DE10228884A1

DE10228884A1 - Elektrische Maschinen mit komplementärem Feld

Info

Publication number: DE10228884A1
Application number: DE2002128884
Authority: DE
Inventors: Rifat Gjota
Original assignee: Gjota Rifat Prof Dr Prishtina
Current assignee: Gjota Rifat Prof Dr Prishtina
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-15

Abstract

Die scheinbare Leistung einer elektrischen Maschine ist für gewöhnlich gegeben durch Pa = cABmD·2·lN. In Anbetracht der Tatsache, dass durch die neuen Windungen eine harmonische Beziehung zwischen A und B¶M¶ realisiert ist, ist eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Effizienz zu erwarten. Unter Ausnutzung der "natürlichen" Möglichkeiten der in herkömmlicher Weise stern- und dreieckartig verbundenen Windungen mit Drehstrom betriebener elektrischer Maschinen in ihrer komplexen Kombination und durch Abfolgen alternierenden Stromflusses ist ein harmonisches Verhalten der Stromleiterdichte und eine harmonische magnetische Induktion erreichbar. Dies wirkt sich dahingehend aus, dass die Maschinen effizienter arbeiten, so dass der Stromverbrauch signifikant abnimmt. Erste Ergebnisse haben gezeigt, dass der Leistungfaktor (cosPHI), der sich direkt auf die Effizienz (eta) auswirkt, zunimmt, während die Blindleistung (Q) abnimmt. Darüber hinaus nimmt das charakteristische Drehmoment beim Anlaufen zu, während Anlaufströme, Geräusche und Wärmeentwicklung reduziert sind.

Description

Die beim Anlaufen und Abbremsen auftretenden Probleme hoher Stromerfordernis sowie betreffend Drehmoment-Charakteristiken und Effizienz (kleine Werte von cos?) lassen sich größtenteils vermeiden, wenn die magnetische Induktion von Drehstrom-Elektromotoren oder -Generatoren harmonisch gestaltet wird. Dies wird erreicht durch eine neue Art der Verbindung und die Verwendung von Stromabfolgen, die in dieser Veröffentlichung graphisch und analytisch erläutert sind. Auf diese Weise entsteht ein rotierendes komplementäres Magnetfeld in komplexer Darstellung.
Die Theorie rotierender magnetischer Felder wird unter der Annahme einer harmonischen Windungsverteilung auf der Oberfläche der Induktivität abgeleitet, so dass die Stromleiterdichte, die durch die Induktivität bewirkt ist, ebenfalls harmonisch ist. In der Praxis sind weder die Windungen der Induktivität elektrischer Maschinen harmonisch verteilt ausgebildet, noch ist die Stromleiterdichte infolge nicht-harmonischer (einheitlicher) Wicklung harmonisch verteilt. Die Frage nach der Möglichkeit einer harmonischen Verteilung der Stromleiterdichte in bestehenden elektrischen Maschinen war die hauptsächliche Frage während des letzten Jahrhunderts. Rotierende elektrische Maschinen werden zur Energieumwandlung eingesetzt. Die Leistung lässt sich ausdrücken als:
Pel = E⋅I = vBlI
Pmech = F⋅v = IlBv.
Die magnetische Induktion oder Flussdichte B erscheint in beiden vorstehenden Ausdrücken, weshalb dieser Veröffentlichung die Aufgabe zugrundeliegt, eine Betrachtung der Größe und Form von B anzustellen, da die Form die Effizienz und andere Charakteristiken direkt beeinflusst. Die Theorie der Erzeugung eines rotierenden komplementären Magnetfelds mit harmonischem Verhalten der Stromleiterdichte (pro Längeneinheit bezogen auf den Umfang), die für eine Zweipol-Maschine gegeben ist durch
wird dargestellt, aufgrund derer sich auch die magnetische Flussdichte b harmonisch verhält. Ausgehend von der Beziehung für den differenziellen Fluss
wobei dF = 2A_cdx (1),
und δ' die äquivalente Länge des Luftspalts angibt, ergibt sich:
Unter der Annahme, dass
(2) mit
sowie
ergibt sich aus Gleichung (1):
Daher ist es zum Erzeugen einer harmonischen (sinusförmigen) Verteilung des magnetischen Feldes in der Maschine notwendig, dass auch die Verteilung der Stromleiterdichte sinusförmig ist. Stern- (Y) oder Dreieck-Schaltungen (Δ), die in herkömmlichen mit Drehstrom betriebenen elektrischen Maschinen meistens eingesetzt werden, erzeugen nichtharmonische Verteilungen der Stromleiterdichte und der magnetischen Flussdichte. Die Flussdichte einer herkömmlichen Maschine ist in 3 anhand der rechteckförmigen durchgezogenen Linie dargestellt. Die Fouriertransformation kann zur Zerlegung dieser Funktion in sinusartige Funktionen benutzt werden und liefert die Grundschwingung (1) und die höheren Harmonischen (3, 5, 7, 11, 13,...). Die Grundschwingung entspricht dem resultierenden Fluss, wenn die Stromleiterdichte eine sinusförmige Verteilung hat (4). Unter Verwendung der "natürlichen" Möglichkeiten der herkömmlichen stern-geschalteten (Y) und dreieck-geschalteten (Δ) Windungen drehstrombetriebener elektrischer Maschinen lässt sich durch deren Kombination gemäß
und durch Abfolgen des alternierenden Drehstromflusses ein harmonisches Verhalten der Stromleiterdichte, wie in 2 dargestellt, und eine harmonische Veränderung der magnetischen Induktion b, wie in 4 dargestellt, erreichen. Auf diese Weise werden die höheren Harmonischen der Reihenentwicklung signifikant reduziert, so dass nur die Grundschwingung übrig bleibt. Die Windungen können derart realisiert sein, dass die Hälfte von Ihnen mittels einer Sternschaltung und die andere Hälfte mittels einer Dreiecksschaltung verbunden und durch einen Winkel
getrennt sind (wobei p die Anzahl der Polpaare bezeichnet), wie in 5 gezeigt und in den Gleichungen (2a, 2b) symbolisch ausgedrückt ist. 6 zeigt die Strang- und Linienspannungen als Funktionen der Zeit und die Ihnen zugeordneten Vektoren. Die rotierende komplementäre magnetomotorische Kraft (MMK) Ni, die durch die dreieck-geschalteten Windungen bewirkt ist, entspricht exakt dem rotierenden Feld der stern-geschalteten Windungen, wie in 7a, b zum Ausdruck kommt, so dass die in 8 gezeigte NMK resultiert. Auf diese Weise ergibt sich eine harmonische Verteilung der Stromleiterdichte, die eine harmonische Verteilung des magnetischen Flusses zur Folge hat.
Die analytischen Ausdrücke der angegebenen graphischen Interpretationen sind im folgenden für die in 5 gezeigten räumlichen Anordnungen ausgeführt, wobei die folgenden Operatoren Verwendung finden.
Damit ergeben sich für die ersten stern-geschalteten Windungen folgende Ausdrücke für die Flussdichte jeder Phase:
Für die zweiten dreieck-geschalteten Windungen, d.h. die komplementären Windungen lauten die Ausdrücke:
Es resultieren zwei Systeme symmetrischer Komponenten mit halbierten Amplituden. Daher existieren jetzt drei symmetrische Zwei-Phasen-Systeme anstelle eines Drei-Phasen-Systems. Die magnetischen Induktionen, die durch das System beider Windungen bewirkt sind, ergeben sich zu:
so dass sich als resultierende Flussdichte (magnetische Induktion) ergibt:
wobei die Amplitude B_om den konstanten Wert 3/2 B_m aufweist und ebenfalls rotiert. 9 zeigt den Beitrag der einzelnen magnetischen Induktionen für ωt = 0 und die resultierende magnetische Induktion B_om. 10 zeigt das komplementäre Magnetfeld für alle Werte von ωt während einer Periode. Hierzu ist anzumerken, dass die Komponenten zu jeder Zeit innerhalb des charakteristischen Kreises bleiben. Für die harmonische Verteilung des Magnetfeldes, d.h. der magnetischen Induktion über den Umfang der elektrischen Maschine wird eine harmonische Verteilung der Windungen benötigt, so dass die Stromleiterdichte A_c harmonisch ist, wodurch auch die Veränderung der magnetischen Induktion db/dx harmonisch wird. Dies lässt sich jedoch auch ohne harmoni sche Verteilung von Spulenwindungen innerhalb der elektrischen Maschine (Stator oder Rotor) erreichen. Unter Ausnutzung der Vorteile der neuen komplexen Spulenverbindung, die sich symbolisch als
und
darstellen lassen, ergeben sich Stromkomponenten, die eine harmonische Stromleiterdichte (A_c) bewirken. Die Flussdichte (b) ist daher harmonisch, was in der Vergangenheit angestrebt wurde. Dies ist aus 11 ersichtlich, in der die Stromleiterverteilung für a) stern-geschaltete Windungen, b) dreieck-geschaltete Windungen, c) den summierten Stromleiter-Anteil für die Zweischicht-Windungen und d) der Stromleiter-Anteil für die Einschicht-Windungen dargestellt ist.
Die scheinbare Leistung einer elektrischen Maschine ist für gewöhnlich gegeben durch die Beziehung:
Pa = cABmD2lN.
In Anbetracht der Tatsache, dass durch die neuen Windungen eine harmonische Beziehung zwischen A und B_M realisiert ist, ist eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Effizienz zu erwarten. Unter Ausnutzung der "natürlichen" Möglichkeiten der in herkömmlicher Weise Stern- und dreieckartig verbundenen Windungen mit Drehstrom betriebener elektrischer Maschinen in ihrer komplexen Kombination und durch Abfolgen alternierenden Stromflusses ist ein harmonisches Verhalten der Stromleiterdichte und eine harmonische magnetische Induktion erreichbar. Dies wirkt sich dahingehend aus, dass die Maschinen effizienter arbeiten, so dass der Stromverbrauch signifikant abnimmt. Erste Ergebnisse haben gezeigt, dass der Leistungsfaktor (cos?), der sich direkt auf die Effizienz (η) auswirkt, zunimmt, während die Blindleistung (Q) abnimmt. Darüber hinaus nimmt das charakteri stische Drehmoment beim Anlaufen zu, während Anlaufströme, Geräusche und Wärmeentwicklung reduziert sind.

Claims

Wicklungsanordnung eines Stators und/oder eines Rotors einer mit Drehstrom betriebenen elektrischen Maschine, z.B. eines Generators oder Elektromotors, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator und/oder Rotor dreieckgeschaltete und Stern-geschaltete Windungsstränge (1, 2, 3, 4, 5, 6) aufweist, wobei Stränge (1, 2, 3, 4, 5, 6) verschiedener Phasen räumlich um einen Winkel π/(2p) ± π/(6p) gegeneinander verdreht angeordnet sind, wenn p die Anzahl von Strängen pro Phase (Polpaare) bezeichnet.
Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppe aus drei Windungssträngen (4, 5, 6) in Form einer Dreieckschaltung verbunden sind und das jeder einer zweiten Gruppe aus drei Windungssträngen (1, 2, 3) mit seiner Endverbindung mit einen Verbindungspunkt zwischen den ersten Strängen (4, 5, 6) verbunden ist.
Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppe aus drei Windungssträngen (1, 2, 3) mit ihren Endverbindungen in Form einer Sternschaltung verbunden sind und das eine zweite Gruppe aus drei Windungssträngen (4, 5, 6) in Form einer Dreiecksschaltung angeordnet sind, wobei jeder Verbindungspunkt zwischen den dreieck-geschalteten Strängen (4, 5, 6) mit einer Anfangsverbindung der stern-geschalteten Stränge (1, 2, 3) verbunden ist.