DE112021004875T5 - Spule zur fertigung einer mehrphasenwicklung einer elektrischen maschine - Google Patents

Abstract

Die technische Lösung bezieht sich auf den Bereich des Elektromaschinenbaus und kann bei der Fertigung von Wicklungen für rotierende elektrische Maschinen (Elektromotoren und elektrische Generatoren) sowohl mit als auch ohne Nuten oder für Linearmotoren sowohl mit als auch ohne Nuten verwendet werden.Die Spule zur Fertigung der Mehrphasenwicklung einer elektrischen Maschine ist in Form eines gleichschenkligen Trapezes aus selbstbackendem Draht ausgeführt. Die aktiven Elemente der Spule sind gerade ausgeführt, die Spulenköpfe sind in Bezug auf die aktiven Elemente der Spule rechtwinklig gebogen und zu einem Kreisbogen gewölbt für rotierende elektrische Maschinen oder gerade für einen Linearmotor ausgeführt. Die Abmessungen des Trapezes werden anhand der Breite des aktiven Elementes der Spule h, der Breite des Magnetkernzahnes hz, der Spulendicke d und des spitzen Winkels des Trapezes α ermittelt, nach der Formellα=arccos(d2(h+hz)),wobei d < 2(h+ hz) hz= 0 für eine nutenlose Ausführung der Wicklung und der Abstand zwischen den aktiven Elementen der Spule 2h+ 3hzbeträgt.

Description

• Die technische Lösung bezieht sich auf den Bereich des Elektromaschinenbaus und kann bei der Fertigung von Wicklungen für rotierende elektrische Maschinen (Elektromotoren und elektrische Generatoren) sowohl mit als auch ohne Nuten oder für Linearmotoren sowohl mit als auch ohne Nuten verwendet werden.
• Gemäß der GOST-Norm 18311-80 stellt die Wicklung eines elektrotechnischen Erzeugnisses (Geräts) eine Gesamtheit von auf eine bestimmte Weise angeordneten und verbundenen Spulen dar, welche zur Erzeugung oder Nutzung eines Magnetfelds bestimmt ist. Das heißt, die Spule ist ein Teil der Wicklung, die als einzelne bauliche Einheit ausgeführt ist.
• Mit der Art und Weise, wie die Wicklungen gestaltet sind, hängen weitgehend die grundlegenden elektrischen, Gewichts- sowie Maßangaben der Maschinen zusammen.
• Bekannt sind Spulen, die in Wicklungen von Elektromotoren eingesetzt werden. Dabei wird die Spule in zwei Nuten der elektrischen Maschine mit hin- und hergehenden Bewegungen gewickelt (Quelle zum 25.08.2020: https://electrikmaster.ru/obmotkaelektrodvigatelya/). Der Nachteil dieses Wickelverfahrens liegt darin, dass das Aufwickeln des Leitungsdrahtes chaotisch erfolgt, was zu einem niedrigen Füllungsgrad des für den jeweiligen Leitungsdraht vorgesehenen Platzes führt.
• Bekannt ist auch eine Wicklung, für deren Fertigung zwei Arten von mit selbstbackendem Leitungsdraht separat gewickelten Spulen beansprucht werden: sogenannte „gerade“ und „schräge“ Spulen. Der Mangel dieser Wicklung besteht darin, dass zwei Arten von Spulen für die Fertigung der Wicklung verwendet werden.
• Darüber hinaus sind Formwicklungen bekannt, die aus identischen Spulen gefertigt werden. Diese Spulen werden aus baulichen Gründen trapezförmig ausgeführt. Die genannten Spulen weisen jeweils aktive Elemente und Spulenköpfe auf. Die trapezförmigen Spulen ermöglichen es, die Spulenköpfe in zwei Ebenen anzuordnen („Obmotki elektritscheskich maschin“ [„Die Wicklungen elektrischer Maschinen“], A.I. Eremeyev, V.I. Zimin, M.Y. Kaplan, I.N. Rabinovich, V.P. Fedorov, P.A. Haken, R.A. Yuksik, Moskwa, 1940, S. 98. Quelle: https://books.google.com.ua/books?id=mvH3BQAAQBAJ&pq=PA98&lpq=PA98&dq= катушка+в+виде+трапеции&source=bl&ots=K9HJnR0B7G&siq=ACfU3U09YFDB— cyTeR9BO6Q6RvhcQGQ&hl=ru&sa=X&ved=2ahUKEwjqw52JxLjqAhUE86YKHd5WDt QQ6AEwCnoECAwQAQ#v=onepaqe&q=катушка%20в%20виде%20трапеции&f=fa Ise).
• Die Mängel dieser Spulen bestehen darin, dass sie mit hin- und hergehenden Bewegungen gewickelt werden. Dadurch wird der Draht nicht dicht aufgewickelt, und die Spulen sind nicht völlig gefüllt.
• Zum nächstliegenden Stand der Technik wurden Ringwicklungen (Spulen) gewählt, die in Permanent-Magnetgeneratoren zum Einsatz kommen [ RU2494520C2 , H02K 21/24, H02K 3/24, H02K 16/02; 10.07.2013]. Diese Ringwicklungen sind als gleichschenklige Trapeze ausgeführt. Dabei sind die Bereiche der Ringwicklungen an den Grundseiten des Trapezes bogenförmig. Bei der Verwendung werden die Ringwicklungen ineinandergesteckt und bilden ein Modul. Zwischen den Ringwicklungen wird eine zusätzliche flache Ringwicklung in Form eines gleichschenkligen Trapezes angeordnet. Die Trapezschenkel liegen in der gleichen Ebene zwischen den Trapezschenkeln der anderen Ringwicklungen. Somit fließt in jeder der Wicklungen elektrischer Strom, und durch die Bildung eines Moduls aus drei Ringwicklungen erzeugt der Generator Dreiphasenstrom.
• Die Mängel der zum nächstliegenden Stand der Technik gewählten Ringwicklungen bestehen darin, dass zur Fertigung der Wicklung auch zwei Arten von Spulen verwendet werden, die zu Modulen zusammengesetzt und mit Epoxidharzmasse gefüllt werden, was den Wicklungsvorgang erschwert.
• Der beanspruchten technischen Lösung liegt die Aufgabe zugrunde, eine universelle Spule zu entwickeln, die in Mehrphasen- und insbesondere Dreiphasenwicklungen sowohl von rotierenden elektrischen Maschinen als auch von Linearmotoren verwendet werden kann, wobei die Dichte der Wicklung erhöht und deren Zusammenbauvorgang vereinfacht wird.
• Die gestellte Aufgabe wird dadurch erreicht, dass in der bekannten Spule, die in Form eines gleichschenkligen Trapezes aus einem selbstbackenden Draht ausgeführt ist, gemäß der Erfindung die aktiven Elemente der Spule gerade ausgeführt sind. Die Spulenköpfe werden in Bezug auf die aktiven Elemente rechtwinklig gebogen und zu einem Kreisbogen gewölbt für rotierende elektrische Maschinen oder gerade für Linearmotoren ausgeführt. Die Abmessungen des Trapezes werden dabei anhand der Breite des aktiven Elements der Spule h, der Breite des Magnetkernzahns h_z, der Spulendicke d und des spitzen Winkels des Trapezes α ermittelt, nach der Formell $$\alpha =\text{arccos}\left(\frac{d}{2\left(h+h_z\right)}\right),$$

  

  wobei d < 2· h_z), h_z= 0 für eine nutenlos ausgeführte Wicklung und der Abstand zwischen den aktiven Elementen der Spule 2h + 3^h _z beträgt.
• Dadurch wird eine Spulenform sichergestellt, die es ermöglicht, gleichartige Spulen fest miteinander zu verbinden. Die Wicklung, die durch die Verbindung der Spulen der beanspruchten Form gebildet wird, kann in rotierenden elektrischen Maschinen (Elektromotoren und elektrischen Generatoren) sowohl mit als auch ohne Nuten sowie in Linearmotoren sowohl mit als auch ohne Nuten verwendet werden.
• Die Form der beanspruchten Spule ermöglicht eine kompakte Anordnung von Spulenköpfen, wobei die Spulen maximal mit Kupferdraht gefüllt werden. Das führt wiederum zu einer Verringerung der Motorabmessungen bei vorgegebener Leistung oder zu einer Erhöhung der Leistung bei vorgegebenen Abmessungen.
• Der technische Effekt der vorgeschlagenen technischen Lösung wird darin gesehen, dass die funktionellen Eigenschaften der Spule aufgrund der Möglichkeit der Verwendung einer Spule derselben Art in den Wicklungen von rotierenden elektrischen Maschinen (Elektromotoren und elektrischen Generatoren) sowohl mit als auch ohne Nuten oder von Linearmotoren sowohl mit als auch ohne Nuten erhöht werden. Außerdem gehört zu dem technischen Effekt, dass der Zusammenbau der Wicklung einer elektrischen Maschine vereinfacht und die Dichte der Wicklung erhöht werden.
• Dies führt zur Verringerung der Abmessungen des Motors bei vorgegebener Leistung.
• Die technische Lösung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
• 1 die Ansicht einer Spule für Linearmotoren, wobei 1 das aktive Element der Spule mit größerer Länge, 2 das aktive Element der Spule mit kleinerer Länge und 3 der Spulenkopf sind;
• 2 die Ansicht einer Spule für rotierende elektrische Maschinen;
• 3 das Schema der Wicklung eines Linearmotors mit Nuten gemäß 1 (in jeder Phase eine Spule), wobei 4 der Stator der elektrischen Maschine ist;
• 4 das Schema der Wicklung eines Dreiphasen-Linearmotors ohne Magnetkern im beweglichen Teil, wobei die Wicklung aus zwei identischen Wicklungen besteht;
• 5 das Schema der Wicklung einer rotierenden elektrischen Maschine ohne Nuten (links) und mit Nuten (rechts) und
• 6 den entfalteten (ausgerichteten) Querschnitt der Wicklung eines nutenlosen Stators einer elektrischen Dreiphasenmaschine.
• Die Spule für die Fertigung einer Mehrphasenwicklung einer elektrischen Maschine wird wie folgt ausgeführt.
• Nachdem das Formwickeln von selbstbackendem Kupferdraht und dessen Formgebung gemäß den vorgegebenen Parametern ausgeführt worden ist, wird der Kupferdraht gebacken. Dabei entsteht eine gebrauchsfertige Spule. Die aktiven Elemente der Spule 1 - 2 werden gerade ausgeführt. Die Spulenköpfe der Spule 3 werden in Bezug auf die aktiven Elemente der Spule rechtwinklig gebogen und zu einem Kreisbogen gewölbt für rotierende elektrische Maschinen (2) oder gerade für einen Linearmotor (1) ausgeführt. Die Abmessungen des Trapezes werden anhand der Breite des aktiven Elements der Spule - h, der Breite des Magnetkernzahns - h_z, der Spulendicke - d und des spitzen Winkels des Trapezes - α ermittelt, nach der Formell $$\alpha =\text{arccos}\left(\frac{d}{2\left(h+h_z\right)}\right),$$

  

  wobei d < 2· (h+h_z), h_z= 0 für eine nutenlos ausgeführte Wicklung und der Abstand zwischen den aktiven Elementen der Spule 2h + 3^h _z beträgt.
• Die Spulen werden wie folgt verwendet.
• Gebrauchsfertige Spulen der jeweiligen Phase werden in Serie oder parallel oder seriell-parallel geschaltet und bilden eine Wicklung. Die Spulen werden so miteinander verbunden, dass sich zwischen den aktiven Elementen einer Spule zwei aktive Elemente von ähnlichen Spulen anderer Phasen befinden und die Gesamtzahl der Spulen ein Vielfaches von drei ist.
• Für rotierende elektrische Maschinen werden die Breite des aktiven Elements der Spule h und die Breite des Zahns h_z gemäß der Bedingung $h+h_z=\frac{\pi R}{N}$

  

  berechnet, wobei R - der Radius der Statorbohrung und N - die Gesamtzahl der Spulen ist.
• Bei Linearmotoren, bei denen bewegliche Teile keinen Stahl aufweisen, wird die Wicklung aus zwei identischen Spulen ausgeführt, deren Spulenköpfe unterschiedlich ausgerichtet und miteinander verbunden sind.
• Nachdem eine Dreiphasenwicklung des Elektromotors ausgeführt ist, wird der komplette Motor zusammengebaut: Bei rotierenden elektrischen Maschinen wird ein Rotor, bei Linearmotoren ein unbeweglicher Teil (auf dem Magnetkern aufgeklebte Magnete) hinzugefügt. Anschließend wird an die Dreiphasenwicklung eine Dreiphasenspannung angelegt.
• Bei Generatoren wird der Rotor nach der Fertigung der Wicklung durch einen Fremdmotor angetrieben. An den Klemmen der Dreiphasenwicklung entsteht eine Dreiphasenspannung.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• RU 2494520 C2 [0008]

Claims (1)

1. Spule zur Fertigung einer Mehrphasenwicklung der elektrischen Maschine, die in Form eines gleichschenkligen Trapezes aus selbstbackendem Draht ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Elemente der Spule gerade ausgeführt sind, die Spulenköpfe in Bezug auf die aktiven Elemente der Spule rechtwinklig gebogen und zu einem Kreisbogen gewölbt für rotierende elektrische Maschinen sind oder gerade für Linearmotoren ausgeführt sind, und die Abmessungen des Trapezes anhand der Breite des aktiven Elementes der Spule h, der Breite des Magnetkernzahnes h_z, der Spulendicke d und des spitzen Winkels des Trapezes α ermittelt werden, nach der Formell $$\alpha =\text{arccos}\left(\frac{d}{2\left(h+h_z\right)}\right),$$

   

   wobei h_z= 0 für eine nutenlose Ausführung der Wicklung und der Abstand zwischen den aktiven Elementen der Spule 2h + 3h_z beträgt.

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