DE19704652C1

DE19704652C1 - Anwendung einer Ringwicklung in elektrischen Drehfeldmaschinen

Info

Publication number: DE19704652C1
Application number: DE1997104652
Authority: DE
Inventors: Anton Knestel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1997-02-07
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2017-02-08
Also published as: WO1998035423A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Drehfeldmaschine mit einer in einem Stator befindlichen Ringwicklung.

Es ist bekannt, daß eine Ringwicklung als Mehrphasenwechselstromwicklung benützt werden kann. Die Entstehung von Drehfeldern in Drehfeldmaschinen durch das Zusammenwirken der Einzelmagnetfelder der zeitlich veränderlichen Ströme in den Leitern der Spulen ist ebenfalls bekannt. Die Leiter bestehen üblicherweise aus gutleitfähigen Material (Silber, Kupfer, Aluminium oder Legierungen ähnlich hoher Leitfähigkeit) Die nutzmagnetfeldbildenden Leiterlängen befinden sich hierbei isoliert in magnetfeldverstärkendem Material. (z. B. konzentrisch geschnittene, genutete und paketierte Dynamobleche) Wirkungsweise und Aufbau von Läufern bzw. Rotoren, sowohl asynchroner wie synchroner Bauweise in verschiedenen Varianten (z. B. Innen-, Konus-, Scheiben-, und Außenläufer) ist bekannt. Wicklungsarten und -herstellung, sowie die Technologie der Wicklungskühlung ist ebenfalls bekannt. Die Anwendung der Ringwicklung bei Drehfeldmaschinen blieb bisher im wesentlichen ungenutzt, da bei einer Durchmesser- bzw. Sehnenwicklung nicht nur die Hnleiter (z. B. Oberstab) sondern auch die Rückleiter (z. B. Unterstab der selben Teilspule) magnetisch bzw. drehmomentbildend gleichzeitig auf den selben Läufer nur unter der entgegengesetzten Polteilung wirken Diese Durchmesser- bzw. Sehnen wicklungen sind aber bezüglich der Polpaar- und Phasenzahlen eindeutig durch die räumliche Aufteilung der Teilspulen und deren Spulenseiten (im wesentlichen durch Nutzahlen und Wickelschritte) und deren Schaltverbindungen untereinander, gekennzeichnet. Durch Umschaltung der Einspeisepunkte bzw. der Schaltverbindungen lassen sich gegebenenfalls Polpaar- bzw. Phasenzahl im engen Rahmen ändern. Die Lehre der Steuerungs- und Regelungstechnik insbesondere der Umrichtertechnolgie ist bekannt.

Bekannte Drehstromwicklungen weisen, je nach Art und Ausführung zum Teil folgende Nachteile auf:

- durch Wickelkopfausladungen verlängert sich die Baulänge oft erheblich
- geminderte Nutausnutzung durch Füllfaktoren < 50% vor allem bei Träufelwicklungen
- fertigungstechnisch bedingt große Nutöffnungsbreiten
- relativ lange, magnetisch und thermisch unerwünschte Spulenabschnitte in Wickelköpfen
- nur kompromißhafte Möglichkeit der Polpaarzahlveränderung
- direkte Leiterkühlung bei Kleinmaschinen unrentabel

Aus der Offenlegungsschrift DE 44 19 780 A1 ist ein ringförmiger Stator für elektrische Drehmaschinen, der von einem Rotor innen und außen umschlossen wird, bekannt. Diese Maschine besitzt einen hochpermeablen Kern der mit einem isoliertem Draht umwickelt ist. Diese Maschine unterscheidet sich vom Gegenstand der Erfindung, dadurch, daß bei der Erfindung durch einen minimalen Luftspalt zwischen Stator und Rotor ein höherer magnetischer Kopplungsfaktor und dadurch eine kompaktere Bauweise möglich ist. Der minimale Luftspalt wird durch das bekannte Prinzip der Nutung erreicht. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich durch die Verwendung von einem Leiter pro Nut mit der Eigenschaft die Leiterisolation gleichzeitig als Nutisolation zu gestalten und den Nutfüllfaktor wesentlich durch Anpassen von Leiterquerschnitt an den Nutquerschnitt zu steigern. Durch die hieraus entstehende genau definierte Geometrie des elektrischen Feldes an der Leiterisolation sind feldoptimierte Isolationen möglich, die den langzeitigen Betrieb an elektronischen Unirichtern verbessern.

Weiterhin ist aus der Offenlegungsschrift DE 40 23 791 A1 eine Maschine der eingangs genannten Art mit einem Innen- und Außenläufer bekannt, die einen genuteten Stator mit Ringwicklung aufweist. Diese Maschine unterscheidet sich vom Gegenstand der Erfindung, dadurch daß bei der Erfindung durch eine sehr hohe Phasenzahl, der Strom in den Statorleitern größer als der Strom in den Anzapfungen ist. Dadurch sind Wicklungen mit nur einem Leiter und trotzdem hoher Speisespannung in einem breiteren Baugrößenspektrum realisierbar. Diese Einleitertechnik weist neben den Vorteilen eines hohen Nutfüllfaktors die technische Ausführbarkeit mit parallelkühlbaren Hohlleiterspulen auf.

Solche parallelgekühlten Hohlleiterspulen können technisch vorteilhaft mit geringem Druck mit einem Kühlmedium beschickt werden und somit die Stromdichte im Leiter enorm gesteigert werden. Da diese Hohlleiterspulen einschiebbar also zweckmäßigerweise U-förmig gestaltet sind und daher vor, während und nach dem Einbau eine gleiche genau definierte Form aufweisen, entstehen in der Fertigung leicht automatisierbare Arbeitsschritte. Weiterhin sind bei solchen Spulen innovative Werkstoffe mit hoher Durchschlags- und Temperaturfestigkeit, die nur im Beschichtungsverfahren aufgetragen werden können, überhaupt erst sinnvoll einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diese Nachteile durch einen neuartigen Wicklungsaufbau zu beheben, und darüberhinaus die Wicklung so zu gestalten, daß die Vorteile der Umrichtertechnologie ausgeschöpft werden können. Diese Aufgabe wird durch kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist gedacht zum Antrieb für Elektrofahrzeuge, insbesondere als Radnabenantrieb, aber auch als Antrieb in anderen Sparten der Technik einsetzbar.

Folgende Vorteile sind je nach Bedarf gegebenenfalls durch entsprechende Ausgestaltungen zu erreichen:

- Eine gegensinnige Polpaar-Phasenzahl-Umschaltung, gemäß zweckmäßigen Ausgestaltung durch Betrieb mit linear unabhängigen bzw. mehreren unabhängigen verketteten bzw. vollverketteten Mehrphasenwechselströmen Bei diesen Wechselströmen sind die Phasenwinkel zueinander sowie die Amplituden höhe einstellbarer. Beim Betrieb mit hoher Polpaarzahlen liegen die Vorteile an den kleinen erreichbaren Drehzahlen bei großen Drelunomenten. Ausnutzbar z. B. im Anfahrbetrieb. Beim Betrieb mit hoher Phasenzahl liegen die Vorteile an der Stromüberlagerung, die bei wesentlich kleineren Bauleistungen gleicher Bemessungs spannung den Vorteil eines Leiters pro Nut mit sich bringt. z. B. Eine Ringwicklung mit 72 Ausführungen (a) ermöglicht nach dem Zusammenhang a = m × p wobei m die Phasenzahl und p die Polpaarzahl ist, folgende Einspeisemöglichkeiten: 3 phasig/24 polpaarig; 4 phasig/18 polpaarig; 6 phasig/12 polpaarig; 8 phasig/9 polpaarig; 9phasig/8 polpaarig; 12 phasig/6 polpaarig; 18 phasig/4 polpaarig; 24 phasig/3 polpaarig; 36 phasig/2 polpaarig; 72 phasig/1 polpaarig. Bei Drehfeldmaschinen mit selbstausprägenden Polen, wie besonders die Kurzschlußläufer-Asynchronmaschinen können die Polpaar-Phasenzahl- Umschaltungen angewendet werden. Bei Drehfeldmaschinen mit Läufern ausgeprägter Polpaarzahl z. B. Synchronmaschinen fremd- und dauererregter Bauart, Reluktanzmaschinen; aber auch Schleifringläufer maschinen; kann nur ein bestimmtes Polpaar-Phasenzahl-Verhältnis gewählt werden.
- Hoher Nutfüllfaktor, gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung durch Verwendung von identischer Querschnittsform des isolierten Leiters und der Nut bei Windungszahl gleich eins vorzugsweise mit genügender Isolierfähigkeit der Leiterisolation gegenüber der Nut (Leiterisolation ist zugleich Nutisolation) Durch unterschiedliche Querschnitte und Querschnittsformen (z. B. Oberstab zu Unterstab); und entsprechend gestaltete Nutformen können gegebenenfalls magnetisch bzw. thermisch Vorteile erzielt werden. Durch das Einziehen der Leiter kann die Nutöffnungsbreite magnetisch optimiert werden
- Kleine Wickelhopfhöhen; gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung einer Einzieherwicklung mit kreuzungsfreien Teilspulen, aber auch durch Einsatz gerader, stabförmiger Leiter bzw. U-förmig gebogener Spulen, die an den Wickelköpfen durch flache Schaltbrücken verschraubt (durch Gewinde an den Enden) oder durch anderweitige Verbindungsverfahren (z. B. verlöten, verschweißen, verpreßen) verbunden werden Die Befestigung von magnetfeldverstärkendem Material (z. B. Blechpaket) am Statorgehäuse kann dabei als Zusatzfunktion von den Spulen übemommen werden. Vorzugsweise U-förmige Spulen mit Gewinde ermöglichen den Einbau und das Spannen von Federelementen (zur Wärmeausdehnungskompensation) Eine sehr wirksame Kühlung mittels Gasen oder Flüssigkeiten durch Verwendung von Hohlleitern im Stator und bekannter Vorrichtungen in der Peripherie ist möglich Durch U-förmige hohle Spulen mit Gewinde kann das Kühlmedium von einer Wickelkopfseite her zu- bzw. abgeführt werden, wobei das Gewinde zusätzlich als Anschlußmöglichkeit für isolierende Kühlmittelleitungen dienen kann
- Verwendung mehrerer Windungen pro Nut, gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung durch bekannter Herstellung einer Einzieherwicklung; oder vorzugsweise Bewicklung von weiter geöffneten Nuten durch die von Ringkerntransformatoren her bekannte Art der maschinellen Bewicklung, mit gleichzeitiger Einwicklung eines geeigneten Halterahmens zur Befestigung am Statorgehäuse. Dabei kann das magnetfeldverstärkende Material aus üblichen Einzelblechen bestehen. (bei Außen- bzw. Innenläufern) Als magnetfeldverstärkendes Material kann auch aufgerolltes Dynamoblech (ähnlich eines Ringbandkernes) mit vorzugsweise nach dem Aufrollen eingebrachten Nuten dienen. (bei Ein- bzw. Zweifach- Scheibenläufern)
- Möglichst hohe magnetische Ausnutzung der Spulen, gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung durch jeweilige Nutzung der Hin- bzw. Rückleiter der Ringwicklung jeweils in einem eigenen Luftspalt mit zugehörigen eigenen Läufer. Durch vorzugsweise mindestens zwei Läufer wird der entscheidende Nachteil der Ringwicklung behoben.
Die Läufer können sich in Art und Aufbau unterscheiden (z. B. Reluktanzinnenläufer und permanenterregter Synchronaußenläufer) und können auch mechanisch voneinander getrennt betrieben werden. (z. B. bei Hybridfahrzeug-Antrieben, asynchron im Generatorbetrieb einspeisend und gleichzeitig synchron im Motor betrieb treibend)
Konstruktiv wesentlich ist dabei die Befestigung des Blechpakets am Statorgehäuse, die erfindungsgemäß vorzugsweise mittels der Wicklung erfolgt. Wichtige Ausführungsarten sind z. B. Innen- und Außenläufer bei radialer Anordnung und Zweifach-Scheibenläufer bei axialer Anordnung.
- Die Summe der Vorteile ermöglichen ein sehr hohes Leistungs-Masse-Verhältnis.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näherbeschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 einen axialer Vollschnitt durch eine Drehfeldmaschine

Fig. 2 einen radialen Schnitt in der Linie II-II mit teilweiser Ansicht in Richtung IIa der Fig. 1

Es handelt sich um eine umlaufende elektrische Maschine mit einer Mehrphasenwechselstrom-Ringwicklung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Drehfeldmaschine 1.

Die Drehfeldmaschine 1 besteht im wesentlichen aus einem Stator 24 und einem Rotor 4. Der Stator 24 setzt sich im wesentlichen zusammen aus einer Achse 10 mit einem angeschmiedenen Flansch 10a, einer Statorplatte 2 und einem Blechpaket 3.

Der Rotor 4 setzt sich im wesentlichen zusammen aus einen Innenkurzschlußläufer rotor 15, einen Außenkurzschlußläuferrotor 16, einer Hohlwelle 18, einem hochfesten Stahlmantel 20 und den Kurzschlußringen 13, 14, 17. Die Drehmomentabgabe erfolgt dabei über die Gewindenippel 19. Angebaut wird die Drehfeldmaschine 1 wird über den Flansch 10a, mittels der überstehenden Gewindenippel der Innensechskant schrauben 11, die gleichzeitig eine runde Statorplatte 2 aus glasfaserverstärktem Kunststoff hält. Die Statorplatte 2 trägt ein konzentrisch aufgeklebtes Blechpaket 3 mit einer Ringwicklung 101 und dem drehbargelagerten Rotor 4. Das Blechpaket 3 ist unverdrillt paketiert und setzt sich aus konzentrisch, in Kreisringen geschnittenen Dynamobacklackbleche 102 zusammen. Auf konzentrischen Teilkreisen ist dieses Blechpaket 3 mit je 72 kreisförmigen, gleichmäßigverteilten, axialverlaufende, kreisförmige Nuten 106 versehen und zum jeweils näheren Rand hin mit einer schmalen Nutöffnung 107 versehen, dabei liegen die Mittelpunkte je einer inneren und einer äußeren Nut 106 mit dem Blechmittelpunkt auf in einer Flucht. An allen axialen Nutaustritten 22 sind die Nuten 106 zur Feldstärkeentspannung in möglichst guter Annäherung an das bekannte Rogowskiprofil angesenkt.

In diese Nuten 106 sind entsprechend passende U- förmig gebogene dickwandige Röhren mit einem kreisförmigen Durchmesser als Spulen 5 von der Gegenseite der Statorplatte 2 her eingeschoben, in der Weise, daß die eine Spulenseite in einer inneren Nut 106a, die andere Spulenseite in der nächstliegenden äußeren Nut 106b steckt. Die Spulen 5 bestehen aus hochleitfähigen Kupfer mit einer Fluor-Kunststoff (PTFE) - Isolierschicht und sind an den Enden als Gewinderohr 6 ausgeführt.

An einem Wickelkopf 23 befindet sich zwischen Blechpaket 3 und Röhrenbiegungen ein umlaufender auf der neutralen Faser des Blechpakets 3 liegender Isolierring 7 aus PTFE zur Aufnahme der Spulenzugkräfte. Die Statorplatte 2 ist den Nuten 106 entsprechend, zum Durchlaß der Spulen 5 gebohrt; die Länge der Spulen 5 ist dabei so gewählt, daß nur das Gewinderohr 6 aus der Statorplatte 2 ragt. Auf die Gewinde der Gewinderohre 6 werden leitfähige Schaltbrücken 103 so mittels Vierkant- Muttern 104 aufgeschraubt, daß eine fortlaufende, geschlossene, eingängige Ringwicklung 101 entsteht. An den Schaltbrücken 103 sind Leitungen als Anzapfungen 8 angelötet. Da die Spulen 5 somit auch das Blechpaket 3 halten, sind an konstruktiv geeigneter Stelle magnetfeldtaugliche Federelemente 9 zur Wärmeausdehnungskompensation eingebaut. Ein sonst übliches Imprägnieren der Wicklung ist nicht erforderlich. Die Kühlmittelzufuhr erfolgt bei Bedarf über das restlich überstehende Gewinderohr 6. Entlang der konstruktiven Achse des Stators 24, im Abschnitt des Blechpakets 3, befindet sich die mit dem Stator 24 fest verbundene Achse 10. Die Statorplatte 2 ist in der Mitte um den entsprechenden Achsendurchmesser aufgebohrt. Über Rollen- bzw. Kugellager 12 in Funktion als Los- bzw. Festlager ist der Innenkurzschlußläuferrotor 15 in konstruktiv üblicher Weise drehbar gelagert und nur über einen geringen Luftspalt 23a vom Stator 24 getrennt. An der Stelle eines umlaufenden Innen-Kurzschlußrings 13 ist die Statorplatte (2) entsprechend ausgedreht. An der Gegenseite der Statorplatte 2 befindet sich der Kombinations- Kurzschlußring 14, der in Form einer Kreisringscheibe mechanisch den Innenkurzschlußläuferrotor 15 und den Außenkurzschlußläuferrotor 16 verbindet und bildet für beide Rotoren 14, 16 den Kurzschlußring. Alle Kurzschlußringe 13, 14, 17 und die Stäbe der als Doppelstabläufer 105 ausgeführten Rotoren 15, 16 sind aus Aluminium gegossen. Der Außenkurzschlußläuferrotor 16 ist so befestigt, daß er über einen kleinen Luftspalt 23b über der äußeren Oberfläche des Blechpakets 3 läuft. Auf der Statorplattenseite des Außenkurzschlußläuferrotors 16 befindet sich ein Außenkurzschlußring 17 und über dem Außenkurzschlußläuferrotor 16 der hochfester Stahlmantel 20 zur Aufnahme der Fliehkräfte. Zur Ansteuerung dient ein 72 phasiger Pulswechselrichter mit den bei den Vorteilen genannten Polpaar-Phasenzahl-Umschaltungen und variabler Amplitudenhöhen.

Die vorstehend beschriebene Drehfeldmaschine ist als Asynchronmaschine mit Innen- und Außenläufer ausgeführt. Ein ähnlicher Aufbau ist auch in der Ausführung als Synchronmaschine durch andere Gestaltung des Rotors möglich.

Claims

1. Elektrische Drehfeldmaschine mit einer in einem Stator befindlichen Ringwicklung, die kleine Wickelkopfhöhen durch kreuzungsfreie und kurze Spulenköpfe aufweist und in einem magnetfeldverstärkenden Material wirkt, mit mindestens einem gelagerten Läufer, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (5) der Ringwicklung (101) im Stator (24) mit Anzapfungen (8) versehen sind, so daß eine Vieleckschaltung entsteht, wobei in den Spulen (5) über die Anzapfungen (8) sich überlagernde vielphasige Wechselströme eingespeist werden, wobei eine definierte Festlegung der Phasenwinkel der Wechselströme zueinander eine Phasenzahl (m) und eine zugehörige Polpaarzahl (p) ergeben und wobei das Produkt m × p die Anzahl der stromeinspeisenden Anzapfungen (8) ist, so daß der Strom in der Ringwicklung (101) größer ist als jeweils die Wechselströme in den Anzapfungen (8) und ein größerer Windungsquerschnitt und pro Nut ein einziger Leiter möglich ist.

2. Drehfeldmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Drehfeldmaschinen mit Läufern selbstausprägender Polpaarzahl, vorzugsweise Kurzschlußläufer-Asynchronmaschinen, das Produkt m × p aus unterschiedlichen Polpaarzahlen (p) gebildet werden kann.

3. Drehfeldmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Drehfeldmaschinen mit Läufern ausgeprägter Polpaarzahl, sowohl asynchroner wie synchroner Bauart die Polpaarzahl (p) der Ringwicklung (101) konstant ist.

4. Drehfeldmaschine nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter der jeweiligen Form der Nut (106) angepaßt sind und vorzugsweise die Leiterisolation zugleich die Funktion der Nutisolation erfüllt.

5. Drehfeldmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (5) aus U-förmig gebogenen Leitern bestehen und an den Enden mit Gewinden (6) versehen sind.

6. Drehfeldmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter hohl ist und mit einem Kühlmedium beschickt werden kann.

7. Drehfeldmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetfeldverstärkende Material aus aufgewickelten Dynamoblechstreifen besteht.

8. Drehfeldmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stator (24) und mindestens zwei Läufer (15, 16) vorhanden sind, die jeweils einen eigenen Luftspalt (23a, 23b) zum Stator (24) aufweisen und sich in Art des Aufbaus und in der Betriebsweise unterscheiden können.