DE102018111104A1 - Stand for an electric machine with six phase windings and electric machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Ständer für eine elektrische Maschine mit n*4 Polen. Der Ständer weist ein Ständerkern mit n*4*3 Nuten und Zähnen sowie eine sechsphasige Ständerwicklung auf, welche derart durch die Nuten verlaufend an dem Ständerkern angeordnet ist, dass jede Phasenwicklung sowohl Pole erster Art (106a, 107a, 106c, 107c, 106e, 107e, 106g, 107g), zu deren Bildung die Phasenwicklung um eine Anzahl von Zähnen gewickelt ist, die dem Verhältnis aus Polteilung und Nutenteilung entspricht, als auch Pole zweiter Art (106b, 106d, 106f, 106h), zu deren Bildung die Phasenwicklung um eine geringere Anzahl von Zähnen gewickelt ist, als auch Pole dritter Art (107b, 107d, 107f, 107h), zu deren Bildung die Phasenwicklung um eine größere Anzahl von Zähnen gewickelt ist, aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Ständer. The invention relates to a stator for an electric machine with n * 4 poles. The stator has a stator core with n * 4 * 3 grooves and teeth and a six-phase stator winding, which is arranged on the stator core through the grooves such that each phase winding has both poles of the first type (106a, 107a, 106c, 107c, 106e, 107e, 106g, 107g) formed to wrap the phase winding around a number of teeth corresponding to the ratio of pole pitch and groove pitch, as well as second type poles (106b, 106d, 106f, 106h) to form the phase winding a smaller number of teeth is wound, as well as third-type poles (107b, 107d, 107f, 107h), to the formation of which the phase winding is wound around a larger number of teeth having. Furthermore, the invention relates to an electric machine with a stator according to the invention.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ständer für eine elektrische Maschine mit sechs Phasenwicklungen und eine elektrische Maschine mit einem solchen Ständer. Insbesondere liegt die Erfindung auf dem Gebiet von Generatoren für Kraftfahrzeuge.The present invention relates to a stator for an electric machine having six phase windings and an electric machine having such a stator. In particular, the invention is in the field of generators for motor vehicles.
Stand der TechnikState of the art
Im Stand der Technik sind elektrische Maschinen, insbesondere Generatoren, mit drei elektrischen Phasenwicklungen bekannt und weit verbreitet. Bei Anwendungen von elektrischen Maschinen, welche einer geringeren Geräuschentwicklung und/oder einer geringeren Spannungswelligkeit bedürfen, werden oftmals auch elektrische Maschinen verwendet, welche fünf oder sechs elektrische Phasenwicklungen aufweisen und sechs oder acht Polpaare aufweisen.In the prior art electrical machines, in particular generators, with three electrical phase windings are known and widely used. In applications of electrical machines, which require less noise and / or less voltage ripple, electrical machines are often used which have five or six electrical phase windings and six or eight pole pairs.
Beispielsweise kann dazu ein Ständerkern gewählt werden, dessen Nutzahl, d.h. die Anzahl der darin ausgebildeten Nuten, durch welche die Ständerwicklung verlaufen kann, dem Produkt aus der Anzahl von elektrischen Phasenwicklungen bzw. Phasen und der Anzahl der Pole entspricht. Beispielsweise wird somit typischerweise für eine elektrische Maschine mit 16 Polen (acht Polpaaren) und sechs elektrischen Phasenwicklungen ein Ständerkern mit 96 Nuten verwendet, um eine symmetrische Anordnung der Phasenwicklungen, eine geringe Oberwellenstreuung und einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine zu erzielen. Dies ergibt eine Lochzahl, d.h. eine Nutzahl pro Pol und elektrischer Phase, von eins.For example, a stator core may be chosen for this purpose whose number of slots, i. the number of grooves formed therein through which the stator winding can pass corresponds to the product of the number of electrical phase windings or phases and the number of poles. For example, typically for a 16 pole (eight pole pair) electrical machine and six electrical phase windings, a 96 slot stator core is typically used to achieve symmetrical arrangement of the phase windings, low harmonic dispersion, and efficient operation of the electrical machine. This gives a hole number, i. one slot per pole and electrical phase, from one.
Ständerkerne mit einer derart hohen Nutzahl weisen jedoch häufig den Nachteil auf, dass die Zähne zwischen zwei angrenzenden Nuten sehr schmal ausgebildet werden müssen und deswegen häufig Stabilitätseinbußen in Kauf genommen werden müssen. Insbesondere kann auf einen Ständerkern mit einer derart hohen Nutzahl die Ständerwicklung häufig nicht mittels eines Einziehverfahrens aufgebracht werden, da aufgrund der filigranen Zähne der Ständerkern keine ausreichende Stabilität aufweist, um den mechanischen Beanspruchungen während des Einziehverfahrens standhalten zu können. Aus diesem Grund müssen Ständer, deren Ständerkern eine derart hohe Nutzahl aufweist, häufig mit andersartigen Herstellungsverfahren gewickelt werden, die jedoch oftmals einen sehr viel höheren Herstellungsaufwand mit sich bringen.However, stator cores with such a high number of slots often have the disadvantage that the teeth between two adjacent grooves must be made very narrow and therefore stability losses must often be taken into account. In particular, the stator winding can often not be applied to a stator core with such a high number of slots by means of a Einziehverfahrens because due to the filigree teeth of the stator core does not have sufficient stability to withstand the mechanical stresses during the Einziehverfahrens can. For this reason, stands whose stator core has such a high number of slots often have to be wound with different types of manufacturing methods, which, however, often entail a much higher production outlay.
Im Stand der Technik sind Lösungen bekannt, welche dieses Problem durch eine Reduzierung der Nutzahl zu lösen versuchen. In der
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung eines sechsphasigen Ständers bzw. einer sechsphasigen Ständerwicklung umfassend zwei dreiphasige Phasenwicklungsgruppen ist beispielsweise in der Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden ein Ständer für eine elektrische Maschine mit sechs Phasenwicklungen und eine elektrische Maschine mit einem solchen Ständer mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Die elektrische Maschine kann als Generator, insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, oder als Motor ausgebildet sein.According to the invention, a stator for an electric machine with six phase windings and an electric machine with such a stator with the features of the independent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description. The electric machine can be designed as a generator, in particular for use in a motor vehicle, or as a motor.
Die Erfindung stellt eine Möglichkeit vor, eine 2x3-phasige verteilte Wicklung mit einem Phasenversatz zwischen den zwei dreiphasigen Phasenwicklungsgruppen, mit n*4 Polen in einen Ständerkern mit nur n*4*3 Nuten einzulegen, wie er herkömmlicherweise für nur dreiphasige Wicklungen verwendet wird. Somit kann ein identischer Blechschnitt (für Lamellen des Ständerkerns) verwendet werden, wie er für die dreiphasige Maschine mit n*4 Polen vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft daran ist, dass alle sechs Phasenwicklungen gleichartig gewickelt sind und somit gleiche elektrische und elektro-magnetische Eigenschaften aufweisen. Die Erfindung bedient sich dazu der Maßnahme, dass jede Phasenwicklung sowohl Pole erster Art, zu deren Bildung die Phasenwicklung um eine Anzahl von Zähnen gewickelt ist, die dem Verhältnis aus Polteilung und Nutenteilung entspricht, als auch Pole zweiter Art, zu deren Bildung die Phasenwicklung um eine geringere Anzahl von Zähnen gewickelt ist, als auch Pole dritter Art, zu deren Bildung die Phasenwicklung um eine größere Anzahl von Zähnen gewickelt ist, aufweist. Vorzugsweise ist n=3, d.h. 12 Pole und 36 Nuten, oder n=4, d.h. 16 Pole und 48 Nuten.The invention presents a possibility of a 2x3-phase distributed winding with a phase shift between the two three-phase Phase winding groups, with n * 4 poles in a stator core with only n * 4 * 3 grooves as commonly used for only three-phase windings. Thus, an identical lamination (for lamellae of the stator core) can be used, as it is intended for the three-phase machine with n * 4 poles. It is particularly advantageous because all six phase windings are wound similarly and thus have the same electrical and electromagnetic properties. The invention uses the measure that each phase winding both poles of the first kind, to the formation of which the phase winding is wound around a number of teeth, which corresponds to the ratio of pole pitch and groove pitch, as well as poles of the second kind, for their formation, the phase winding to a smaller number of teeth is wound, as well as third-type poles, to whose formation the phase winding is wound around a larger number of teeth has. Preferably, n = 3,
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass ein Ständer für eine elektrische Maschine mit n*4 Polen und sechs elektrischen Phasenwicklungen mit besonders geringem Herstellungsaufwand bereitgestellt werden kann. Es kann dazu insbesondere ein Ständerkern einer dreiphasigen Maschine mit n*4 Polen verwendet werden. Durch die geringe Zahl der Nuten kann der Ständerkern derart stabil ausgebildet werden, dass er den beim Wickeln der Ständerwicklung mittels eines Einziehverfahrens auftretenden mechanischen Beanspruchungen standhält. Dadurch, dass der Ständerkern mit nur n*4*3 Nuten bereitgestellt wird, können die Nuten stabiler und insbesondere weniger filigran ausgebildet werden als bei herkömmlicherweise für sechsphasige Wicklungen mit n*4 Polen verwendeten Ständerkernen mit n*4*6 Nuten.The invention offers the advantage that a stator for an electric machine with n * 4 poles and six electrical phase windings can be provided with particularly low production costs. It can be used in particular a stator core of a three-phase machine with n * 4 poles. Due to the small number of grooves, the stator core can be formed so stable that it withstands the mechanical stresses occurring during winding of the stator winding by means of a retraction process. The fact that the stator core is provided with only n * 4 * 3 grooves, the grooves can be made more stable and in particular less filigree than conventionally used for six-phase windings with n * 4 poles stator cores with n * 4 * 6 grooves.
Da, wie erwähnt, alle Phasenwicklungen gleichartig gewickelt sind, weisen sie die gleiche effektive Leiterzahl auf und sind somit einer gleichen Strombelastung ausgesetzt. Dadurch ist die durch die Ständerwicklung bereitgestellte elektrische Spannung besonders gleichmäßig. Mit anderen Worten ist dies insbesondere deshalb vorteilhaft, da sich durch die identisch ausgebildeten Phasenwicklungen Inhomogenitäten vermeiden lassen und die von dem Generator erzeugte elektrische Spannung besonders gleichmäßig und/oder homogen und/oder schwankungsarm bereitgestellt werden kann. Ferner bietet dies den Vorteil, dass der Herstellungsaufwand vereinfacht werden kann, da vorzugsweise keine verschiedenen Wicklungsprozeduren für die einzelnen Phasenwicklungen berücksichtigt werden müssen.Since, as mentioned, all the phase windings are wound similarly, they have the same effective number of conductors and are thus exposed to the same current load. As a result, the electrical voltage provided by the stator winding is particularly uniform. In other words, this is particularly advantageous because inhomogeneities can be avoided by the identically designed phase windings and the electrical voltage generated by the generator can be provided in a particularly uniform and / or homogeneous and / or low-fluctuation manner. Furthermore, this offers the advantage that the production cost can be simplified, since preferably no different winding procedures for the individual phase windings must be taken into account.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die unterschiedlichen Pole der Phasenwicklungen so über den Umfang des Ständerkerns verteilt, dass in jeder Nut genau zwei Phasenwicklungen verlaufen. Mit anderen Worten ist die Ständerwicklung als Zweischichtwicklung ausgeführt. Auf diese Weise können die Nuten besonders flach ausgebildet werden, was die Festigkeit des Ständerkerns erhöht und das Wickeln vereinfacht. Zum Bilden einer Phasenwicklung kann der Wicklungsdraht ein- oder mehrmals durch die Nut geführt werden.According to a preferred embodiment, the different poles of the phase windings are distributed over the circumference of the stator core so that exactly two phase windings run in each slot. In other words, the stator winding is designed as a two-layer winding. In this way, the grooves can be made particularly flat, which increases the strength of the stator core and simplifies winding. To form a phase winding, the winding wire can be passed one or more times through the groove.
Vorzugsweise umfassen die sechs Phasenwicklungen zwei Phasenwicklungsgruppen mit jeweils drei Phasenwicklungen, wobei die Phasenwicklungen einer Phasenwicklungsgruppe eine identische Folge von Arten von Polen bilden. Somit erzeugen die Phasenwicklungen einer Phasenwicklungsgruppe zusammen eine Spannung mit einem homogenen Spannungsverlauf. Weiter vorzugsweise bilden die Phasenwicklungen einer ersten der zwei Phasenwicklungsgruppen eine umgekehrte Folge von Arten von Pole der zweiten der zwei Phasenwicklungsgruppen. Auf diese Weise lässt sich die Forderung nach sechs gleichartigen Wicklungen bei gleichzeitig möglichst 30° el. Verschiebung besonders leicht realisieren. Dies bietet den weiterhin Vorteil, dass der Herstellungsaufwand für die Ständerwicklung reduziert werden kann und dass sich aufgrund der Symmetrie und/oder Gleichartigkeit der Phasenwicklungsgruppen Inhomogenitäten und/oder Spannungsschwankungen besonders effektiv vermeiden lassen. Besonders bevorzugt können die beiden Phasenwicklungsgruppen derart zueinander angeordnet und verschaltet sein, dass sich zwischen den Spannungsverläufen der beiden Phasenwicklungsgruppen eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 30° (z.B. mit einer Abweichung von höchstens 5°, vorzugsweise höchstens 2,5°) ergibt, was insbesondere für den Betrieb eines Generators eines Kraftfahrzeugs und insbesondere für sechsphasige Generatoren besonders vorteilhaft ist.Preferably, the six phase windings comprise two phase winding groups each having three phase windings, the phase windings of a phase winding group forming an identical series of types of poles. Thus, the phase windings of a phase winding group together generate a voltage having a homogeneous voltage characteristic. More preferably, the phase windings of a first of the two phase winding groups form an inverse sequence of types of poles of the second of the two phase winding groups. In this way, the demand for six similar windings can be realized with a maximum of 30 ° el. Displacement particularly easy. This offers the further advantage that the production costs for the stator winding can be reduced and that due to the symmetry and / or similarity of the phase winding groups inhomogeneities and / or voltage fluctuations can be avoided particularly effectively. Particularly preferably, the two phase winding groups can be arranged and interconnected in such a way that there is a phase shift of substantially 30 ° between the voltage curves of the two phase winding groups (eg with a deviation of at most 5 °, preferably at most 2.5 °), which is especially true for the operation of a generator of a motor vehicle and in particular for six-phase generators is particularly advantageous.
Vorzugsweise weist jede Phasenwicklung n über den Umfang verteilte Polgruppen aufweisend zwei Pole erster Art, einen Pol zweiter Art und einen Pol dritter Art auf. Dies bietet den Vorteil, dass die einzelnen Phasenwicklungen derart ausgestaltet werden können, dass eine geeignete Anordnung der Phasenwicklungen auf dem Ständerkern mit n*4*3 Nuten ermöglicht wird und dennoch alle sechs Phasenwicklungen gleichartig ausgebildet werden können, insbesondere wenn jede Polgruppe aus vier benachbarten Polen besteht. Dementsprechend weist eine 16-polige Phasenwicklung vier solcher Polgruppen über den Umfang verteilt und eine 12-polige Phasenwicklung drei solcher Polgruppen über den Umfang verteilt auf.Preferably, each phase winding has n distributed over the circumference of pole groups comprising two poles of the first kind, a pole of the second kind and a pole of the third kind. This offers the advantage that the individual phase windings can be designed such that a suitable arrangement of the phase windings on the stator core with n * 4 * 3 grooves is made possible and yet all six phase windings can be made identical, in particular if each pole group consists of four adjacent poles consists. Accordingly, a 16-pole phase winding has four such pole groups distributed circumferentially and a 12-pole phase winding has three such pole groups distributed circumferentially.
Vorzugsweise sind in jeder Phasenwicklung immer zwei Pole erster Art unmittelbar benachbart. Ebenso vorzugsweise sind immer ein Pol zweiter Art und ein Pol dritter Art unmittelbar benachbart. Auf diese Weise lassen sich die Nuten optimal für eine n*4-polige Phasenwicklung nutzen.Preferably, two poles of the first type are always immediately adjacent in each phase winding. Also preferably always a pole of the second kind and a pole of the third kind are immediately adjacent. On In this way, the grooves can be used optimally for a n * 4-pole phase winding.
Eine besonders einfach herzustellende Anordnung erhält man, wenn in jeder Phasenwicklung jeweils zwei am Umfang gegenüberliegende Pole gleicher Art auch gleiche Polarität haben.An arrangement which can be produced in a particularly simple manner is obtained if, in each phase winding, in each case two poles of the same type opposite to the circumference also have the same polarity.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.The invention is schematically illustrated by means of an embodiment in the drawings and will be described below with reference to the drawings.
Figurenlistelist of figures
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1 zeigt ein Wicklungsschema für eine Ständerwicklung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit sechs Phasenwicklungen.1 shows a winding scheme for a stator winding according to a preferred embodiment with six phase windings. -
2 zeigt eine vergrößerte Darstellung einer Phasenwicklung, welche auch in1 bereits dargestellt ist.2 shows an enlarged view of a phase winding, which also in1 already shown. -
3A und3B zeigen elektrische Schaltungen zur Verschaltung der sechs Phasenwicklungen gemäß bevorzugter Ausführungsformen.3A and3B show electrical circuits for interconnecting the six phase windings according to preferred embodiments.
Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention
Die Ständerwicklung besteht aus sechs Phasenwicklungen
In der tabellarischen Darstellung sind die Anordnungen der Wicklungsdrähte der Phasenwicklungen
Es ist erkennbar, dass alle Phasenwicklungen
Das Wicklungsschema wird nun anhand der Phasenwicklung
Es ist erkennbar, dass im vorliegenden Beispiel die N-Pole jeweils nur aus Polen erster Art und Polen zweiter Art gebildet werden, wohingegen die S-Pole nur aus Polen erster Art und Polen dritter Art gebildet werden.It can be seen that in the present example, the N poles only from Poland first type and Of the second kind, whereas the S-poles are formed only of first-kind poles and third-kind poles.
Es ist weiterhin erkennbar, dass die Phasenwicklungen
Gleichzeitig ist erkennbar, dass die Phasenwicklungen
Die Phasenwicklungen
Diese Wicklungsanordnung gemäß der bevorzugten Ausführungsform zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass diese sich auf besonders einfache Weise wickeln lässt und der Ständer somit besonders kostengünstig hergestellt werden kann. Insbesondere kann eine derartige Ständerwicklung mittels eines Einziehverfahrens auf dem Ständerkern angeordnet werden, da der Ständerkern mit n*3*4 = 48 Zähnen mit einer ausreichenden mechanischen Widerstandsfähigkeit versehen werden kann, um diesem Verfahren standhalten zu können.This winding arrangement according to the preferred embodiment is characterized in particular by the fact that it can be wound in a particularly simple manner and the stator can thus be produced in a particularly cost-effective manner. In particular, such a stator winding can be arranged on the stator core by means of a pull-in method, since the stator core can be provided with n * 3 * 4 = 48 teeth with a sufficient mechanical resistance in order to be able to withstand this method.
Ein Ständer mit einer Ständerwicklung gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform weist vorzugsweise demnach eine Nutzahl N = n*3*4 = 48, eine Polzahl 2p = 16 und, eine Phasenzahl m = 6 auf. Ein derart realisierter Ständer konnte einen Wicklungsfaktor von 90,1%, eine Oberwellenstreuung von 10,6 % und eine Phasenverschiebung zwischen den Phasenwicklungsgruppen von φ = 27,8° erzielen. Die Abweichung von einer besonders bevorzugten Phasenverschiebung von 30° beträgt daher lediglich 2,2°. Diese geringe Abweichung von der gewünschten bzw. bevorzugten Phasenverschiebung von 30° stellt jedoch beim Betrieb des Ständers kein Problem und/oder keinen Nachteil dar. Der Wicklungsfaktor von 90,1 % kann unter Umständen zu einer leichten Kippung der Kennlinie führen.A stator with a stator winding according to the first preferred embodiment therefore preferably has a number of slots N = n * 3 * 4 = 48, a pole number 2p = 16 and, a phase number m = 6. A stator realized in this way could achieve a winding factor of 90.1%, a harmonic dispersion of 10.6% and a phase shift between the phase winding groups of φ = 27.8 °. The deviation from a particularly preferred phase shift of 30 ° is therefore only 2.2 °. However, this slight deviation from the desired or preferred phase shift of 30 ° does not represent a problem and / or a disadvantage in the operation of the stator. The winding factor of 90.1% can under certain circumstances lead to a slight tilting of the characteristic curve.
Dem gezeigten Wicklungsschema wurde eine Einzugswicklung zugrunde gelegt. Die einzelnen Phasenwicklungen können sowohl als Wellenwicklung als auch als Umkehrwelle realisiert werden.The winding scheme shown was based on a pull-in winding. The individual phase windings can be realized both as a wave winding and as a reverse wave.
Die
Die elektrischen Maschinen und/oder Ständer gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung können mit elektrischen Schaltungen zur Gleichrichtung verbunden werden, ohne dass dafür besondere Anforderungen an die elektrischen Schaltungen zu stellen sind, welche über die Anforderungen zur Verbindung von Gleichrichtern mit herkömmlichen elektrischen Maschinen bzw. Ständern hinausgehen würden. Somit kann ein Ständer bzw. eine elektrische Maschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in konventionelle Schaltungen bzw. Systeme eingegliedert werden, vorzugsweise ohne dass dafür aufwändige konstruktive Änderungen und/oder Anpassungen erforderlich sind.The electric machines and / or stands according to preferred embodiments of the invention can be connected to electrical circuits for rectification, without special requirements are placed on the electrical circuits, which go beyond the requirements for connecting rectifiers with conventional electric machines or stands would. Thus, a stand or an electric machine according to a preferred embodiment of the invention can be incorporated into conventional circuits or systems, preferably without the need for elaborate design changes and / or adjustments are required.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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