 240 ° (1)

Die Amplituden der Ströme sind gleich, so dass sich die zeitlichen Verläufe wie folgt darstellen lassen:

The amplitudes of the currents are the same, so that the time profiles can be represented as follows:

Aus der allgemeinen Drehfeldtheorie ist bekannt, dass eine dreisträngige Drehfeldwicklung, die mit einem Stromsystem nach (2) gespeist wird, genau dann ein positiv umlaufendes Kreisdrehfeld mit der Polpaarzahl p erzeugt, wenn der Strang 2 gegenüber dem Strang 1 um +120° und der Strang 3 gegenüber dem Strang 1 um +240° räumlich verschoben sind. Die räumlichen Winkel sind hierbei in elektrischen Graden angegeben, d. h, der Umfang der Maschine entspricht p·360°. Legt man den Strang 1 in den Ursprung des räumlichen Koordinatensystems, so ergeben sich die Positionen der Stränge zu ϑ1 = 0°, ϑ2 = +120°, ϑ3 = +240° (3) From the general field theory it is known that a three-phase rotating field winding, which is fed with a current system according to (2), generates a positive rotating circular field with the pole pair number p, if the strand 2 relative to the strand 1 by + 120 ° and the strand 3 with respect to the strand 1 by + 240 ° spatially shifted. The spatial angles are given here in electrical degrees, d. h, the circumference of the machine corresponds to p · 360 °. If you place the strand 1 in the origin of the spatial coordinate system, the positions of the strands result θ 1 = 0 °, θ 2 = + 120 °, θ 3 = + 240 ° (3)

Bei der Zahnspulenwicklung werden die Spulen konzentriert um einen Zahn gewickelt, die Spulenweite y liegt damit bei y = 1 (4)Nutteilung. Für eine genügend große Grundfeldausnutzung sollte bei konventioneller Auslegung die Spulenweite aus Leistungsdichtegründen um weniger als 1/3 von der Polteilung abweichen. Ein sinnvoller Bereich für die Spulensehnung, also das Verhältnis der Spulenweite y zur Polteilung τ_p, ist also

bzw. mit Gleichung (4)

In the tooth coil winding, the coils are concentrated wound around a tooth, the coil width y is thus at y = 1 (4) Slot pitch. For a sufficiently large basic field utilization, the coil width should deviate from the pole pitch by less than 1/3 for reasons of power density with conventional design. A meaningful range for the coil dissection, ie the ratio of the coil width y to the pole pitch τ _p , is therefore

or with equation (4)

Mit

(Z = Nutzahl, p = Polpaarzahl) ergibt sich für die Nutzahl ein Bereich von

oderWith

(Z = number of slots, p = number of poles) results in a number of slots for the number of slots

or

Die Nutzahl einer dreisträngigen Drehfeldwicklung berechnet sich aus Z = 6pq (10)mit q = Lochzahl. Eingesetzt in Gleichung (8) lässt sich als Klassifizierung für die dreisträngige Zahnspulenwicklungen die Lochzahl q auf den Bereich von

einschränken.The number of slots of a three-phase rotating field winding is calculated Z = 6pq (10) with q = number of holes. Substituted in equation (8), as a classification for the three-stranded tooth coil windings, the number of holes q can be set to the range of

limit.

Bei einer Zweischichtwicklung liegen jeweils zwei Spulenseiten in einer Nut; pro Spule wird also eine Nut benötigt. Bei drei Strängen sind alle Nutzahlen, die ein Vielfaches von drei sind, für eine Zahnspulenwicklung geeignet. Damit die drei Stränge entsprechend Gleichung (3) positionierbar sind, muss der räumliche Winkel von 120° ganzzahlig in Nutteilungen darstellbar sein. Dies ist genau dann gegeben, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:

In a two-layer winding are two coil sides in a groove; per coil so a groove is needed. With three strands, all payloads, which are a multiple of three, are suitable for a dental coil winding. In order for the three strands to be positionable in accordance with equation (3), the spatial angle of 120 ° must be integer-representable in slot pitches. This is true if and only if the following condition is true:

In der nachfolgenden Tabelle sind die sich Nut- und Polzahlen ergebenden Lochzahlen (Gleichung (7)) dargestellt. Es sind nur die Kombinationen dargestellt, die innerhalb der Grenzen nach Gleichung 9 bzw. 11 liegen; die mit (*) gekennzeichneten Ganzlochwicklungen entsprechend der vorliegenden Erfindung liegen außerhalb des Bereichs (5). Die mit "xxx" gekennzeichneten erfüllen die Bedingung (12) nicht. Tabelle 1: Ausführbare Lochzahlen einer Zahnspulenwicklung bei gegebener Nutzahl Z und Polzahl 2p. Z 2p 2 6 9 12 15 18 21 24 2 1/2 1(*) 4 1/4 ½ 1(*) 6 xxx 1/2 1(*) 8 ¼ 3/8 1/2 1(*) 10 3/10 2/5 1/2 12 1/4 xxx xxx 1/2 14 2/7 5/14 3/7 1/2 16 1/4 5/16 3/8 7/16 1/2 18 xxx xxx xxx xxx 20 1/4 3/10 7/20 2/5 22 3/11 7/22 4/11 24 1/4 xxx xxx 26 7/26 4/13 28 1/4 2/7 30 xxx 32 1/4 The following table shows the number of slots and groove numbers (equation (7)). Only the combinations which are within the limits of Equations 9 and 11 are shown; the whole hole windings indicated by (*) according to the present invention are outside the area (5). Those marked with "xxx" do not satisfy condition (12). Table 1: Executable hole numbers of a tooth coil winding for a given number of slots Z and number of poles 2p. Z 2p 2 6 9 12 15 18 21 24 2 1.2 1(*) 4 1.4 ½ 1(*) 6 xxx 1.2 1(*) 8th ¼ 3.8 1.2 1(*) 10 3.10 2.5 1.2 12 1.4 xxx xxx 1.2 14 2.7 5/14 3.7 1.2 16 1.4 5/16 3.8 7/16 1.2 18 xxx xxx xxx xxx 20 1.4 3.10 7.20 2.5 22 3.11 22.7 4.11 24 1.4 xxx xxx 26 7.26 4.13 28 1.4 7.2 30 xxx 32 1.4

Die Einschichtwicklung benötigt pro zu wickelnder Spule zwei Nuten. Für eine dreisträngige Wicklung sind also nur Nutzahlen ausführbar, die ein Vielfaches von 6 darstellen. Die Lochzahlen sind mit denen der Zweischichtwicklung identisch und können ebenfalls der vorstehenden Tabelle 1 entnommen werden.The Single-layer winding requires two per coil to be wound Grooves. So for a three-strand winding only executable numbers that represent a multiple of 6. The hole numbers are identical to those of the two-layer winding and can also be found in Table 1 above become.

Der für die Beurteilung der Feldeigenschaften einer elektrischen Maschine bedeutende Wicklungsfaktor k_w setzt sich aus dem Produkt von Sehnungsfaktor und Zonenfaktor zusammen. Der Wicklungsfaktor kann aus einer Felderregerkurve (MMK) berechnet werden. Dazu wird anhand des Nutenbelegungsplans die Felderregerkurve (MMK, magnetomotorische Kraft) ermittelt und diese im Anschluss nach Fourier analysiert. Werden Analysen zu zwei verschiedenen Zeitpunkten durchgeführt, lässt sich zudem die Richtung der Drehfeldwellen bestimmen bzw. feststellen, ob es sich überhaupt um ein Drehfeld handelt.The winding factor k _w , which is important for assessing the field properties of an electrical machine, is composed of the product of the elongation factor and the zone factor. The winding factor can be calculated from a field exciter curve (MMK). For this purpose, the field exciter curve (MMK, magnetomotive force) is determined on the basis of the Nutenbelegungsplans and this analyzed after Fourier. If analyzes are carried out at two different points in time, it is also possible to determine the direction of the rotating field waves or to determine whether there is a rotating field at all.

Die Felderregerkurve lässt sich auf dieser Basis in folgender Form darstellen:

The field exciter curve can be represented on this basis in the following form:

Die Ordnungszahl ν, die sich formal aus der Fourieranalyse ergibt, kann physikalisch als Polpaarzahl der jeweiligen Feldwelle interpretiert werden. Die Grundwelle ergibt sich somit für ν = p. Positive ν stellen Feldwellen dar, die sich in Richtung der Raumkoordinate ϑ drehen, negative ν sind Feldwellen, die sich gegenläufig drehen.The Atomic number ν, formally derived from the Fourier analysis results, can physically as Polpaarzahl the respective field wave be interpreted. The fundamental wave thus results for ν = p. Positive v represent field waves that are in the direction of the space coordinate θ turn, negative ν are field waves, which turn in opposite directions.

Der Wicklungsfaktor k_W,ν in seiner bekannten Form berechnet sich aus der jeweiligen gemäß (13) bestimmten Amplitude C_ν der Feldwelle zu (3 Stränge):

mit I = Spulenstrom und w = Serienwindungszahl. Bei bürstenlosen Motoren, die mit einem passiven permanentmagnetischen Läufer ausgestattet sind, kann nur mit der Ständerfeldwelle ein Drehmoment erzeugt werden, welche die gleiche Polpaarzahl wie der Läufer hat. Im Gegensatz dazu ist der aktive Kunzschlusskäfig einer Asynchronmaschine in der Lage, mit jeder Feldwelle des Ständerdrehfeldes ein asynchrones Drehmoment zu erzeugen. Somit ist jede Feldwelle bezüglich der Drehmomentbildung gleich zu behandeln. Aus diesem Grund ist es bei Asynchronmaschinen zwingend erforderlich, den Anteil der Oberwellen im Vergleich zur gewünschten Grundwelle möglichst gering zu halten.The winding factor k _{W, v} in its known form is calculated from the respective amplitude C _{v of} the field wave determined according to (13) (3 strands):

with I = coil current and w = series winding number. For brushless motors equipped with a passive permanent magnetic rotor, only the stator field wave can produce a torque having the same number of pole pairs as the rotor. In contrast, the active Kunzschlusskäfig an asynchronous machine is able to produce an asynchronous torque with each field wave of the stator rotating field. Thus, each field wave is to be treated equally with respect to the formation of torque. For this reason, it is absolutely necessary for asynchronous machines to keep the proportion of harmonics as low as possible compared with the desired fundamental.

Ein wichtiges Maß für den Oberwellenanteil ist die sogenannte doppelt verkettete Streuung σ_d, die das Verhältnis der magnetischen Energie aller Ober- und Unter wellen zur magnetischen Energie der Grundwelle darstellt. Sie lässt sich über die Wicklungsfaktoren wie folgt berechnen:

An important measure for the harmonic content is the so-called double-linked scattering σ _d , which represents the ratio of the magnetic energy of all the upper and lower waves to the magnetic energy of the fundamental wave. It can be calculated using the winding factors as follows:

Der größte Wert der doppelt verketteten Streuung für die bei Asynchronmaschinen üblichen Ganzlochwindungen ergibt sich für q = 1 und liegt im ungesehnten Fall bei σ_d = 0,095. Die kleinste, bei Normmotoren gebräuchliche Lochzahl ist q = 2 (IEC 56, 6-polig). Hierfür beträgt σ_d = 0,0285.The greatest value of the double-concatenated scattering for the whole-hole turns usual with asynchronous machines results for q = 1 and is in the unlikely case at σ _d = 0.095. The smallest number of holes commonly used in standard motors is q = 2 (IEC 56, 6-pin). For this purpose, σ _d = 0.0285.

Wird der Bereich der Spulensehnung über das in Gleichung (5) festgelegte Maß hinaus ausgedehnt, z. B. auf y/τ_p = 1/3, so lassen sich auch Ganzlochwicklungen in Zahnspulentechnik realisieren.If the range of coil dissection is extended beyond the level specified in equation (5), e.g. B. on y / τ _p = 1/3, so can also realize whole-hole windings in dental coil technology.

Ein Ständer mit sechs Nuten, zwei Polen und einer Spulenweite von einer Nutteilung ist hierfür ein Beispiel. Ein derartiger, insgesamt mit dem Bezugszeichen 20 bezeichneter Ständer ist in 1 im Querschnitt (ohne den zugehörigen Rotor) dargestellt. Sechs Zahnspulen 2 sind in einem Winkelabstand von jeweils 60° gleichmäßig über den Umfang verteilt, wobei die Spulensehnung 1/3 beträgt. Weiterhin ergeben sich sechs Nuten 14. Jede Zahnspule 2 ist durch die Isolation 10 getrennt auf einen Zahn aufgebracht, von dem in der 1 nur die Zahnkrone 4 und der Zahnfuß 10 sichtbar sind. Die Zahnfüße 10 erstrecken sich jeweils ausgehend von einem Ständerjoch bzw. -rücken 6. Die Versorgung der einzelnen Zahnspulen 2 erfolgt über nach außen geführte Anschlussleitungen 12.A stand with six grooves, two poles and a coil width of one slot pitch is an example. Such, generally with the reference numeral 20 designated stand is in 1 in cross section (without the associated rotor) shown. Six tooth coils 2 are evenly distributed over the circumference at an angular distance of 60 °, with the coil aspect ratio being 1/3. Furthermore, there are six grooves 14 , Every tooth coil 2 is through the isolation 10 applied separately to a tooth, of which in the 1 only the tooth crown 4 and the tooth base 10 are visible. The tooth feet 10 each extending from a stator yoke or back 6 , The supply of the individual tooth coils 2 takes place via outgoing leads 12 ,

Die Beschaltung der Wicklungen ist aus dem in 2 dargestellten Wicklungsplan ersichtlich. U1, V1 und W1 bezeichnen die Anfänge des ersten, zweiten bzw. dritten Strangs; U2, V2, W2 die jeweiligen Enden der Stränge.The wiring of the windings is from the in 2 shown winding diagram visible. U1, V1 and W1 denote the beginnings of the first, second and third strand, respectively; U2, V2, W2 the respective ends of the strands.

Die Lochzahl bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist q = 1 und die hieraus resultierende doppelt verkettete Streuung ergibt sich zu σ_d = 0,095. Der Grundwellenwicklungsfaktor von nur k_W = 0,5 kann unten Umständen durch den hohen Nutfüllfaktor und die kurze Wicklungslänge im Wickelkopf kompensiert werden. In jedem Falle ergeben sich aufgrund der Möglichkeit der vollautomatisierten Ständerfertigung sehr geringe Fertigungskosten, so dass ein derartigen Motor als Massenprodukt mit geringer Leistungsdichte sinnvoll sein keim.The number of holes in the illustrated embodiment is q = 1 and the resulting double-concatenated scattering results in σ _d = 0.095. The fundamental wave winding factor of only k _W = 0.5 can be compensated for below by the high slot fill factor and the short winding length in the winding head. In any case, due to the possibility of fully automated stator manufacturing very low production costs, so that such a motor as a mass product with low power density make sense germ.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 102004010386 A1 [0006]

Claims

Three-phase machine with a stand ( 20 ) and a rotor, wherein the stator has a winding system, which as a rotating field winding with tooth coils ( 2 ), which have a coil width of exactly one slot pitch, wherein the number of coils per slot ( 14 ) and strand is an integer, characterized in that the three-phase machine is designed as an asynchronous machine with an active squirrel cage.

Three-phase machine according to claim 1, characterized that the active squirrel cage as a squirrel cage runner is trained.

Three-phase asynchronous machine according to claim 1 or 2, characterized in that the coil pod outside usually of the order of magnitude from 2/3 to 4/3 lying area is selected.

Three-phase asynchronous machine according to one of the claims 1 to 3, characterized in that the Spulensehnung 1/3 or less.

Three-phase asynchronous machine according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the number of holes the value 1, so that a double-concatenated scattering of about 0.095 is achieved becomes.

Three-phase asynchronous machine according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the toothed coils ( 2 ) are formed as single-layer windings.

Three-phase asynchronous machine according to one of the claims 1 to 5, characterized in that the tooth coils as two-layer windings are formed.