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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine Asynchron-Maschine sowie eine elektrische Maschine mit dem Rotor.
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Die Asynchron-Maschine ist die am häufigsten vorkommende elektrische Maschine in industrieller Anwendung. Die Asynchron-Maschine wird auch als Induktionsmaschine bezeichnet. Eine Asynchron-Maschine umfasst einen Stator, der stationäre Wicklungen trägt, und den Rotor. Als Rotor kommt meist ein Käfigläufer zum Einsatz.
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Wenn an die Statorwicklung eine Spannung angelegt wird, fließt Strom durch die Statorwicklungen, welcher ein wanderndes Feld im Luftspalt der Maschine verursacht. Dieses wandernde Feld induziert Spannungen in den Leitern des Rotors. Wenn wie beim Käfigläufer die Rotorwicklungen kurzgeschlossen sind, verursacht die induzierte Spannung Ströme in dessen Wicklungen. Die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld des Stators und dem Rotorstrom verursacht ein elektromagnetisches Drehmoment.
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Bei einer Asynchron-Maschine kann der Rotor nicht bei Synchrondrehzahl laufen. Die Synchrondrehzahl ist eine Funktion der Frequenz der Spannungsquelle und der Polzahl. Um eine Induktion eines elektromagnetischen Feldes im Rotor zu verursachen, muss der Rotor im Motorbetrieb langsamer als die Synchrondrehzahl drehen, bei Generatorbetrieb aber schneller. Das Verhältnis zwischen Rotordrehzahl und Synchrondrehzahl wird als Schlupf bezeichnet.
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Um die Funktionsweise der Asynchron-Maschine zu analysieren, wir der Statorstrom häufig in zwei separate Komponenten zerlegt, nämlich eine Inphasenkomponente mit dem Rotorfluss, die als Magnetisierungsstrom bezeichnet wird, und eine dazu um 90° elektrisch versetzte Komponente, die als Drehmoment-Strom bezeichnet wird.
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Als Statorwicklung kommt beispielsweise eine Einschicht- oder Zweischichtwicklung zum Einsatz, die jeweils einander überlappende verteilte Wicklungen umfasst. Auf der anderen Seite sind konzentrierte Wicklungen deutlich kostengünstiger herstellbar. Obwohl konzentrierte Wicklungen in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen erfahren haben, spielen sie bis heute keine Rolle für Asynchron-Maschinen. Dies liegt daran, dass konzentrierte oder modulare Wicklungen keine wandernden Felder hoher Qualität, das heißt mit einer Sinusverteilung der magnetomotorischen Kraft erzeugen können. Vielmehr treten zahlreiche Nebenwellen bzw. Harmonische von einer Amplitude in ähnlicher Größenordnung auf wie die als Arbeitswelle genutzte, die mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und sogar unterschiedlicher Richtung sich im Luftspalt bewegen und damit Ströme induzieren und gegenläufige Drehmomente erzeugen. Dadurch ist der Gesamtwirkungsgrad einer solchen Maschine denkbar gering.
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Eine der wenigen Veröffentlichungen auf diesem Gebiet ist die
DE 1065081 .
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotor für eine Asynchron-Maschine anzugeben sowie eine elektrische Maschine, bei denen ein guter Wirkungsgrad auch dann erzielbar ist, wenn der Stator eine konzentrierte Wicklung trägt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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In einer Ausführungsform umfasst ein Rotor für eine Asynchron-Maschine einen Käfigläufer. Der Käfigläufer weist mehrere parallel zueinander angeordnete Stäbe auf. Mindestens zwei dieser Stäbe sind elektrisch miteinander in Serie verschaltet.
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Normalerweise sind Käfigläufer für Asynchron-Maschinen über Kurzschlussringe so aufgebaut, dass die parallel angeordneten Stäbe miteinander elektrisch parallel geschaltet sind. Demgegenüber sind bei dem vorgeschlagenen Prinzip die Stäbe des Käfigläufers, welche weiterhin mechanisch im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, elektrisch zumindest teilweise in Serie geschaltet, das heißt mindestens zwei Stäbe sind elektrisch in Serie und mechanisch parallel geschaltet.
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Die Serienschaltung der Stäbe des Käfigläufers führt dazu, dass diejenigen Komponenten der magnetomotorischen Kraft, welche nicht als Arbeitswelle genutzt werden sollen, deutlich reduziert sind oder sogar verschwinden. Durch die Serienschaltung der Stäbe des Rotors werden die induzierten Flusskomponenten ebenfalls in Serie geschaltet. Wie man mathematisch zeigen kann, wird bei Serienschaltung nur die Arbeitswelle in die Rotorwicklung induziert. Die anderen, unerwünschten Harmonischen, obwohl sie in jede Schleife von Rotorstäben induziert werden, werden in dem resultierenden magnetischen Fluss ausgelöscht. Somit löst diese Rotortopologie die negativen Wirkungen auf, die normalerweise bei Käfigläufern von Asynchron-Maschinen auftreten, wenn im Stator konzentrierte Wicklungen eingelegt sind.
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Eine weitere Verbesserung ergibt sich dann, wenn die Anzahl der Stäbe pro Wicklungssystem des Rotors gleich dem Zweifachen der Ordnung der als Arbeitswelle genutzten Oberwelle des magnetischen Flusses ist. Mit anderen Worten werden die Stäbe des Rotors des Käfigläufers so verteilt, wie die Polteilung ist, das heißt so wie die Nulldurchgänge der als Arbeitswelle genutzten Oberwelle sich verteilen. Wenn beispielsweise die fünfte Oberwelle genutzt wird, das heißt zehn Pole des Magnetfelds vorkommen, so sind zehn Stäbe des Rotors in einem Wicklungssystem vorzusehen und an die Polteilung anzupassen. Wenn im Rotor nur ein Wicklungssystem verwendet wird, soll die Anzahl der Stäbe gleich der Anzahl der Pole sein. Hierdurch können unerwünschte Harmonische noch weiter reduziert und der Wirkungsgrad weiter verbessert werden.
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Eine noch weitere Verbesserung ergibt sich, wenn alle Stäbe des Rotors miteinander in einer Serienschaltung elektrisch verschaltet sind, die gemeinsam ein Wicklungssystem des Rotors bilden. Das heißt, jedes Wicklungssystem des Rotors bildet für sich eine Serienschaltung. In diesem Fall sind alle Stäbe eines Wicklungssystems miteinander in Serie geschaltet und bilden einen ringförmigen Stromkreis.
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In einer anderen Ausführung sind entlang einer Hälfte des Umfangs alle Stäbe miteinander elektrisch in Serie verschaltet, wobei die beiden Serienschaltungen, die jeweils eine Hälfte des Umfangs bezüglich der Stäbe umfassen, miteinander elektrisch parallel geschaltet sind.
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Die Stäbe des Rotors sind bevorzugt im Wesentlichen axial, das heißt in Richtung der Drehachse des Rotors, ausgerichtet und entlang des Umfangs des Rotors bevorzugt gleich verteilt, das heißt unmittelbar benachbarte Stäbe haben den gleichen Abstand voneinander.
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Praktisch kann die vorgeschlagene Serienschaltung von Stäben des Rotors oder eine Serienparallelschaltung dadurch realisiert werden, dass anstelle der Kurzschlussringe an gegenüberliegenden Enden der Stäbe ein elektrisch isolierendes Material für die Ringe des Käfigläufers verwendet wird. Dann werden an einem Ende der Stäbe jeweils Paare gebildet und paarweise die Enden der Stäbe miteinander elektrisch verbunden, wobei gegenüberliegend jeweils andere Paarbildungen stattfinden. Somit ergibt sich eine Serienschaltung aller Stäbe in einem Wicklungssystem des Käfigläufers. Eine derartige Bauweise des Käfigläufers ist verhältnismäßig kostengünstig und mit geringem Aufwand in robuster Bauweise herstellbar und eignet sich hervorragend für industrielle Anwendung.
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Bevorzugt umfasst der Rotor mindestens zwei Wicklungssysteme. Jedes Wicklungssystem repräsentiert ein elektrisch leitfähiges System. Die Wicklungssysteme sind bevorzugt elektrisch voneinander unabhängig, d.h. nicht leitfähig miteinander verbunden. Jedes Wicklungssystem kann mehrere parallel zueinander angeordnete Stäbe umfassen, von denen jeweils mindestens zwei bevorzugt miteinander in Serie verschaltet sind. Die Wicklungssysteme sind bevorzugt entlang der Umfangsrichtung des Rotors zueinander verschoben. Die Wicklungssysteme können den gleichen Aufbau haben.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst eine elektrische Asynchron-Maschine einen der vorstehend beschriebenen Rotoren und einen Stator, wobei der Rotor relativ zum Stator beweglich angeordnet ist.
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Bei einer rotierenden Maschine ist der Rotor drehbar gelagert, bei einer Linearmaschine entlang einer Hauptrichtung relativ zum Stator beweglich.
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Der Stator umfasst ein Wicklungssystem mit mindestens einer konzentrierten Wicklung. Bevorzugt kommen so genannte modulare Wicklungen zum Einsatz, bei dem die elektrische Wicklung jeweils um genau ein Zahn des Stators gewickelt ist. Bevorzugt werden Mehrphasensysteme wie beispielsweise ein Dreiphasensystem zum Einsatz gebracht.
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Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 die elektrische Verschaltung der Stäbe eines Käfigläufers in abgewickelter Darstellung,
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2 das elektrische Ersatzschaltbild korrespondierend zu der Ausführung von 1,
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3 einen beispielhaften Käfigläufer gemäß Stand der Technik,
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4 ein Ausführungsbeispiel der Endverbindungen der Stäbe eines Käfigläufers bei einem Zweiwicklungssystem im Rotor,
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5 die elektrische Verbindung der Stäbe bei einem Rotor gemäß 4,
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6A bis 6D an je einem Ausführungsbeispiel eine konzentrierte Wicklung, wie sie mit dem vorgeschlagenen Rotor vorteilhaft verwendbar ist,
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7 die Komponenten des magnetischen Flusses bei einem Ausführungsbeispiel einer Maschine mit zwölf Zähnen, konzentrierter Wicklung und einem Rotor mit zehn Stäbe,
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8 bis 14 ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit einer zweischichtigen konzentrierten Wicklung mit sechs Nuten im Stator und 24 Rotorstäbe sowie dem zugehörigen die Maschine charakterisierenden Schaubildern,
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15 bis 21 ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit neun Zähnen und acht Polen mit 48 Rotorstäben einschließlich der dazugehörigen charakteristischen Kennlinien,
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22 bis 28 ein drittes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit 12 Zähnen im Stator und 60 Rotorstäben bei einer zehnpoligen Wicklung im Stator und
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29 bis 35 ein viertes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
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1 zeigt die elektrische Verschaltung von parallel zueinander ausgerichteten Stäbe eines Rotors, der als Käfigläufer ausgeführt ist, in abgewickelter Darstellung. Die zehn Stäbe des Rotors 1 bis 10 sind miteinander alle in einer gemeinsamen elektrischen Serienschaltung verschaltet, wobei die Enden des ersten und letzten Stabs 1, 10 ebenfalls miteinander verbunden sind. Diese Verschaltung ist dadurch erreicht, dass paarweise einander zugeordnete benachbarte Enden der Stäbe miteinander kurzgeschlossen sind. So sind im Beispiel die benachbarten Enden der Stäbe 1, 2; 3, 4; 5, 6; 7, 8; und 9, 10 jeweils miteinander verbunden, während die gegenüberliegenden Enden der anderen Pärchen 2, 3; 4, 5; 6, 7; 8, 9 sowie 10, 1 miteinander kurzgeschlossen sind.
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Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Käfigläufer einer Asynchronmaschine, bei dem mittels je eines Kurzschluss-Endrings alle Enden der Stäbe jeweils miteinander kurzgeschlossen sind und somit alle Stäbe in einer elektrischen Parallelschaltung betrieben werden, hat die vorgeschlagene Serienschaltung den Vorteil, dass diejenigen Harmonischen der magnetomotorischen Kraft, die nicht als Arbeitswelle genutzt werden sollen, deutlich reduziert sind.
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Eine weitere Eigenschaft der Ausführung von 1 ist, dass die Stäbe voneinander entlang des Umfangs des Käfigläufers den Abstand π:pR aufweisen. Im vorliegenden Beispiel ist der Polabstand gleich π. Vorliegender Rotor gemäß 1 weist Stäbe auf, die so verteilt sind wie die Polteilung, das heißt die Nulldurchgänge der fünften Oberwelle. Die fünfte Oberwelle soll vorliegend als Arbeitswelle genutzt werden. Der vorgeschlagene Rotor wirkt mit einem Stator zusammen. Zwischen beiden herrscht im Betrieb ein elektromagnetischer Fluss. Analytisch kann der elektromagnetische Fluss in eine Grundwelle und verschiedene Oberwellen zerlegt werden.
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Die gemäß 1 vorgeschlagene Ausführungsform eines Käfigläufers mit Serienschaltung und einem bestimmten Abstand der Stäbe des Rotors voneinander führt zu einer starken Reduzierung oder vollständigen Auslöschung von unerwünschten Harmonischen des elektromagnetischen Flusses im Luftspalt der elektrischen Maschine. Wenn wie in 1 gezeigt, die Rotorstäbe in Serie verschaltet werden, wird nur die Arbeitswelle in die Rotorwicklung induziert. Andere unerwünschte Oberwellen, selbst dann, wenn sie in jeden Rotorstab induziert werden, werden ausgelöscht im resultierenden induzierten Fluss. Daher führt der vorgeschlagene Aufbau des Rotors gemäß dem Beispiel von 1 dazu, dass die induzierten Ströme und das resultierende parasitäre Drehmoment sowie Ohm'sche Verluste auf Grundlage dieser unerwünschten Oberwellen praktisch auf Null reduziert werden. Damit beseitigt die vorgeschlagene Rotortopologie diejenigen negativen Effekte der vom Stator hervorgerufenen Harmonischen, wenn im Stator konzentrierte Wicklungen verwendet werden, beispielsweise ein 12/10-Aufbau einer Wicklung für eine Maschine mit 12 Nuten und zehn Polen.
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Beschreibt man den magnetischen Fluss zwischen zwei Rotorstäben zu
wobei ν die Ordnungszahl der Oberwelle ist, so kann man mathematisch herleiten, dass die unerwünschten Oberwellen ausgelöscht werden. Es ergeben sich folgende Gleichungen:
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Während im Falle der herkömmlichen Parallelschaltung aller Stäbe des Rotors in jeden Stab ein Rotorstrom induziert wurde, der abhängig von Widerstand, Induktivität und induzierter Spannung war, so erkennt man anhand der Serienschaltung von 2, dass alle diese Rotorströme der Stäbe nunmehr ebenfalls in Serie geschaltet sind. Aus den vorherigen Betrachtungen ist ersichtlich, dass bei einem Rotor, dessen Stäbe des Käfigläufers in Serie anstelle parallel geschaltet sind eine deutliche Reduzierung unerwünschter Oberwellen der magnetomotorischen Kraft erzielt werden können. Wählt man zusätzlich die Anzahl der Rotorstäbe als doppelt so groß wie die Ordnungszahl der als Arbeitswelle gewählte Welle, und einen Abstand der Stäbe voneinander gleich wie der Polabstand, so führt dies zu einer maximalen Kopplung zwischen der Rotorwicklung und dem Stator beziehungsweise der vom Stator hervorgerufenen magnetomotorischen Kraft. Die Kopplung für praktisch alle unerwünschten Harmonischen wird deutlich reduziert oder gar Null.
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Dadurch wird ein hohes Drehmoment bei geringen Rotorverlusten erzielt. Der Weg für die Asynchronmaschine mit konzentrierter Wicklung im Stator und hohem Wirkungsgrad wird eröffnet.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des elektrisch leitfähigen Anteils eines Käfigläufers mit zwei Endringen und dazwischen angeordneten Stäbe, die axial ausgerichtet, parallel angeordnet und Entlang des Umfangs gleich verteilt sind.
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In den Ausführungen der 1 und 2 wurde lediglich ein Wicklungssystem im Rotor gezeigt, nämlich mit zehn Stäbe. Das Prinzip kann jedoch auch auf mehrere Wicklungssysteme im Rotor ausgedehnt werden, wie die nachfolgenden 4 und 5 zeigen. Dabei werden auch die für die vorgeschlagene Serienschaltung im Rotor möglichen Anpassungen an den Endringen an einem Beispiel verdeutlicht.
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4 zeigt den Querschnitt eines Rotors mit zwei zueinander verschobenen Wicklungssystemen. Nach der Theorie der Wechselstrommaschine ist es damit möglich, einen kontinuierlichen Fluss über der Zeit und ein kontinuierliches Drehmoment über der Zeit im Rotor zu erzielen. Jedem Wicklungssystem ist dabei die Eigenschaft gemeinsam, dass die Anzahl der Stäbe eines Wicklungssystems gleich der doppelten Ordnung der als Arbeitswellen genutzten Oberwelle gewählt ist. Zudem entspricht der Abstand der Stäbe in einem Wicklungssystem voneinander gerade der Polteilung.
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In 4 sind die innenliegend eingezeichneten Verbindungen an einem axialen Ende des Rotors ausgeführt. Die außen eingezeichneten Verbindungen sind am anderen axialen Ende des Rotors ausgeführt.
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4 zeigt die Stirnseite des Rotors, das heißt den Blick in axialer Richtung. Der Rotorkern umfasst eine kreisförmige Scheibe 11, die eine Achse 12 des Rotors umschließt. Entlang des Umfangs 13 des Rotorkerns 11 sind zwei Wicklungssysteme mit jeweils zehn Stäbe angeordnet, wobei die beiden Wicklungssysteme um den halben Abstand der Stäbe eines Wicklungssystem zueinander verschoben sind. In dem Beispiel von 4 sind die Enden der Rotorstäbe jeweils in weiß dargestellt und mit Bezugszeichen 14 versehen. Die Rotorstäbe enden abwechselnd innen und außen entlang des Umfangs in radialer Richtung, wobei gegenüberliegend jeweils isolierendes Material 15 eingebracht ist. Die elektrische Verbindung der Enden der Rotorstäbe ist durch Linien angedeutet und nachfolgend anhand der abgewickelten Darstellung von 5 leichter erkennbar.
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Es ist anhand von 5 deutlich erkennbar, dass die beiden Wicklungssysteme jeweils eine Serienschaltung aller Stäbe dieses Wicklungssystems, das heißt in diesem Beispiel von je zehn Stäbe umfassen. Die Wicklungssysteme sind dabei durch unterschiedliche Schraffur der Stäbe voneinander unterschieden.
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Jedes der beiden Wicklungssysteme von 5 hat den gleichen Aufbau wie gemäß 1 bereits erläutert.
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Die Ausführung gemäß 4 und 5 hat gegenüber der Ausführung von 1 den zusätzlichen Vorteil, dass ein konstanter Fluss über der Zeit erzielt werden kann. Wie bei der Ausführung von 1 ist auch bei der Ausführung gemäß 4 und 5 der Käfigläufer dahingehend zu verstehen, dass jeder Stab eine Windung des Wicklungssystems repräsentiert, wobei der Käfigläufer dadurch gekennzeichnet ist, dass die Spulen im Spezialfall die Windungszahl 1 aufweisen.
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6A bis 6D zeigen an je einem Ausführungsbeispiel eine konzentrierte Wicklung, wie sie mit dem vorgeschlagenen Rotor vorteilhaft verwendbar ist. Allen Wicklungen der vier Ausführungsbeispiele der 6A bis 6D ist es gemeinsam, dass ein elektrisches Dreiphasensystem mit den Phasen A, B, C eingesetzt wird. Eine konzentrierte Wicklung zeichnet sich dabei vorliegend dadurch aus, dass eine Wicklung stets um genau einen Zahn des Stators, der zwischen benachbarten Nuten gebildet ist, bewickelt ist. Plus und Minus geben jeweils den Wicklungssinn der elektrischen Spulen an.
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6A zeigt eine konzentrierte Zweischichtwicklung mit sechs Nuten im Stator.
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6B betrifft eine konzentrierte Wicklung mit neun Nuten im Stator.
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Eine konzentrierte Wicklung mit 12 Nuten im Stator zeigt 6C.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 6D ist eine konzentrierte Wicklung mit 18 Nuten im Stator gezeigt. Diese weist zwei unterschiedliche Wicklungssysteme auf. Das erste Wicklungssystem bezeichnet die drei Stränge mit A1, B1, C1, während das zweite Wicklungssystem die Stränge A2, B2, C2 umfasst, wobei die Stränge A, B, C jeweils elektrischen Phasen eines an die Statorwicklung anschließbaren Drehstromsystems zugeordnet werden können.
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In 7 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Oberwellen angegeben, welches unten entlang der Achse die Stäbe 1 bis 10 des Rotors von 1 umfasst. An den zehnten Stab 10 des Rotors schließt sich wiederum der erste Stab 1 an. Da der Rotor in abgewickelter Darstellung gezeigt ist, sind insgesamt 360° oder 2π des Rotorwinkels dargestellt. Der Abstand benachbarter Stäbe 1, 2 beträgt π/pR. Die punktierte Linie, deren Periodizität 2π beträgt, ist die Grundwelle der magnetomotorischen Kraft, das heißt des elektromagnetischen Flusses, und ist mit ν = 1 bezeichnet. Die fünfte Arbeitswelle ist mit Kreisen dargestellt und soll bei dem Beispiel gemäß 1 als Arbeitswelle genutzt werden. Diese Oberwelle ist mit ν = 5 bezeichnet.
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Die siebte Harmonische schließlich ist mit einer durchgezogenen Linie dargestellt und mit ν = 7 bezeichnet. Für die erste, fünfte und siebte Harmonische ist jeweils die Flussdichte im Luftspalt in 7 aufgetragen.
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Es kann mathematisch gezeigt werden, dass für ν = pR, das heißt für die Arbeitswelle, der Koppelfaktor maximal ist, welches eine hohe Drehmomentfähigkeit gewährleistet. Der Kopplungsfaktor der ν-ten Harmonischen der magnetomotorischen Kraft des Stators ist mit
beschrieben.
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Die 8 bis 14 zeigen ein Ausführungsbeispiel nach dem vorgeschlagenen Prinzip, bei dem der Stator gemäß der Ausführung von 6A bewickelt ist. Es handelt sich um ein konzentriertes Wicklungssystem im Stator mit drei Phasen. Eine Zweischichtwicklung hat den Wicklungsfaktor q = 0,5, die Wicklung ist für 6 Nuten und 4 Pole ausgelegt. Der Rotor hat 24 Stäbe.
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Während 8 die Geometrie der Maschine zeigt, die den Stator 16 und den Rotor 17 umfasst, zeigen die 9 bis 14 Simulationsergebnisse dieses Beispiels.
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Im Einzelnen zeigt 9 die Harmonischen der Maschine, 10 das elektromagnetische Drehmoment, 11 die Aluminiumverluste im Rotor, 12 der Wirkungsgrad, 13 die Ströme in den Stäbe und 14 die Statorströme. Dabei werden jeweils der konventionelle Rotor, das heißt ein Kurzschluss-Käfigläufer mit zwei Kurzschlussringen an jedem Ende, resultierend in einer Parallelschaltung aller Stäbe, und der neue Rotor mit einer Serienschaltung aller Rotor-Stäbe eines Rotor-Wicklungssystems miteinander verglichen.
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Die überragenden Eigenschaften des vorgeschlagenen Rotors im Zusammenwirken mit einer konzentrierten Wicklung werden dabei sehr deutlich. Man erkennt insbesondere das deutlich höhere Drehmoment, den gleichmäßigeren Drehmomentverlauf, die geringeren Verluste im Aluminium, den höheren Wirkungsgrad, die gleichmäßigeren Ströme in den Stäbe mit geringerem Ausschlag und leicht verringerte Statorströme in fast dem gesamten Drehzahlbereich der Maschine.
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15 bis 21 illustrieren ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit einem Rotor nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Wicklung im Stator 18 entspricht derjenigen von 6B, das heißt eine konzentrierte Wicklung mit neun Nuten und 8 Polen. Der Rotor 19 von 15 weist insgesamt 48 Rotorstäbe auf.
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16 zeigt die zugehörige Verteilung der magnetomotorischen Kraft über die Ordnungszahl der Harmonischen.
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17 bis 21 illustrieren wiederum das elektromagnetische Drehmoment über der Drehzahl, die Aluminium-Verluste des Rotors über der Drehzahl, den Wirkungsgrad über der Drehzahl, die Ströme der Stäbe über der Zeit in Millisekunden sowie die Statorströme über der Drehzahl des Rotors, jeweils im Vergleich des Rotors nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit einem herkömmlichem Kurzschluss-Käfigläufer. Die Ergebnisse des vorigen Ausführungsbeispiels bestätigen sich qualitativ.
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Ein drittes Beispiel einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip ist in den 22 bis 28 gezeigt, wobei in den Stator 20 ein Wicklungssystem gemäß 6C eingelegt ist. Dieser Stator weist 12 Nuten auf und ist für 10 Pole ausgelegt. Der in den Stator eingebrachte und dazu drehbar gelagerte Rotor 21 ist ein Käfigläufer mit 60 Rotorstäben. 22 zeigt den Aufbau der Maschine im Querschnitt, 23 illustriert die Harmonischen der magnetomotorischen Kraft und in den 24 bis 28 sind wiederum die elektrischen Charakteristika der Maschine wie bei den vorherigen beiden Beispielen und mit dem qualitativ gleichen Ergebnis aufgeführt.
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Dieses qualitative Ergebnis bestätigt auch das vierte Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine nach dem vorgeschlagenen Prinzip, welches in den 29 bis 35 dargestellt wird. 29 zeigt wiederum einen Querschnitt der elektrischen Maschine, die einen Stator 22 und einen Rotor 23 umfasst. Der Stator 22 hat bei diesem Beispiel 18 Nuten und trägt eine elektrische Wicklung gemäß der Ausführung von 6D. Die Wicklung ist für 18 Nuten und zehn Pole ausgelegt. Der Rotor 23 weist 60 Rotorstäbe auf.
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30 zeigt wiederum die Verteilung der Harmonischen der magnetomotorischen Kraft, und 31 bis 35 zeigen anhand von Schaubildern die Verläufe des elektromagnetischen Drehmoments in 31, der Verluste im Aluminium des Rotors in 32, den Wirkungsgrad in 33, die Ströme in den Stäbe des Rotors in 34 und Statorströme in 35.
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An allen diesen Beispielen zeigt sich sehr deutlich, dass der vorgeschlagene Rotor für eine Asynchronmaschine sehr gut geeignet ist, um in einem Stator konzentrierte Wicklungen einzubringen und trotzdem eine Asynchronmaschine zu schaffen, die herausragend für industrielle Anwendungen geeignet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1 bis 10
- Stäbe
- 11
- Rotor
- 12
- Achse
- 13
- Rotorumfang
- 14
- Rotorstab-Ende
- 15
- Isolation
- 16
- Stator
- 17
- Rotor
- 18
- Stator
- 19
- Rotor
- 20
- Stator
- 21
- Rotor
- 22
- Stator
- 23
- Rotor
- A
- elektrischer Strang
- B
- elektrischer Strang
- C
- elektrischer Strang
- +
- positiver Wicklungssinn
- –
- negativer Wicklungssinn
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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