DE10229567A1

DE10229567A1 - Winding structure for a stator/rotor in a rotary current electric machine has different-phase winding branches connected as a triangle/star and twisted against each other at an angle

Info

Publication number: DE10229567A1
Application number: DE2002129567
Authority: DE
Inventors: Rifat Gjota; Memet Bushi
Original assignee: Bushi Memet Prishtina; Gjota Rifat Prof Dr Prishtina
Current assignee: Bushi Memet Prishtina; Gjota Rifat Prof Dr Prishtina
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2004-01-15

Abstract

Branches for different phases are twisted against each other and arranged in a spatial dimension at an angle i.e. pi /(2p)+-p/(6p), p being the number of branches per phase. Making use of 'natural' possibilities in star/triangular rotary-current windings and running through an alternating current flow achieves harmonic behavior in a current conductor density and harmonic magnetic induction.

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.Those occurring when starting and braking Problems of high current requirements as well as regarding torque characteristics and efficiency (small values of cos?) can be largely avoid when the magnetic induction of three-phase electric motors or generators is designed harmoniously. This is accomplished through a new way of connection and the use of current sequences, the in this release explained graphically and analytically are. This creates a rotating complementary magnetic field in a complex representation.

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:

The theory of rotating magnetic fields is derived on the assumption of a harmonic winding distribution on the surface of the inductor, so that the current conductor density caused by the inductor is also harmonic. In practice, the turns of the inductance of electrical machines are not designed to be harmoniously distributed, nor is the current conductor density due to non-harmonic (uniform) winding. The question of the possibility of a harmonious distribution of the conductor density in existing electrical machines has been the main question during the last century. Rotating electrical machines are used for energy conversion. The performance can be expressed as:

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:

The magnetic induction or flux density B appears in both of the above expressions, which is why this publication is based on the task of considering the size and shape of B, since the shape directly influences the efficiency and other characteristics. The theory of the generation of a rotating complementary magnetic field with harmonic behavior of the current conductor density (per unit length in relation to the circumference), which is given by a two-pole machine

is shown on the basis of which the magnetic flux density b also behaves harmoniously. Based on the relationship for the differential flow

where dF = 2A _c dx ( 1 )

and δ 'indicates the equivalent length of the air gap:

Unter der Annahme, dass

(2) mit A_m = Ni/D sowie λ = πD/p, ergibt sich aus Gleichung (1):

Assuming that

( 2 ) with A _m = Ni / D and λ = πD / p, results from equation (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 MMK resultiert. Auf diese weise ergibt sich eine harmonische Verteilung der Stromleiterdichte, die eine harmonische Verteilung des magnetischen Flusses zur Folge hat.Therefore, in order to produce a harmonic (sinusoidal) distribution of the magnetic field in the machine, it is necessary that the distribution of the conductor density is also sinusoidal. Star (Y) or delta circuits (Δ), which are mostly used in conventional three-phase electrical machines, produce non-harmonic distributions of the current conductor density and the magnetic flux density. The flux density of a conventional machine is in 3 represented by the rectangular solid line. The Fourier transform can be used to break down this function into sinusoidal functions and provides the fundamental ( 1 ) and the higher harmonics ( 3 . 5 . 7 . 11 . 13 , ...). The fundamental oscillation corresponds to the resulting flow if the current conductor density has a sinusoidal distribution ( 4 ). Using the "natural" possibilities of the conventional star-connected (Y) and triangle-connected (Δ) windings of three-phase electric machines, their combination can be used according to

and by following the alternating three-phase current flow, a harmonic behavior of the conductor density, as in 2 shown, and a harmonic change in magnetic induction b, as in 4 represented, achieve. In this way, the higher harmonics of the series development are significantly reduced, so that only the fundamental oscillation remains. The windings can be realized in such a way that half of them are connected by means of a star connection and the other half by means of a delta connection and by an angle

are separated (where p denotes the number of pole pairs), as in 5 shown and in the equations ( 2a . 2 B ) is expressed symbolically. 6 shows the strand and line voltages as functions of time and the vectors assigned to them. The rotating complementary magnetomotive force (MMK) Ni, which is caused by the delta-connected turns, corresponds exactly to the rotating field of the star-connected turns, as in 7a . b is expressed so that the in 8th shown MMK results. In this way, there is a harmonic distribution of the conductor density, which results in a harmonic distribution of the magnetic flux.

Die analytischen Ausdrücke der angegebenen graphischen Interpretationen sind im folgenden für die in 5 gezeigten räumlichen Anordnungen ausgeführt, wobei die folgenden Operatoren Verwendung finden.The analytical expressions of the graphical interpretations given below are for the in 5 spatial arrangements shown using the following operators.

Damit ergeben sich für die ersten stern-geschalteten Windungen folgende Ausdrücke für die Flussdichte jeder Phase:

This gives the following expressions for the flux density of each phase for the first star-connected turns:

Für die zweiten dreieck-geschalteten Windungen, d.h. die komplementären Windungen lauten die Ausdrücke:

For the second delta-connected turns, ie the complementary turns, the expressions are:

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

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.The result is two systems of symmetrical components with halved amplitudes. Therefore, three symmetrical two-phase systems now exist instead of a three-phase system. The magnetic induc ions caused by the system of both windings result in:

so that the resulting flux density (magnetic induction) is:

wherein the amplitude B _{om has} the constant value 3/2 B _m and also rotates. 9 shows the contribution of the individual magnetic induction for ωt = 0 and the resulting magnetic induction B _om . 10 shows the complementary magnetic field for all values of ωt during a period. It should be noted that the components remain within the characteristic circle at all times. A harmonic distribution of the windings is required for the harmonic distribution of the magnetic field, ie the magnetic induction over the circumference of the electrical machine, so that the current conductor density A _{c is} harmonic, which also makes the change in the magnetic induction db / dx harmonic. However, this can also be achieved without a harmonious distribution of coil turns within the electrical machine (stator or rotor). Taking advantage of the new complex coil connection, which is symbolic as

current components that result in a harmonic current conductor density (A _c ). The flux density (b) is therefore harmonious, which has been sought in the past. This is over 11 can be seen in which the current conductor distribution for a) star-connected windings, b) triangle-connected windings, c) the summed conductor part for the two-layer windings and d) the current conductor part for the single-layer windings is shown.

Die scheinbare Leistung einer elektrischen Maschine ist für gewöhnlich gegeben durch die Beziehung: Pa = cABmD2lN. The apparent power of an electrical machine is usually given by the relationship: 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 Leistungsfaktor (cos?), der sich direkt auf die Effizienz (n) auswirkt, zunimmt, während die Blindleistung (Q) abnimmt. Darüber hinaus nimmt das charakteris tische Drehmoment beim Anlaufen zu, während Anlaufströme, Geräusche und Wärmeentwicklung reduziert sind.In view of the fact that the new windings create a harmonious relationship between A and B _M , an improvement in performance and efficiency can be expected. Taking advantage of the "natural" possibilities of the conventionally star-shaped and triangular-shaped windings with three-phase current operated electrical machines in their complex combination and by alternating current flow, a harmonic behavior of the current conductor density and a harmonic magnetic induction can be achieved. This has the effect that the machines work more efficiently, so that the power consumption decreases significantly. Initial results have shown that the power factor (cos?), Which has a direct impact on efficiency (n), increases while the reactive power (Q) decreases. In addition, the characteristic torque increases when starting, while starting currents, noise and heat generation are reduced.

Claims

Winding arrangement of a stator and / or a rotor of an electrical machine operated with three-phase current, for example a generator or electric motor, characterized in that the stator and / or rotor are delta-connected and star-connected winding phases ( 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 ), with strands ( 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 ) of different phases are spatially rotated relative to each other by an angle π / (2p) ± p / (6p) if p denotes the number of strands per phase (pole pairs).

Winding arrangement according to claim 1, characterized in that a first group of three winding strands ( 4 . 5 . 6 ) are connected in the form of a delta connection and that each of a second group of three winding strands ( 1 . 2 . 3 ) with its end connection with a connection point between the first strands ( 4 . 5 . 6 ) connected is.

Winding arrangement according to claim 1, characterized in that a first group of three winding strands ( 1 . 2 . 3 ) are connected with their end connections in the form of a star connection and the second group of three winding strands ( 4 . 5 . 6 ) are arranged in the form of a delta connection, each connection point between the delta-connected strands ( 4 . 5 . 6 ) with an initial connection of the star-connected strands ( 1 . 2 . 3 ) connected is.