DE102012212870A1

DE102012212870A1 - Feldspule für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102012212870A1
Application number: DE102012212870A
Authority: DE
Inventors: Lei Hao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2013-01-31
Anticipated expiration: 2032-07-24
Also published as: US8729765B2; CN102904361A; US20130026875A1; CN102904361B; DE102012212870B4

Abstract

Ein Feldspulensegment für eine elektrische Maschine, die einen Rotor und einen Stator enthält, enthält ein erstes Drahtelement mit einer ersten Querschnittsfläche, das mit einem zweiten Drahtelement mit einer zweiten Querschnittsfläche, die größer als die erste Querschnittsfläche ist, elektrisch parallel verbunden ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Feldspulen für elektrische Maschinen.
HINTERGRUND
Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit. Entsprechend sind diese Aussagen nicht dazu gedacht, eine Anerkennung des Standes der Technik zu bilden.
Eine elektrisch betriebene Maschine formt elektrische Leistung in ein mechanisches Drehmoment um, indem sie mit einer Feldspule rotierende Magnetfelder zwischen einem statischen Element, d. h. einem Stator, und einem drehbaren Element, d. h. einem Rotor induziert. Die rotierenden Magnetfelder bringen ein Drehmoment auf den Rotor auf. Das Drehmoment wird durch Leiterstäbe an eine Welle übertragen, die mit dem Rotor verbunden ist. Die Feldspule kann dem Stator zugeordnet sein.
Bekannte elektrisch betriebene Maschinen enthalten einen Rotor mit einem Stapel oder Paket aus Stahlblechen, die auf einer drehbaren Welle montiert sind, und einer Vielzahl von Leiterstäben, die aus einem leitfähigen Material hergestellt sind, z. B. Kupfer oder Aluminium. Die Leiterstäbe sind vorzugsweise an beiden axialen Enden des Rotors unter Verwendung von Kurzschlussendringen verbunden. Bekannte Feldspulen induzieren Stromflüsse durch die Leiterstäbe auf dem Rotor hindurch, die vorzugsweise parallel zu einer Rotationsachse des Rotors sind.
Ein bekannter Stator enthält Feldspulen zum Leiten eines Versorgungsstroms, um das Magnetfeld zu induzieren. Die Anzahl der Feldspulen kann variieren und diese sind vorzugsweise paarweise angeordnet. Die häufigsten Arten von elektrischen Maschinen werden mit einphasiger oder dreiphasiger elektrischer Leistung betrieben. Eine einphasige elektrische Maschine benötigt einen Starter, um mit dem Drehen des Rotors zu beginnen, da das Magnetfeld nicht rotiert. Eine dreiphasige elektrische Maschine dreht den Rotor ohne einen Starter durch ein sequentielles Rotieren des Magnetfelds zwischen den Phasen der Feldspulen.
Bekannte Feldspulen sind aus Draht gewickelt oder aus Stäben gewickelt. Eine aus Draht gewickelte Feldspule wird aus Bündeln von elektrisch leitfähigen Drähten mit kleinem Durchmesser, die in den Stator eingeführt werden, erzeugt. Eine aus Stäben gewickelte Feldspule wird aus einer Reihe von Stäben aus einem elektrisch leitfähigen Material erzeugt, die in den Stator eingeführt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Feldspulensegment für eine elektrische Maschine, die einen Rotor und einen Stator enthält, enthält ein erstes Drahtelement mit einer ersten Querschnittsfläche, das elektrisch parallel mit einem zweiten Drahtelement verbunden ist, das eine zweite Querschnittsfläche aufweist, die größer als die erste Querschnittsfläche ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 die Ansicht einer Teilsektion eines Querschnitts einer elektrischen Maschine, die einen Stator und einen Rotor enthält, gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt;
2-1 bis 2-6 jeweils eine Wicklungsanordnung für ein Feldspulensegment gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellen;
3 eine Zunahme beim AC-Widerstandswert (Ohm) über einen Frequenzbereich (Hz) hinweg für ein einzelnes großes Drahtelement, ein kleines Drahtelement, parallele Drahtelemente mit gleicher Größe und große und kleine parallele Drahtelemente gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt;
4 einen AC-Widerstandswert (Ohm) in Bezug auf eine Frequenz (Hz) für Drahtelemente in einer ersten Anordnung, einer zweiten Anordnung, einer dritten Anordnung und einer vierten Anordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt; und
5 den Wirkungsgrad als einen Prozentsatz in Bezug auf die Frequenz (Hz) für Drahtelemente mit einer ersten Variante, einer zweiten Variante und einer dritten Variante gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt.
GENAUE BESCHREIBUNG
Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, in denen das Gezeigte nur zum Darstellen bestimmter beispielhafter Ausführungsformen gedacht ist und nicht zum Beschränken derselben, veranschaulicht 1 eine Ansicht einer Teilsektion durch eine dreiphasige elektrische Maschine 12, die einen Stator 10 und einen Rotor 22 enthält. Es ist festzustellen, dass die Offenbarung, obwohl dreiphasige elektrische Maschinen im Detail erörtert werden, nicht darauf begrenzt ist und zusätzliche Phasenschemata, bei denen ähnliche Vorteile erreicht werden, verwendet werden können.
Der Rotor 22 weist eine Rotationsachse 36 um einen Punkt herum auf, und ist durch eine Reihe von beschichteten, gestapelten Stahlplatten 32 und eine Vielzahl von Leiterstäben 34 empfänglich für ein Magnetfeld. Der Rotor 22 ist um die Rotationsachse 36, die konzentrisch zu einer Welle 25 ist, drehbar. Der Stator 10 ist eine kreisringförmige Vorrichtung, die konzentrisch zu der Rotationsachse 36 ist und eine Vielzahl von mit Bezug auf die Rotationsachse 36 radial ausgerichteten Nuten 16 enthält, die jeweils eine Form und Größe so aufweisen, dass sie eine elektrisch leitfähige Wicklung aufnehmen, die hier als Feldspulensegment 14 bezeichnet wird. Die Vielzahl von Feldspulensegmenten 14 sind als Elemente des Stators 10 dargestellt, aber es ist festzustellen, dass die hier beschriebenen Konzepte auch auf elektrische Maschinen zutreffen, welche die Feldspulensegmente 14 als Elemente eines Rotors verwenden.
Die Feldspulensegmente 14 sind elektrisch so angeordnet, dass sie geeignete Feldspulen ausbilden, die zwischen einem Schaltkreis 30 und einer Senke 19, wie mit Bezug auf 3 gezeigt ist, elektrisch verbunden sind. Jede Phase enthält mindestens ein Paar einander gegenüberliegender Feldspulen, die einen Magnetpol erzeugen können. Die phasenbezogene Leistung kann in einer einzigen Phase oder in mehreren Phasen geliefert werden, wobei dreiphasig eine geläufige mehrphasige Konfiguration ist. Die einphasige Konfiguration enthält ein Paar einander gegenüberliegender Feldspulen für jeden Magnetpol und die dreiphasige Konfiguration enthält drei Paare einander gegenüberliegender Feldspulen für jeden Magnetpol. Zum Beispiel weist ein Stator mit einer Phase und einem Pol ein Paar einander gegenüberliegender Feldspulen auf und ein Stator mit einer Phase und drei Polen weist drei Paare einander gegenüberliegender Feldspulen auf. Auf ähnliche Weise weist ein Stator mit drei Phasen und einem Pol drei Paare einander gegenüberliegender Feldspulen auf und ein Stator mit drei Phasen und drei Polen weist neun Paare einander gegenüberliegender Feldspulen auf. Dreiphasige elektrische Maschinen sind in der Lage, eine Rotation im Rotor 22 ohne eine Startervorrichtung zu erzwingen, wohingegen einphasige elektrische Maschinen eine Startervorrichtung benötigen.
Wie gezeigt, ist die elektrische Maschine 12, die den Stator 10 enthält, so angeordnet, dass sie einen Satz von einander gegenüberliegenden Feldspulen 24 der ersten Phase, einen Satz von einander gegenüberliegenden Feldspulen 26 der zweiten Phase und einen Satz von einander gegenüberliegenden Feldspulen 28 der dritten Phase enthält, die um einen Umfang des Stators 10 herum relativ zu der Rotationsachse 36 in nächster Nähe zum Rotor 22 und von diesem durch einen Luftspalt getrennt sequentiell angeordnet sind. Jeder Satz der Feldspulen 24 der ersten Phase, der Feldspulen 26 der zweiten Phase und der Feldspulen 28 der dritten Phase ist zwischen einer Leistungsquelle und einer Senke elektrisch verbunden, z. B. einer dreiphasigen Schaltung und einer Senke, die mit Bezug auf 3 gezeigt sind.
Jede der Feldspulen 24 der ersten Phase, der Feldspulen 26 der zweiten Phase und der Feldspulen 28 der dritten Phase ist durch ein elektrisches Verbinden von gewählten Feldspulensegmenten 14 ausgebildet. Dies umfasst das serielle Verbinden entsprechender Drahtelemente für die Feldspulensegmente 14, die den Feldspulen 24 der ersten Phase zugeordnet sind, das serielle Verbinden entsprechender Drahtelemente für die Feldspulensegmente 14, die den Feldspulen 26 der zweiten Phase zugeordnet sind und das serielle Verbinden entsprechender Drahtelemente für die Feldspulensegmente 14, die den Feldspulen 28 der dritten Phase zugeordnet sind. Derartige Verbindungen sind bekannt und werden hier nicht im Detail erörtert. Die seriell verbundenen Drahtelemente der Feldspulen 24 der ersten Phase, der Feldspulen 26 der zweiten Phase und der Feldspulen 28 der dritten Phase sind jeweils elektrisch parallel zwischen einer Leistungsquelle und einer Senke verbunden.
Bei der Ausführungsform, die mit Bezug auf 1 gezeigt ist, weist jedes Feldspulensegment 14 zwei kleine Drahtelemente 18 und zwei große Drahtelemente 20 auf. Die kleinen Drahtelemente 18 und die großen Drahtelemente 20 sind in einer Stapelformation relativ zu radialen Linien angeordnet, die orthogonal zu der Rotationsachse 36 verlaufen. Das kleine Drahtelement 18 weist eine Querschnittsfläche auf, die kleiner als die Querschnittsfläche des großen Drahtelements 20 ist. Die kleinen Drahtelemente 18 sind vorzugsweise proximal relativ zum Rotor 22 und zu der Rotationsachse 36 und die großen Drahtelemente 20 sind vorzugsweise distal relativ zum Rotor 22 und der Rotationsachse 36. Es ist festzustellen, dass die Querschnittsformen der kleinen und großen Drahtelemente 18 bzw. 20 eine beliebige geeignete Querschnittsform sein können, z. B. rund, quadratisch oder rechteckig. Es ist festzustellen, dass jede Querschnittsfläche für eine Ebene angegeben ist, die orthogonal zum elektrischen Stromfluss ist. Obwohl die Feldspulensegmente 14 so beschrieben sind, dass sie auf einem Stator 10 angeordnet sind, ist die Offenbarung nicht darauf beschränkt und zieht außerdem Feldspulensegmente 14 in Betracht, die auf dem Rotor 22 angeordnet sind.
2-1 bis 2-6 stellt jeweils auf schematische Weise eine Wicklungsanordnung für ein einzelnes Feldspulensegment 14 dar, das in eine Nut 16 des Rotors 10 eingeführt ist, wobei jede Figur eine andere Wicklungsanordnung darstellt. Es versteht sich, dass die dargestellten Feldspulensegmente 14 und die zugehörigen Wicklungsanordnungen nicht umfassend sind, sondern Wicklungsanordnungen von Feldspulensegmenten 14 darstellen, die verwendet werden können.
2-1 bis 2-6 stellt jeweils auf schematische Weise eine Wicklungsanordnung für ein Feldspulensegment dar, die kleine Drahtelemente 18, große Drahtelemente 20 und bei einigen der Darstellungen mittlere Drahtelemente 38 enthält. Es ist festzustellen, dass die Begriffe klein, groß und mittel relative Dimensionen für Querschnittsflächen angeben. Die Wicklungsanordnungen für Feldspulensegmente, die mit Bezug auf 2-1 bis 2-6 gezeigt sind, dienen der Veranschaulichung. Es werden andere Wicklungsanordnungen für die Feldspulensegmente 14, die in einem radial ausgerichteten Stapel angeordnet sind und in eine der Nuten 16 eingeführt sind, welche kleine, mittlere und große Drahtelemente konsistent mit der Offenbarung verwenden, in Betracht gezogen.
2-1 zeigt auf schematische Weise eine erste Wicklungsanordnung für ein einzelnes der Feldspulensegmente 14, das in eine der Nuten 16 eingeführt ist. Die erste Wicklungsanordnung enthält einen radial ausgerichteten Stapel mit zwei benachbarten kleinen Drahtelementen 18 proximal zum Rotor 22 und zwei benachbarten großen Drahtelementen 20 distal zum Rotor 22. Die zwei kleinen Drahtelemente 18 und die zwei großen Drahtelemente 20 sind zwischen einer Leistungsquelle und einer Senke elektrisch parallel verbunden.
2-2 zeigt auf schematische Weise eine zweite Wicklungsanordnung für ein einzelnes der Feldspulensegmente 14, das in eine der Nuten 16 eingeführt ist. Die zweite Wicklungsanordnung enthält einen radial ausgerichteten Stapel mit zwei kleinen Drahtelementen 18 und zwei großen Drahtelementen 20, die in einer abwechselnden Reihenfolge angeordnet sind, wobei ein erstes der kleinen Drahtelemente 18 proximal zum Rotor 22 ist, ein erstes der großen Drahtelemente 20 dazu benachbart ist, ein zweites der kleinen Drahtelemente 18 benachbart zum ersten der großen Drahtelemente 20 ist und ein zweites der großen Drahtelemente 20 distal zum Rotor 22 ist. Die zwei kleinen und die zwei großen Drahtelemente 18, 20 sind zwischen einer Leistungsquelle und einer Senke elektrisch parallel verbunden.
2-3 zeigt auf schematische Weise eine dritte Wicklungsanordnung für eines der Feldspulensegmente 14, das in eine der Nuten 16 eingeführt ist. Die dritte Wicklungsanordnung enthält einen radial ausgerichteten Stapel, der das kleine Drahtelement 18, ein mittleres Drahtelement 38 und das große Drahtelement 20 enthält. Das kleine Drahtelement 18 ist proximal zum Rotor 22, wobei das mittlere Drahtelement 38 dazu benachbart ist, gefolgt von dem großen Drahtelement 20 distal zum Rotor 22. Das kleine, das mittlere und das große Drahtelement 18, 38 bzw. 20 sind zwischen einer Leistungsquelle und einer Senke elektrisch parallel verbunden.
2-4 zeigt auf schematische Weise eine vierte Wicklungsanordnung für eines der Feldspulensegmente 14, das in eine der Nuten 16 eingeführt ist. Die vierte Wicklungsanordnung enthält einen radial ausgerichteten Stapel mit dem kleinen Drahtelement 18 proximal zum Rotor 22, gefolgt von zwei der mittleren Drahtelemente 38 und dem großen Drahtelement 20 distal zum Rotor 22. Das kleine, die mittleren und das große Drahtelement 18, 38, 20 sind zwischen einer Leistungsquelle und einer Senke elektrisch parallel verbunden.
2-5 zeigt auf schematische Weise eine fünfte Wicklungsanordnung für eines der Feldspulensegmente 14, das in eine der Nuten 16 eingeführt ist. Die fünfte Wicklungsanordnung enthält einen radial ausgerichteten Stapel mit zwei kleinen Drahtelementen 18, die in der Nut nebeneinander proximal zum Rotor 22 benachbart zu einem der zwei gestapelten großen Drahtelemente 20 angeordnet sind. Die kleinen und großen Drahtelemente 18, 20 sind zwischen einer Leistungsquelle und einer Senke elektrisch parallel verbunden.
2-6 zeigt auf schematische Weise eine sechste Wicklungsanordnung für eines der Feldspulensegmente 14, das in eine der Nuten 16 eingeführt ist. Die sechste Wicklungsanordnung enthält einen radial ausgerichteten Stapel mit zwei kleinen Drahtelementen 18, die nebeneinander proximal zum Rotor 22 angeordnet sind, wobei ein mittleres Drahtelement 38 dazu benachbart ist. Ein großes Drahtelement 20 ist benachbart zu dem mittleren Drahtelement 38 und ist distal zum Rotor 22. Die kleinen, das mittlere und das große Drahtelement 18, 38 bzw. 20 sind zwischen einer Leistungsquelle und einer Senke elektrisch parallel verbunden.
Bei jeder der Wicklungsanordnungen, die mit Bezug auf 2-1 bis 2-6 dargestellt sind, sind die entsprechenden Drahtelemente für die Feldspulensegmente 14, die jeder Phase zugeordnet sind, vorzugsweise in Reihe verbunden, und die in Reihe verbundenen Drahtelemente sind zwischen einer Leistungsquelle und einer Senke elektrisch parallel verbunden. Dies ist in 3 schematisch gezeigt.
3 zeigt auf schematische Weise ein Verdrahtungsdiagramm der Feldspulen 24 der ersten Phase, der Feldspulen 26 der zweiten Phase und der Feldspulen 28 der dritten Phase, die jeweils aus einer Vielzahl von seriell verbundenen Feldspulensegmenten 14 aufgebaut sind, welche die kleinen Drahtelemente 18 und die großen Drahtelemente 20 verwenden. Die kleinen Drahtelemente 18 und die großen Drahtelemente 20 der Feldspulensegmente 14 sind in einer der vorstehend erwähnten Wicklungsanordnungen für einen Stator einer beispielhaften dreiphasigen elektrischen Maschine 12 angeordnet, die mit einer Leistungsquelle verbunden ist, die einen Schaltkreis 30 enthält. Die kleinen und großen Drahtelemente 18, 20 sind zwischen dem Schaltkreis 30 und einer Senke 19 elektrisch parallel verbunden. Der Schaltkreis 30 leitet einen elektrischen Strom durch eine der drei Phasen, vorzugsweise in einer sequentiellen Reihenfolge, um aufeinander folgende Magnetfelder in jeder der ersten, zweiten und dritten Feldspulen 24, 26, 28 zu erzeugen. Jede der ersten, zweiten und dritten Feldspulen 24, 26 und 28 enthält die kleinen Drahtelemente 18 und die großen Drahtelemente 20. Beispielsweise kann der Schaltkreis 30 ein dreiphasiger Schaltkreis oder ein Gleichrichter/Wechselrichter sein, der die Amplitude und die Frequenz eines elektrischen Stroms steuert, der durch die ersten, zweiten und dritten Feldspulen 24, 26 bzw. 28 fließt, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, das auf einen Rotor einwirkt.
Der Rotor ist magnetisch empfänglich und wird zur Rotation um die Rotationsachse 36 herum gezwungen, um sich auf einen Magnetpol auszurichten, wenn der Magnetpol erzeugt wird. Der elektrische Strom, der von dem Schaltkreis 30 geliefert wird, bewirkt, dass die Magnetpole um den Stator 10 herum rotieren. Die Rotation der Magnetpole bewirkt, dass sich der Rotor auf den erzeugten rotierenden Magnetpol ausrichtet. Das Erzeugen rotierender Magnetpole zwingt den Rotor daher zur Rotation, wenn der Schaltkreis 30 einen elektrischen Strom sequentiell durch jede der ersten, zweiten und dritten Feldspulen 24, 26 bzw. 28 steuert. Eine Drehzahl des Rotors wird durch die Frequenz des elektrischen Stroms gesteuert, der vom Schaltkreis 30 ausgegeben wird.
Jedes Drahtelement weist einen internen Wechselstromwiderstandswert (AC-Widerstandswert) auf, der von einem Skin-Effekt beeinflusst wird. Der Skin-Effekt ist die Tendenz des elektrischen Stroms, in der Nähe der Oberfläche eines Drahtelements zu fließen, wenn die Frequenz zunimmt. Ein Drahtelement mit einer größeren Querschnittsfläche in einer Ebene orthogonal zu einer Stromflussrichtung unterliegt einem größeren Skin-Effekt wegen einer größeren Oberfläche als ein Drahtelement mit einer kleineren Querschnittsfläche wegen einer kleineren Oberfläche. Der Skin-Effekt wird im Hinblick auf eine Skin-Tiefe erörtert, welche die Tiefe des fließenden elektrischen Stroms von einem Rand der Drahtelemente aus ist. Wenn die Frequenz des Stroms ansteigt, nimmt die Skin-Tiefe ab, da der Strom versucht, in der Nähe der Oberfläche zu fließen, wodurch in einem Drahtelement ein höherer AC-Widerstandswert verursacht wird. Ein großer Draht weist bei einem Stromtransfer mit niedriger Frequenz einen geringen Skin-Effekt auf, was ermöglicht, dass die Skin-Tiefe den Draht durchdringt, was zu einem insgesamt niedrigen AC-Widerstandswert führt.
Das Erhöhen der Frequenz des AC-Stroms führt zu einer Zunahme des Skin-Effekts aufgrund der großen Oberfläche des großen Drahtelements, wodurch die Skin-Tiefe verringert wird und der AC-Widerstandswert erhöht wird. Ein kleineres Drahtelement weist einen kleinen Skin-Effekt bei niedrigen Frequenzen mit einem resultierenden niedrigen AC-Widerstandswert auf, aber es ist aufgrund seiner kleineren Querschnittsfläche nicht in der Lage, so viel Strom wie ein größerer Draht zu übertragen. Das Erhöhen der Frequenz des AC-Stroms erhöht den Skin-Effekt wegen der kleinen Oberfläche des kleinen Drahtelements um einen kleinen Betrag. Das kleine Drahtelement weist einen geringen Skintiefenverlust und einen geringeren Anstieg beim AC-Widerstandswert auf. Somit leitet bei höheren Frequenzen das kleine Drahtelement mehr Strom als das größere Drahtelement.
Der effektive AC-Widerstandswert, der durch den Skin-Effekt verursacht wird, wird durch die folgende Gleichung angenähert: R ≈ (L·ρ)/(π·(D – δ)·δ) [1] wobei L die Drahtlänge ist,
ρ der Materialwiderstandswert ist,
D der Drahtdurchmesser ist und
δ die effektive Skin-Tiefe ist.
Eine Analyse unter Verwendung von Gleichung 1 zeigt an, dass der AC-Widerstandswert aufgrund des Skin-Effekts bei einem Betrieb mit niedriger Frequenz von größeren Drahtelementen beeinflusst wird, wohingegen der AC-Widerstandswert aufgrund des Skin-Effekts bei einem Betrieb mit hoher Frequenz von kleineren Drahtelementen beeinflusst wird.
4 ist ein Datengraph, der den AC-Widerstandswert (Ohm) 80 in Bezug auf eine Frequenz (Hz) 90 für Drahtelemente in einer ersten Anordnung 82, einer zweiten Anordnung 84, einer dritten Anordnung 86 und einer vierten Anordnung 88 aufzeichnet. Die erste Anordnung 82 ist ein einzelnes Drahtelement mit einer relativ großen Querschnittsfläche. Die zweite Anordnung 84 ist ein einzelnes Drahtelement mit einer relativ kleinen Querschnittsfläche. Die dritte Anordnung 86 besteht aus zwei Drahtelementen mit der gleichen Querschnittsfläche, die in einer parallelen Schaltung angeordnet sind. Die vierte Anordnung 88 besteht aus zwei Drahtelementen mit einem ersten Draht, der eine relativ kleine Querschnittsfläche aufweist, und einem zweiten Draht, der eine relativ große Querschnittsfläche aufweist. Die erste Anordnung 82 weist bei niedrigen Betriebsfrequenzen einen geringeren AC-Widerstandswert 80 als die zweite Anordnung 84 auf. Die erste Anordnung 82 weist bei niedrigen Betriebsfrequenzen einen größeren AC-Widerstandswert als sowohl die dritte Anordnung 86 als auch die vierte Anordnung 88 auf. Wie angezeigt, steigt der AC-Widerstandswert der ersten Anordnung 82 so an, dass er bei etwa 470 Hz größer als derjenige der zweiten Anordnung 84 ist, und er weist den größten AC-Widerstandswert aller Anordnungen bei höheren Frequenz bis zu mindestens 1200 Hz auf.
Die dritte Anordnung 86 und die vierte Anordnung 88 weisen bei niedrigen Betriebsfrequenzen in etwa den gleichen AC-Widerstandswert auf und beginnen bei etwa 200 Hz zu divergieren. Der AC-Widerstandswert der dritten Anordnung 86 steigt im Verhältnis zu dem AC-Widerstandswert der vierten Anordnung 88 an. Der AC-Widerstandswert der dritten Anordnung 86 ist bei niedrigeren Frequenzen geringer als der AC-Widerstandswert der zweiten Anordnung 84, ist diesem bei etwa 980 Hz gleich und ist danach größer als der AC-Widerstandswert der zweiten Anordnung 84. Der AC-Widerstandswert der vierten Anordnung 88 ist über den berichteten Frequenzbereich hinweg, d. h. 0–1200 Hz, am geringsten. Daher zeigt der Graph keinen Leistungsverlust bei einem niedrigen Frequenzbereich und die beste Leistung bei höheren Frequenzbereichen für die vierte Anordnung 88 an, welche zwei Drahtelemente enthält, mit einem ersten Draht, der eine relativ kleine Querschnittsfläche aufweist, und einem zweiten Draht, der eine relativ große Querschnittsfläche aufweist.

Tabelle 1 stellt eine Beziehung der AC-Widerstandswertverringerung über den Frequenzbereich zwischen 0 Hz und 1200 Hz für elektrische Maschinen bereit, die in der dritten Anordnung 86 (Widerstandswert von Drähten gleicher Größe) und der vierten Anordnung 88 (Widerstandswert von Drähten mit verschiedener Größe) ausgestaltet sind. Tabelle 1

Frequenz (Hz)	Widerstandswert von Drähten verschiedener Größe	Widerstandswert von Drähten gleicher Größe	Widerstandsverhältnis	Verlustreduktion bei Spitzendrehmoment (W)
0	0,0025	0,0025	1,00	0
100	0,0026	0,0026	1,00	0
200	0,0029	0,0030	0,97	–55,87
300	0,0034	0,0037	0,91	–214,02
400	0,0039	0,0047	0,84	–318,27
500	0,0046	0,0059	0,78	–453,40
600	0,0054	0,0074	0,73	–595,42
700	0,0063	0,0092	0,68	–783,50
800	0,0072	0,0111	0,65	–963,79
900	0,0082	0,0133	0,62	–1142,60
1000	0,0093	0,0156	0,59	–1393,60
1100	0,0104	0,0181	0,58	–1622,60
1200	0,0116	0,0207	0,56	–1756,99

Der AC-Widerstandswert der vierten Anordnung 88 und der AC-Widerstandswert der dritten Anordnung 86 sind für jede aufgeführte Betriebsfrequenz gezeigt. Es ist ein AC-Widerstandsverhältnis (Widerstandsverhältnis) berechnet und dies ist ein Verhältnis des Widerstandswerts der dritten Anordnung 86 relativ zu der vierten Anordnung 88 bei jeder Frequenz. Eine Leistungsverlustreduktion (Verlustreduktion bei Spitzendrehmoment (W)) wird bestimmt und ist eine berechnete Leistungsreduktion zwischen einem Betrieb mit der dritten Anordnung 86 relativ zu der vierten Anordnung 88 aufgrund der Veränderung beim Widerstandswert bei unterschiedlichen Frequenzen. Jede Leistungsverlustreduktion weist einen negativen Wert auf, der eine Leistungszunahme angibt, wenn mit der vierten Anordnung 88 relativ zu der dritten Anordnung 86 gearbeitet wird. Das Element mit großem Draht der vierten Anordnung 88 ist bei niedrigen Frequenzen, etwa 0 bis 200 Hz, dominant, da der AC-Widerstandswert zwischen der dritten Anordnung 86 und der vierten Anordnung 88 ähnlich ist. Wenn die Frequenz von etwa 200 Hz an ansteigt, wird der Skin-Effekt für das große Drahtelement der dritten Anordnung 86 relativ zu der vierten Anordnung 88 ausgeprägter. Der Skin-Effekt ist jedoch bei dem kleinen Drahtelement der vierten Anordnung 88 geringer und somit überträgt das kleine Drahtelement den Strom effizienter. Der Skin-Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn die Frequenz ansteigt, wie durch das AC-Widerstandsverhältnis bei 1200 Hz von 0,56 und eine Verlustreduktion bei Spitzendrehmoment von –1765,99 W ersichtlich ist.
5 ist ein Datengraph, der den Wirkungsgrad (%) 100 auf der vertikalen Achse in Bezug auf eine Frequenz (Hz) 102 auf der horizontalen Achse für eine beispielhafte elektrische Maschine aufzeichnet, die mit Feldspulensegmenten 14 konfiguriert ist, welche so angeordnet sind, wie mit Bezug auf 2-1 beschrieben ist, wobei zwei kleinere Drahtelemente proximal zu einem Rotor sind und zwei größere Drahtelemente distal zum Rotor sind.
Die dargestellten Daten enthalten eine erste Variante 104, eine zweite Variante 106 und eine dritte Variante 108, von denen jede mit einem Basis-Feldspulensegment, das einheitlich bemessene Drahtelemente aufweist, verglichen wird. Die erste Variante 104, die zweite Variante 106 und die dritte Variante 108 beruhen jeweils auf einer prozentualen Verringerung und Erhöhung, um kleinere bzw. größere Drahtquerschnitte zu erzeugen, während die gleiche Gesamtmaterialmenge für ein Feldspulensegment beibehalten wird. Bei dem speziellen Beispiel ist der kleinere Drahtquerschnitt den kleinen Drahtelementen zugeordnet und der größere Drahtquerschnitt ist den hier beschriebenen großen Drahtelementen zugeordnet.
Die erste Variante 104 enthält eine Querschnittsfläche des kleinen Drahtelements, die um 4,5% reduziert wurde, und eine Querschnittsfläche des großen Drahtelements, die um 4,5% erhöht wurde. Unterhalb von etwa 300 Hz tritt eine Wirkungsgradverringerung gegenüber dem Basis-Feldspulensegment auf, d. h. etwa –0,5% bei 0,0 Hz. Bei hoher Frequenz, d. h. über etwa 300 Hz, ist ein stetig zunehmender Vorteil bis zu 1200 Hz gezeigt, wobei bei diesem Punkt eine Zunahme des Wirkungsgrads um 3,0% vorliegt.
Die zweite Variante 106 enthält eine Querschnittsfläche des kleinen Drahtelements, die um 9,0% verringert wurde, und eine Querschnittsfläche des großen Drahtelements, die um 9,0% erhöht wurde. Unterhalb von etwa 300 Hz tritt eine Wirkungsgradreduktion gegenüber dem Basis-Feldspulensegment auf, d. h. etwa –1,0% bei 0,0 Hz. Bei hoher Frequenz, d. h. über etwa 300 Hz, ist ein stetig zunehmender Vorteil bis zu 1200 Hz gezeigt, wobei bei diesem Punkt eine Zunahme des Wirkungsgrads um 6,0% vorliegt.
Die dritte Variante 108 enthält eine Querschnittsfläche des kleinen Drahtelements, die um 13,5% reduziert wurde, und eine Querschnittsfläche des großen Drahtelements, die um 13,5% erhöht wurde. Unterhalb von etwa 400 Hz tritt eine Wirkungsgradreduktion gegenüber dem Basis-Feldspulensegment auf, d. h. etwa –2,0% bei 0,0 Hz. Bei hoher Frequenz, d. h. über etwa 400 Hz, ist ein stetig zunehmender Vorteil bis zu 1200 Hz gezeigt, wobei bei diesem Punkt eine Zunahme des Wirkungsgrads um 8,0% realisiert wird.
Es ist festzustellen, dass die Größenveränderung und die dadurch erzielten Vorteile nicht auf die speziellen dargestellten Beispiele begrenzt sind. Es versteht sich außerdem, dass die dargestellten Varianten verwendet werden können, um geeignete Feldspulensegmentgrößen für eine spezielle Anwendung zu wählen. Wenn beispielsweise erwartet wird, dass eine elektrische Maschine bei Drehzahlen betrieben wird, die vorwiegend größer als 800 Hz sind, kann die dritte Variante oder eine größere Querschnittsdifferenz gewählt werden. Wenn jedoch erwartet wird, dass eine elektrische Maschine bei Drehzahlen betrieben wird, die vorwiegend zwischen 300 Hz und 600 Hz liegen, kann entweder die erste Variante oder die zweite Variante gewählt werden.
Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Modifikationen dazu beschrieben. Beim Lesen und Verstehen der Beschreibung können anderen weitere Modifikationen und Veränderungen begegnen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist, die als die beste Art betrachtet werden, um diese Offenbarung auszuführen, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Feldspulensegment für eine elektrische Maschine, die einen Rotor und einen Stator enthält, umfassend: ein erstes Drahtelement mit einer ersten Querschnittsfläche, das mit einem zweiten Drahtelement mit einer zweiten Querschnittsfläche, die größer als die erste Querschnittsfläche ist, elektrisch parallel verbunden ist.
Feldspulensegment nach Anspruch 1, ferner umfassend ein drittes Drahtelement mit einer dritten Querschnittsfläche zwischen der ersten und zweiten Querschnittsfläche, wobei das dritte Drahtelement mit dem ersten und zweiten Drahtelement elektrisch parallel verbunden ist.
Feldspulensegment nach Anspruch 2, wobei sich das erste Drahtelement relativ zu den zweiten und dritten Drahtelementen näher am Rotor der elektrischen Maschine befindet, und sich das dritte Drahtelement relativ zum zweiten Drahtelement näher beim Rotor der elektrischen Maschine befindet.
Feldspulensegment nach Anspruch 1, ferner umfassend ein drittes Drahtelement mit der ersten Querschnittsfläche und ein viertes Drahtelement mit der zweiten Querschnittsfläche, wobei die dritten und vierten Drahtelemente mit den ersten und zweiten Drahtelementen elektrisch parallel verbunden sind.
Feldspulensegment nach Anspruch 4, wobei die Drahtelemente in einem radial ausgerichteten Stapel angeordnet sind, der in eine Nut eingeführt ist, die auf dem Stator der elektrischen Maschine ausgebildet ist.
Feldspulensegment nach Anspruch 5, wobei sich die ersten und dritten Drahtelemente relativ zu den zweiten und vierten Drahtelementen näher beim Rotor der elektrischen Maschine befinden.
Feldspulensegment nach Anspruch 5, wobei sich das erste Drahtelement relativ zu den zweiten, dritten und vierten Drahtelementen näher am Rotor der elektrischen Maschine befindet, sich das zweite Drahtelement relativ zu den dritten und vierten Drahtelementen näher am Rotor der elektrischen Maschine befindet und sich das dritte Drahtelement relativ zu dem vierten Drahtelement näher am Rotor der elektrischen Maschine befindet.
Feldspulensegment nach Anspruch 5, wobei die ersten und dritten Drahtelemente innerhalb der Nut nebeneinander angeordnet sind und sich relativ zu den zweiten und vierten Drahtelementen näher beim Rotor der elektrischen Maschine befinden.
Feldspulensegment nach Anspruch 1, ferner umfassend ein drittes Drahtelement mit der ersten Querschnittsfläche und ein viertes Drahtelement mit einer dritten Querschnittsfläche zwischen der ersten und zweiten Querschnittsfläche, wobei die dritten und vierten Drahtelemente mit den ersten und zweiten Drahtelementen elektrisch parallel verbunden sind.
Feldspulensegment nach Anspruch 9, wobei die ersten und dritten Drahtelemente innerhalb der Nut nebeneinander angeordnet sind und sich relativ zu den zweiten und vierten Drahtelementen näher am Rotor der elektrischen Maschine befinden, und sich das vierte Drahtelement relativ zu dem zweiten Drahtelement näher am Rotor der elektrischen Maschine befindet.