Die
Erfindung betrifft ein Wicklungsanordnung für eine elektrische
Maschine, wobei ein erster Strangabschnitt eines ersten Strangs
einen zweiten Strangabschnitt eines zweiten Strangs in einem ersten Überlappungsbereich
teilweise überlappt. Außerdem betrifft die Erfindung
einen Läufer oder Stator. Des Weiteren betrifft die Erfindung
eine elektrische Maschine.The
The invention relates to a winding arrangement for an electrical
Machine, wherein a first strand section of a first strand
a second strand section of a second strand in a first overlapping area
partially overlapped. Moreover, the invention relates
a runner or stator. Furthermore, the invention relates
an electric machine.
Aus DE 23 48 641 A1 sind
strangverschachtelte Wicklungen (d. h. mit Phase interlacing) und
der Vorteil eines verringerten Wicklungsfaktors für die fünfte
und siebte Harmonische bekannt. Beispielsweise wird eine Drehstrombruchlochwicklung
beschrieben, in der sich benachbarte Strähnen über
einen Pol überlappen. Außerdem wird eine einphasige Erregerwicklung
beschrieben, bei der jeweils drei Pole von einer in zwei gegenläufigen
Wellensträhnen geformten Strähne umschlungen sind,
wobei äußere Nuteneinlagen benachbarter Strähnen
in dieselbe Nut eingelegt sind.Out DE 23 48 641 A1 For example, phase-interleaved windings (ie, with phase interlacing) and the advantage of a reduced winding factor for the fifth and seventh harmonics are known. For example, a three-phase brittle-hole winding is described in which adjacent strands overlap one pole. In addition, a single-phase excitation winding is described in which each three poles are looped by a formed in two opposing wave strands lock, with outer groove inserts of adjacent strands are inserted into the same groove.
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße
Wicklungsanordnung mit einem alternativen Wicklungsaufbau bereitzustellen, die
einen niedrigen Wicklungsfaktor für die fünfte
und siebte Harmonische aufweist. Eine Verringerung des Wicklungsfaktors
für die fünfte und siebte Harmonische wird angestrebt,
weil der Wicklungsfaktor für die fünfte und siebte
Harmonische ein Maß für unerwünschte
Drehmomentschwankungen darstellt. Darüber hinaus ist es
eine Aufgabe der Erfindung, einen Läufer, einen Stator
und eine elektrische Maschine mit einem verbesserten Oberwellenverhalten
bereitzustellen. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen
angegeben.Of the
Invention is based on the object, a generic
To provide winding arrangement with an alternative winding structure, the
a low winding factor for the fifth
and seventh harmonic. A reduction of the winding factor
for the fifth and seventh harmonic is sought
because the winding factor for the fifth and seventh
Harmonic a measure of unwanted
Represents torque fluctuations. It is beyond that
an object of the invention, a rotor, a stator
and an electric machine with improved harmonic behavior
provide. This task comes with the characteristics of independent
Claims solved. Advantageous embodiments
The invention are defined in the dependent claims
specified.
Die
Erfindung baut auf einer gattungsgemäßen Wicklungsanordnung
dadurch auf, dass in dem ersten Überlappungsbereich eine
erste Nuteinlage des ersten Strangabschnitts und eine zweite Nuteinlage
des zweiten Strangabschnitts in einer selben ersten Nut angeordnet
sind.The
Invention is based on a generic winding arrangement
in that in the first overlapping area a
first groove insert of the first strand section and a second groove insert
of the second strand section arranged in a same first groove
are.
In
einer bevorzugten Ausführungsform beträgt eine
genaue oder eine durchschnittliche Anzahl von Nuten je Pol Eins.
Hierbei sind insbesondere folgende Paarungen von Ständerpolzahl
(Statorzahnanzahl) (erste Zahl) und Anzahl von Polen im Läufer (zweite
Zahl) möglich: (9; 8), (9; 10),
(12; 10), (12; 14), (15; 14),
(15; 16), (18; 16), (18; 20),
(21; 20), und (21; 22).In a preferred embodiment, an exact or an average number of slots per pole is one. In particular, the following pairings of stator pole number (number of stator teeth) (first number) and number of poles in the rotor (second number) are possible: ( 9 ; 8th ) 9 ; 10 ) 12 ; 10 ) 12 ; 14 ) 15 ; 14 ) 15 ; 16 ) 18 ; 16 ) 18 ; 20 ) 21 ; 20 ), and ( 21 ; 22 ).
Eine
andere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass eine
genaue oder durchschnittliche Anzahl von Nuten je Pol ungleich 1,
insbesondere gleich 2 ist. Hierbei sind insbesondere folgende Paarungen
von Ständerpolzahl (Statorzahnanzahl) und Anzahl von Polen
im Läufer möglich: (9, 4), (15, 8), (18, 8),
(18, 10), (21, 8), (24, 10),
(24, 14), (27, 12), (30, 14),
(30, 16), (36, 16), (36, 20),
(42, 20), und (42; 22).Another preferred embodiment provides that an exact or average number of grooves per pole is not equal to 1, in particular equal to 2. In particular, the following pairings of stator pole number (number of stator teeth) and number of poles in the rotor are possible: 9 . 4 ) 15 . 8th ) 18 . 8th ) 18 . 10 ) 21 . 8th ) 24 . 10 ) 24 . 14 ) 27 . 12 ) 30 . 14 ) 30 . 16 ) 36 . 16 ) 36 . 20 ) 42 . 20 ), and ( 42 ; 22 ).
Eine
dritte Nuteinlage des ersten Strangabschnitts und eine vierte Nuteinlage
des zweiten Strangabschnitts kann in einer selben zweiten Nut angeordnet
sein.A
third groove insert of the first strand section and a fourth groove insert
of the second strand section can be arranged in a same second groove
be.
Eine
bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass eine fünfte Nuteinlage
des ersten Strang-abschnitts und eine sechste Nuteinlage des dritten Strangabschnitts
in einer selben dritten Nut angeordnet sind.A
preferred development provides that a fifth groove insert
of the first strand section and a sixth groove insert of the third strand section
are arranged in a same third groove.
Die
Wicklungsanordnung kann so ausgestaltet sein, dass eine siebte Nuteinlage
des ersten Strangabschnitts und eine achte Nuteinlage des dritten
Strangabschnitts in einer selben vierten Nut angeordnet sind.The
Winding arrangement can be designed so that a seventh groove insert
of the first strand section and an eighth groove insert of the third
Strand section are arranged in a same fourth groove.
Eine
weitere Ausführungsform sieht vor, dass die erste Nuteinlage
in Radialrichtung gesehen im Wesentlichen außerhalb der
zweiten Nuteinlage angeordnet ist und/oder dass die erste Nuteinlage
in Umfangsrichtung gesehen im Wesentlichen neben der zweiten Nuteinlage
angeordnet ist.A
Another embodiment provides that the first groove insert
Seen in the radial direction substantially outside the
second groove insert is arranged and / or that the first groove insert
Seen in the circumferential direction substantially adjacent to the second groove insert
is arranged.
Besonders
vorteilhaft ist es auch, wenn in dem ersten Überlappungsbereich
eine Induktivität des ersten Strangabschnitts etwa so groß ist
wie eine Induktivität des zweiten Strangabschnitts in dem
ersten Überlappungsbereich und/oder wie eine Induktivität
des ersten Strangabschnitts in dem zweiten Überlappungsbereich.Especially
It is also advantageous if in the first overlapping area
an inductance of the first strand section is about as large
as an inductance of the second strand section in the
first overlap area and / or as an inductance
the first strand section in the second overlapping area.
Die
Erfindung baut auf einem gattungsgemäßen Läufer
oder Stator dadurch auf, dass der Läufer beziehungsweise
Stator eine erfindungsgemäße Wicklungsanordnung
umfasst.The
Invention is based on a generic runner
or stator in that the runner or
Stator a winding arrangement according to the invention
includes.
Des
Weiteren baut die Erfindung auf einer gattungsgemäßen
elektrischen Maschine dadurch auf, dass die elektrische Maschine
eine erfindungsgemäße Wicklungsanordnung oder
einen erfindungsgemäßen Läufer oder einen
erfindungsgemäßen Stator umfasst.Of
Furthermore, the invention is based on a generic
electrical machine by putting the electric machine
a winding arrangement according to the invention or
a runner according to the invention or a
Stator according to the invention comprises.
Die
Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Figuren anhand
besonders bevorzugter Ausführungsformen erläutert.The
Invention will now be described with reference to the accompanying drawings
particularly preferred embodiments explained.
Es
zeigen:It
demonstrate:
1 ein
schematisches Schnittbild quer zur Hauptachse einer elektrischen
Maschine, die einen erfindungsgemäßen Wicklungsaufbau
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
aufweist, und die vektorielle Zusammensetzung der resultierenden
EMK einer Phase; 1 a schematic sectional view transverse to the main axis of an electric machine, the winding structure according to the invention according to a first embodiment, and the vectorial composition of the resulting EMF of a phase;
2 zwei
alternative schematische Schnittbilder quer zur Hauptachse eines
Umfangssegments einer elektrischen Maschine, die einen Wicklungsaufbaus
gemäß einem dritten bzw. vierten Ausführungsbeispiel
aufweist; 2 two alternative schematic cross-sectional views transverse to the major axis of a peripheral segment of an electric machine having a winding structure according to a third and fourth embodiment;
3 einen
Vergleich berechneter normalisierter Amplituden von Harmonischen
der EMK zwischen einer konventionellen und einer erfindungsgemäßen
elektrischen dreiphasigen Maschine mit 12 Ständerpolen
(Statorzähnen) und 10 Polen im Läufer; 3 a comparison of calculated normalized amplitudes of harmonics of the emf between a conventional and an electric three-phase machine according to the invention with 12 stator poles (stator teeth) and 10 poles in the rotor;
4 für
diese beiden elektrischen Maschinen den Quotienten aus der berechneten
Drehmomentschwankung geteilt durch das berechnete mittlere Drehmoment,
aufgetragen über die elektrische Vorkommutierung; 4 for these two electric machines, the quotient of the calculated torque fluctuation divided by the calculated mean torque plotted against the electrical pre-commutation;
5 für
acht verschiedene Maschinenaufbauten den berechneten Klirrfaktor
der Harmonischen der EMK im Vergleich zu dem Klirrfaktor der Harmonischen
der EMK einer ansonsten gleichartigen konventionellen elektrischen
Maschine; 5 for eight different machine setups, the calculated harmonic distortion of the harmonic of the emf compared to the harmonic distortion of the harmonic of the emf of an otherwise similar conventional electric machine;
6 ein
schematisches Schnittbild quer zur Hauptachse einer elektrischen
Maschine, die einen erfindungsgemäßen Wicklungsaufbau
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
aufweist, und die vektorielle Zusammensetzung der resultierenden
EMK einer Phase; 6 a schematic sectional view transverse to the main axis of an electric machine having a winding structure according to the invention according to a second embodiment, and the vectorial composition of the resulting EMF of a phase;
7 einen
Vergleich berechneter normalisierter Amplituden von Harmonischen
der EMK zwischen einer erfindungsgemäßen und einer
konventionellen elektrischen dreiphasigen Maschine mit 18 Ständerpolen
(Statorzähnen) und 8 Polen im Läufer; und 7 a comparison of calculated normalized amplitudes of EMF harmonics between a conventional three-phase electric machine according to the invention and having 18 stator poles (stator teeth) and 8 poles in the rotor; and
8 für
diese beiden elektrischen Maschinen den berechneten Quotienten aus
Drehmomentschwankung geteilt durch das mittlere Drehmoment, aufgetragen über
die elektrische Vorkommutierung. 8th for these two electric machines, the calculated quotient of torque fluctuation divided by the mean torque, plotted against the electrical pre-commutation.
1 zeigt
einen Ständer 20 (Stator) mit 12 Ständerpolen 1 bis 12,
wobei zwischen je zwei benachbarten Ständerpolen 1, 2 usw.
je eine Nut 22 angeordnet ist. Parallel zur Axialrichtung
angeordnete Leiterabschnitte der Ständerwicklungen sind
in die Nuten 22 eingelegt. Verbindungen zwischen in die Nuten 22 eingelegten
Leiterabschnitte sind auf einer vorderen und/oder einer hinteren
Stirnseite des Ständers 20 angeordnet. Die Ständerwicklungen
haben entweder den Aufbau einer Schleifenwicklung (lap winding),
wobei die Ständerpole 1 bis 12 jeweils
mit einer oder mehreren Windungen von einem Wicklungsleiter 24 helixartig
umschlungen sind. Alternativ oder zusätzlich können
die Ständerwicklungen auch den Aufbau einer Wellenwicklung
(wave winding) aufweisen, wobei ein Wicklungsleiter eines Strangs in
mindestens drei benachbarte Nuten 22 eingelegt ist, der
die von den Nuten 22 eingegrenzten Ständerpole 1 bis 12 jeweils
U-förmig umschließt. Der achssymmetrisch aufgebaute
Ständer 20 der Drehstrommaschine 26 weist
für jede der drei Drehstromphasen einen Strang mit je zwei
gegenüberliegenden Wicklungsgruppen auf. In jeder Nut 22 wird
etwa eine Hälfte 28 des Querschnitts von Windungen
einer ersten Wicklungsgruppe eines ersten Strangs eingenommen, die
einen ersten Ständerpol 1 umschlingen. Ein davon
unterschiedliches erstes Viertel 30 des Querschnitts der
Nut 22 wird ebenfalls von Windungen der ersten Wicklungsgruppe
eingenommen, die aber einen anderen Ständerpol 2 umschlingen. Ein
zweites Viertel 32 des Querschnitts der Nut 22 wird
von Windungen einer zur ersten benachbarten Wicklungsgruppe eines
zweiten Strangs eingenommen. Die Leiter bzw. Windungen des ersten 30 und zweiten 32 Viertels
des Querschnitts einer Nut 22 können – nach
Art einer Zwei schichtwicklung – jeweils gebündelt
in Radialrichtung übereinander angeordnet sein, so wie
es in dem rechten Teil der 2 dargestellt
ist. Die Bündel der Leiter bzw. Windungen des ersten 30 und
zweiten 32 Viertels des Querschnitts können in
der Nut 22 aber auch nebeneinander angeordnet sein, wie
es in dem linken Teil der 2 dargestellt
ist. Hierbei umgibt die Wicklung des ersten 30 oder zweiten 32 Viertels
die Wicklung des jeweils anderen Viertels 32 bzw. 30 des
Querschnitts. 1 shows a stand 20 (Stator) with 12 stator poles 1 to 12 , wherein between each two adjacent stator poles 1 . 2 etc. one groove each 22 is arranged. Conductor sections of the stator windings arranged parallel to the axial direction are in the slots 22 inserted. Connections between in the grooves 22 inserted conductor sections are on a front and / or a rear end face of the stand 20 arranged. The stator windings have either the construction of a lap winding, wherein the stator poles 1 to 12 each with one or more turns of a winding conductor 24 are helically entwined. Alternatively or additionally, the stator windings may also have the structure of a wave winding, wherein a winding conductor of a strand in at least three adjacent grooves 22 is inserted, that of the grooves 22 limited stator poles 1 to 12 encloses each U-shaped. The axisymmetric built-up stand 20 the three-phase machine 26 has for each of the three three-phase phases on a strand with two opposite winding groups. In every groove 22 will be about a half 28 of the cross section of turns of a first winding group of a first strand, which has a first stator pole 1 entwine. One of them different first quarter 30 the cross section of the groove 22 is also occupied by turns of the first winding group, but a different stator pole 2 entwine. A second quarter 32 the cross section of the groove 22 is occupied by turns of a first adjacent winding group of a second strand. The conductors or windings of the first 30 and second 32 Quarter of the cross section of a groove 22 can - in the manner of a two-layer winding - each bundled in the radial direction one above the other, as it is in the right part of the 2 is shown. The bundles of conductors or turns of the first 30 and second 32 Quarter of the cross section can be in the groove 22 but also be arranged next to each other, as it is in the left part of the 2 is shown. This surrounds the winding of the first 30 or second 32 Quarter the winding of the other quarter 32 respectively. 30 of the cross section.
Der
Ständer 20 umschließt einen achssymmetrisch
aufgebauten Läufer 38, der auf einer Welle 40 befestigt
ist, die drehbar gelagert ist. Der Läufer 38 weist
an seinem Außenumfang 8 im Wesentlichen tangential
angeordnete Permanentmagnete 36 auf, deren Nord- und Südpole
nicht auf der Stirnseite, sondern auf den Breitseiten der Permanentmagnete, d.
h., bezogen auf die Welle 40, in Radialrichtung orientiert
sind. Jeder Permanentmagnet 36 erzeugt ein magnetisches
Feld dessen Feldlinien 42 wie folgt verlaufen: in einer
ersten Radialrichtung durch einen ersten Ständerpol 6, über
einen Jochabschnitt 44 am Außenumfang des Ständers 20 zu
einem zweiten Ständerpol 5 und in einer zweiten
zur ersten im Wesentlichen entgegengesetzten Radialrichtung durch den
zweiten Ständerpol 5 zurück zu einem
benachbarten Permanentmagneten 36. Im Inneren des Läufers 38 schließt
sich so ein Magnetkreis 42 zwischen den beiden beteiligten
benachbarten Permanentmagneten 36.The stand 20 encloses an axisymmetric rotor 38 that on a wave 40 is fixed, which is rotatably mounted. The runner 38 points to its outer circumference 8th substantially tangentially arranged permanent magnets 36 on, the north and south poles not on the front side, but on the broad sides of the permanent magnets, ie, based on the shaft 40 , are oriented in the radial direction. Every permanent magnet 36 generates a magnetic field whose field lines 42 as follows: in a first radial direction through a first stator pole 6 , over a yoke section 44 on the outer circumference of the stand 20 to a second stator pole 5 and in a second to the first substantially opposite radial direction through the second stator pole 5 back to a neighboring permanent magnet 36 , Inside the runner 38 closes so a magnetic circuit 42 between the two adjacent permanent magnets involved 36 ,
Der
rechte Teil der 1 zeigt ein Zeigerdiagramm für
die von einer Wicklungsgruppe der Wicklungen der ersten der drei
Drehstromphasen verursachten EMK. Die EMK erzeugt zusammen mit den entsprechenden
Phasenströmen ein Drehmoment zwischen Läufer 38 und
Ständer 20. Die Länge der Zeiger 101, 106, 108 ist
ein Maß für die relative Stärke der induzierten
Spannung (EMK) in der jeweiligen Wicklung des zugehörigen
Strangs. Die Richtung dieser Zeiger ist ein Maß für
eine relative zeitliche Phasenlage der jeweiligen EMK. Der Ständerpol 2 ist in
Laufrichtung 46 gesehen vor dem Ständerpol 1 angeordnet.
Bei gleicher Wicklungsrichtung und gleicher Polung des Permanentmagneten 36 würde
er in Richtung des Zeigers 102 zeigen. Da beim Ständerpol 2 sowohl
die Wicklungsrichtung als auch die Polarität des Permanentmagneten 36,
also des Läuferpols umgekehrt sind, zeigt der Zeiger 102 der
EMK des Ständerpols 2 tatsächlich in
Richtung des Zeigers 102. Eine spiegelbildliche Überlegung
führt zu der Länge und Richtung des Zeigers 112 der
EMK für den Ständerpol 12. Die aus der
ersten Stranghälfte (d. h. der Wicklungsgruppe der Wicklungen
der Ständerpole 1, 2 und 12)
der ersten Drehstromphase resultierende EMK zeigt in Richtung der
EMK des Ständerpols 1, weil sich die dazu vertikalen
Komponenten der EMK der Ständerpole 2 und 12 kompensieren. Spiegelbildliche Überlegungen
gelten für die zweite Stranghälfte (d. h. die
Wick-lungsgruppe der Wicklungen der Ständerpole 6, 7 und 8)
der ersten Drehstromphase. Auch hier zeigt die resultierende EMK
in Richtung der EMK des Ständerpols 1. Denn beispielsweise
hat der Läuferpol unter dem Ständerpol 7 eine
umgekehrte Polung, wie auch die Wicklungsrichtung – bezogen
auf die Umlaufrichtung 46 – im Verhältnis
zu Ständerpol 1 umgekehrt ist. Die Effizienz des
erfindungsgemäßen Wicklungsaufbaus lässt sich
anhand des Zonenfaktors der Wicklung beurteilen. Der Zonenfaktor
ist definiert als der Quotient aus dem Betrag der Vektorsumme der
Amplituden der induzierten Spannungen 66 (gemeint sind
hier die Vektoren; die Zahlen darunter sind Ständerpolbezeichnungen)
der Spulen eines Strangs geteilt durch die Summe der Beträge 68 der
Amplituden der induzierten Spannungen der einzelnen Spulen des Strangs. Im
Zeigerdiagramm 67 sind die Werte 66, 68 für
die in 1 dargestellte elektrische Maschine 26 angegeben.
Mittels der erfindungsgemäßen Strangverschachtelung,
d. h. teilweisen Überlappung von Wicklungsgruppen benachbarter
Phasen (hier der Drehstromphasen) wird eine Stärke von
Harmonischen der EMK im Vergleich zu einer ansonsten gleichartigen
konventionellen elektrischen Maschine verringert. In diesem Ausführungsbeispiel
summieren sich die Zeiger einer Wicklungsgruppe zu einem Gesamtbetrag
von 4, der den Nenner des Quotienten bildet. Jede Wicklungsgruppe
erstreckt sich hier über insgesamt sechs Pole 1, 2, 6, 7, 8, 12 beziehungsweise
Spulen. Davon haben die vier Spulen 2, 6, 8, 12 eine
halb so große Windungszahl wie die anderen zwei Spulen 1, 7.
Da die vier Spulen 2, 6, 8, 12 gegenüber
den zwei Spulen 1, 7 einen elektrischen Winkel
von 30° haben, beträgt der Betrag der Vektorsumme
der Amplituden der induzierten Spannungen 66 der Spulen
eines Strangs hier 3,73. Dieser Wert bildet den Zähler
des Quotienten. Der Zonenfaktor der Wicklung beträgt damit
0,933 = 3,73/4, woraus ersichtlich ist, dass die elektrische Maschine 26 trotz Strangverschachtelung
einen guten Wirkungsgrad hat.The right part of the 1 shows a phasor diagram for the emf caused by a winding group of the windings of the first of the three-phase AC phases. The emf generated together with the corresponding phase currents a torque between rotor 38 and stand 20 , The length of the hands 101 . 106 . 108 is a measure of the relative strength of the induced voltage (EMF) in the respective winding of the associated strand. The direction of these hands is a measure of a relative temporal phase angle of the respective EMF. The stator pole 2 is in the direction of travel 46 seen in front of the stator pole 1 arranged. For the same winding direction and the same polarity of the permanent magnet 36 he would go in the direction of the pointer 102 demonstrate. Because at the stator pole 2 both the winding direction and the polarity of the permanent magnet 36 , So the rotor pole are reversed, the pointer shows 102 the EMK of the stator pole 2 actually in the direction of the pointer 102 , A mirror image leads to the length and direction of the pointer 112 the EMK for the stator pole 12 , From the first strand half (ie the winding group of the windings of the stator poles 1 . 2 and 12 ) of the first three-phase phase resulting EMF points in the direction of the emf of the stator pole 1 because the vertical components of the emf of the stator poles are too vertical 2 and 12 compensate. Mirroring considerations apply to the second strand half (ie the winding group of the windings of the stator poles 6 . 7 and 8th ) of the first three-phase phase. Again, the resulting EMF points toward the EMK of the stator pole 1 , For example, the rotor pole has under the stator pole 7 a reverse polarity, as well as the winding direction - in relation to the direction of rotation 46 - in relation to stator pole 1 is reversed. The efficiency of the winding structure according to the invention can be assessed on the basis of the zone factor of the winding. The zone factor is defined as the quotient of the magnitude of the vector sum of the amplitudes of the induced voltages 66 (meaning the vectors, the numbers underneath are the pole-of-pole notations) of the coils of a string divided by the sum of the amounts 68 the amplitudes of the induced voltages of the individual coils of the strand. In the pointer diagram 67 are the values 66 . 68 for the in 1 illustrated electrical machine 26 specified. By means of the strand interleaving according to the invention, ie partial overlapping of winding groups of adjacent phases (here the three-phase phases), a strength of harmonics of the emf is reduced in comparison to an otherwise similar conventional electric machine. In this embodiment, the hands of a winding group add up to a total of 4, which is the denominator of the quotient. Each winding group extends here over a total of six poles 1 . 2 . 6 . 7 . 8th . 12 or coils. Of these, the four coils 2 . 6 . 8th . 12 half the number of turns as the other two coils 1 . 7 , Because the four coils 2 . 6 . 8th . 12 opposite the two coils 1 . 7 have an electrical angle of 30 °, the magnitude of the vector sum of the amplitudes of the induced voltages 66 the coils of a strand here 3.73. This value forms the numerator of the quotient. The zone factor of the winding is thus 0.933 = 3.73 / 4, from which it can be seen that the electric machine 26 despite strand nesting has a good efficiency.
3 zeigt
einen Vergleich der normierten Stärke 54 der 5-ten,
7-ten, 11-ten, 13-ten, 17-ten, 19-ten, 23-ten und 25-ten Harmonischen 52 der
EMK einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 26 im
Verhältnis zu einer Stärke 56 der Harmonischen der
EMK einer konventionellen elektrischen Maschine. Hieraus ist ersichtlich,
dass mittels der erfindungsgemäßen Strangverschachtelung
für die 5- te und 7-te Harmonische jeweils eine erhebliche
Verringerung der Stärke 54 der Harmonischen 52 erreicht wird. 3 shows a comparison of normalized strength 54 the 5th, 7th, 11th, 13th, 17th, 19th, 23rd and 25th harmonics 52 the emf of an electrical machine according to the invention 26 in proportion to a strength 56 the harmonic of the EMF of a conventional electric machine. From this it can be seen that by means of the strand interleaving according to the invention for the 5th and 7th harmonics in each case a considerable reduction of the strength 54 the harmonious 52 is reached.
4 zeigt
den Quotienten 59 aus berechneter Drehmomentschwankung
geteilt durch das mittlere Drehmoment aufgetragen über
die elektrische Vorkommutierung 61 der elektrischen Maschine (Bezugszeichen: 63 → sonst
baugleiche konventionelle elektrische Maschine; 65 → elektrische
Maschine 26). 4 shows the quotient 59 calculated torque fluctuation divided by mean torque plotted against the electrical pre-commutation 61 the electric machine (reference: 63 → otherwise identical conventional electrical machine; 65 → electric machine 26 ).
5 zeigt
die gesamte harmonische Verzerrung (Klirrfaktor) 58 der
EMK der erfindungsgemäßen Strangverschachtelung
bei den in der Abszissenbeschriftung angegebenen Maschinenkonfigurationen
(Bezugszeichen: 60 → Ständerpolzahlen; 62 → Läuferpolzahlen). 5 shows the total harmonic distortion (harmonic distortion) 58 the emf of the strand interleaving according to the invention in the machine configurations indicated in the abscissa inscription (reference symbol: 60 → stator pole numbers; 62 → rotor pole numbers).
6 zeigt
in der linken Zeichnungshälfte einen Ständer 20 (Stator)
mit 18 Ständerpolen, wobei zwischen je zwei benachbarten
Ständerpolen 70, 72 je eine Nut 22 angeordnet
ist. In 6 sind mit den Bezugszeichen 1 bis 18 die
einzelnen Nuten 22 gekennzeichnet. Soweit nicht abweichend
beschrieben oder dargestellt ist, ist der Aufbau des Ständers 20 und
des Läufers 38 wie im ersten Ausführungsbeispiel.
In jeder Nut 22 wird jeweils etwa eine Hälfte 28 des
Querschnitts von Windungen einer ersten Wicklungsgruppe eines ersten
Strangs eingenommen, die einen ersten 70 und einen zweiten 72 Ständerpol
umschlingen. Ein davon unterschiedliches erstes Viertel 30 oder – je
nach Nut 22 – eine weitere Hälfte des Querschnitts
der Nut 22 wird ebenfalls von Windungen der ersten Wicklungsgruppe
eingenommen, die aber zwei andere Ständerpole 74, 76 umschlingen. Im
ersten Fall wird das noch verbliebene zweite Viertel 32 des
Querschnitts der Nut 22 von Windungen einer zur ersten
benachbarten Wicklungsgruppe eines zweiten Strangs eingenommen. 6 shows in the left half of the drawing a stand 20 (Stator) with 18 stator poles, whereby between each two adjacent stator poles 70 . 72 one groove each 22 is arranged. In 6 are with the reference numerals 1 to 18 the individual grooves 22 characterized. Unless otherwise described or illustrated, the structure of the stand 20 and the runner 38 as in the first embodiment. In every groove 22 is about half each 28 of the cross section of turns of a first winding group of a first strand occupied, the first 70 and a second 72 Wrap around pole. One of them different first quarter 30 or - depending on the groove 22 - Another half of the cross section of the groove 22 is also occupied by turns of the first winding group, but two other stator poles 74 . 76 entwine. In the first case, the remaining second quarter 32 the cross section of the groove 22 of turns of a first adjacent winding group of a second strand occupied.
Der
rechte Teil der 6 zeigt ein Zeigerdiagramm für
die von den Wicklungen der ersten der drei Drehstromphasen verursachte
EMK. Der Pol 3 ist in Laufrichtung 46 gesehen
vor dem Ständerpol 1 angeordnet. Die induzierten
Spannungen 66 (gemeint sind die Vektoren; die Zahlen sind
hier Nutbezeichnungen) der Spulen eines Strangs und die Beträge 68 der
Amplituden der induzierten Spannungen der einzelnen Spulen des Strangs
für die elektrische Maschine 48 sind im Zeigerdiagramm 67 angegeben. Der
Zonenfaktor der Wicklung be-trägt hier 0,945 = 2(0,5 cos
30° + cos 10°)/3, woraus ersichtlich ist, dass
auch die elektrische Maschine 48 trotz Strangverschachtelung
noch einen guten Wirkungsgrad hat. Mittels der erfindungsgemäßen
Strangverschachtelung, d. h. teilweisen Überlappung von Wicklungsgruppen
benachbarter Phasen (hier der Drehstromphasen) wird eine Stärke
von Harmonischen der EMK im Vergleich zu einer ansonsten gleichartigen
konventionellen elektrischen Maschine verringert. 6 zeigt,
dass sich eine Überlappung 50 der Strangverschachtelung über
mehrere Ständerpole 70, 72 erstrecken
kann.The right part of the 6 shows a phasor diagram for the EMF caused by the windings of the first of the three three-phase phases. The pole 3 is in the direction of travel 46 seen in front of the stator pole 1 arranged. The induced voltages 66 (meaning the vectors, the numbers are here groove notations) of the coils of a strand and the amounts 68 the amplitudes of the induced voltages of the individual coils of the strand for the electric machine 48 are in the phasor diagram 67 specified. The zone factor of the winding here is 0.945 = 2 (0.5 cos 30 ° + cos 10 °) / 3, from which it can be seen that the electric machine 48 despite strand nesting still has a good efficiency. By means of the strand interleaving according to the invention, ie partial overlapping of winding groups of adjacent phases (here the three-phase phases), a strength of harmonics of the EMF is reduced in comparison to an otherwise similar conventional electric machine. 6 shows that there is an overlap 50 the strand nesting over several stator poles 70 . 72 can extend.
7 zeigt
einen Vergleich der normierten Stärke 54 der 5-ten,
7-ten, 11-ten, 13-ten, 17-ten, 19-ten, 23-ten und 25-ten Harmonischen 52 der
EMK einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 48 im
Verhältnis zu einer Stärke 56 der Harmonischen der
EMK einer konventionellen elektrischen Maschine. Hieraus ist ersichtlich,
dass mittels der erfindungsgemäßen Strangverschachtelung
für die 5-te Harmonische eine erhebliche Verringerung der
Stärke der Harmonischen erreicht wird. 7 shows a comparison of normalized strength 54 the 5th, 7th, 11th, 13th, 17th, 19th, 23rd and 25th harmonics 52 the emf of an electrical machine according to the invention 48 in proportion to a strength 56 the harmonic of the EMF of a conventional electric machine. From this it can be seen that by means of the strand interleaving according to the invention for the fifth harmonic a considerable reduction in the strength of the harmonics is achieved.
8 zeigt
den Quotienten 59 aus berechneter Drehmomentschwankung
geteilt durch das mittlere Drehmoment, aufgetragen über
die elektrische Vorkommutierung 61 der elektrischen Maschine (Bezugszeichen: 63 → sonst
baugleiche konventionelle elektrische Maschine; 65 → elektrische
Maschine 48). 8th shows the quotient 59 calculated torque fluctuation divided by mean torque, plotted against the electrical pre-commutation 61 the electric machine (reference: 63 → otherwise identical conventional electrical machine; 65 → electric machine 48 ).
In
einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform kann
statt der Permanentmagnete 36 im Läufer 38 ein
gleichartiges konstantes mehrpoliges Magnetfeld mit einer stromdurchflossenen
Wicklungsanordnung erzeugt werden, deren Leiter – so wie
zuvor für den Ständer 20 beschrieben – in
Polen des Läufers 38 einen konstanten magnetischen Fluss
erzeugen. Es kann auch eine andere Anzahl von Ständerpolen
und/oder eine andere Anzahl von Permanentmagneten 36 gewählt
werden. Auch können die relativen Anordnungen zwischen
Ständer 20 und Läufer 38 in
zweierlei Weise vertauscht sein. Zum einen können die Permanentmagnete 36 im Ständer
angeordnet sein und der Läufer einen Pol- und Wicklungsaufbau
aufweisen, wie er zuvor für den Ständer 20 beschrieben
wurde. Zum anderen kann es sich um eine elektrische Maschine mit
einem Außenläufer handeln, so dass der innere
Teil das relativ zu einer Umgebung fixierte Teil darstellt und der
Außenläufer relativ zu der Umgebung drehbar gelagert ist.
Außerdem kann die elektrische Maschine auch ein Linearmotor
oder Lineargenerator sein.In a further embodiment, not shown, instead of the permanent magnets 36 in the runner 38 a similar constant multipolar magnetic field are generated with a current-carrying coil assembly, the conductor - as before for the stator 20 described - in Poland of the runner 38 generate a constant magnetic flux. There may also be a different number of stator poles and / or a different number of permanent magnets 36 to get voted. Also, the relative arrangements between stands 20 and runners 38 be reversed in two ways. On the one hand, the permanent magnets 36 be arranged in the stand and the rotor have a pole and winding structure, as previously for the stand 20 has been described. On the other hand, it may be an electric machine with an external rotor, so that the inner part is the relative to an environment fixed part and the outer rotor is rotatably mounted relative to the environment. In addition, the electric machine may also be a linear motor or linear generator.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 2348641
A1 [0002] - DE 2348641 A1 [0002]