DE202017107388U1

DE202017107388U1 - Multi-tooth coil winding for a 3-phase induction machine

Info

Publication number: DE202017107388U1
Application number: DE202017107388.2U
Authority: DE
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2017-12-18
Anticipated expiration: 2027-12-06

Abstract

Drehfeldmaschine mit einem 2p-poligen Ständer mit Wickelzähnen (Z), ausgebildet mit einer Wicklungsanordnung in Zahnspulentechnik umfassend drei Wicklungsstränge (W1, W2, W3), wobei die Wicklungsanordnung aus gewickelten Spulengruppen (G) mit mehrfach ineinander verschachtelten Spulen gebildet wird, wobei die Teilspulen (T) der besagten Spulengruppen (G) von innen nach außen sich konzentrisch umschließend angeordnet sind sowie zwei oder auch mehrere Wickelzähne (Z) umfassen, wobei die jeweilige Spulenwindungszahlen in den Nuten (N) zwischen den Wickelzähnen (Z) so vorgesehen sind, dass jeweils eine im Wesentlichen gleichgroßen Belegung jeder Nut (N) mit dem gleichen wirksamen Gesamtleiterquerschnitt der Spulen pro Nutquerschnitt gegeben ist.Rotary field machine with a 2p-pole stator with winding teeth (Z), formed with a winding arrangement in Zahnspulentechnik comprising three winding strands (W1, W2, W3), wherein the winding assembly of wound coil groups (G) is formed with multiply nested coils, wherein the partial coils (T) of said coil groups (G) are arranged concentrically surrounding from inside to outside and two or more winding teeth (Z), wherein the respective coil turn numbers in the grooves (N) between the winding teeth (Z) are provided so that each one substantially equal occupancy of each groove (N) is given with the same effective Gesamtleiterquerschnitt the coils per groove cross-section.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für eine 3-strängige Drehfeldmaschine sowie eine 3-strängige Drehfeldmaschine mit einer solchen Wicklungsanordnung.The invention relates to a winding arrangement for a 3-phase induction machine and a 3-phase induction machine with such a winding arrangement.

Umrichter gespeiste permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PM Synchronmaschinen) kommen bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen zum Einsatz. Aus Kostengründen werden PM Synchronmaschinen zunehmend mit so genannten Zahnspulenwicklungen ausgeführt. Die Zahnspulentechnik vereinfacht den Ständeraufbau einer PM-Synchronmaschine und ermöglicht zudem einen segmentierten Ständeraufbau, so dass der Ständer modulweise in einer Art Baukastenkonzept gefertigt werden kann. Nachteilig bei Zahnspulenwicklungen ist es, dass diese ein breites Luftspaltfeldspektrum ausbilden, das je nach Motordesign mehr oder weniger störend sein kann.Inverter-fed permanent magnet synchronous machines (PM synchronous machines) are used in a large number of technical applications. For reasons of cost PM synchronous machines are increasingly running with so-called tooth coil windings. The tooth coil technology simplifies the stator structure of a PM synchronous machine and also enables a segmented stator structure, so that the stator can be manufactured in modules in a kind of modular concept. A disadvantage of tooth coil windings is that they form a broad air gap field spectrum, which can be more or less disturbing depending on the engine design.

Im Stand der Technik sind zu Zahnspulenwicklungen bereits unterschiedliche Wicklungskonzepte bekannt. Die Druckschrift US 20120228981 A1 setzt sich die Reduzierung einer Subharmonischen in Bezug auf die Arbeitsfeldwelle zur Aufgabe und schlägt als Lösung eine Mehrschichtwicklung, bestehend aus mindestens zwei Spulenseiten pro Nut, vor, wobei die Leiterzahl der Spulenseiten in einer ersten Nut von der Leiterzahl der Spulenseiten in einer zweiten Nut verschieden ist, wobei die Spulen als Zahnspulen ausgeführt werden.In the prior art, different winding concepts are already known for tooth coil windings. The publication US 20120228981 A1 is the reduction of a subharmonic with respect to the working field wave to the task and proposes as a solution a multi-layer winding, consisting of at least two coil sides per groove, before, wherein the number of conductors of the coil sides in a first groove of the number of conductors of the coil sides in a second groove is different wherein the coils are designed as tooth coils.

In der Druckschrift US 20120001512 A1 wir ein Stator mit einer doppelten Anzahl von Nuten gegenüber dem Stand der Technik vorgeschlagen. Die Spulen umschließen dabei jeweils zwei Zähne. Die Spulen sind gekennzeichnet durch unterschiedliche Windungszahlen bei gleicher Spulenweite.In the publication US 20120001512 A1 we proposed a stator with a double number of grooves over the prior art. The coils enclose two teeth each. The coils are characterized by different numbers of turns with the same coil width.

Auch die Druckschrift US 20140035425 A1 beschäftigt sich mit der Reduzierung von unerwünschten Oberfeldern durch eine kostengünstig herstellbare Wicklung. Es wird eine Mehrschicht-Zahnspulenwicklung vorgeschlagen, wobei die einzelnen Spulen eines Stranges unterschiedliche Windungszahlen aufweisen und die Zähne eine unterschiedliche Anzahl von Zahnspulen tragen. Auch diese Wicklungstopologie ist für kleine Polzahlen nicht zielführend.Also the publication US 20140035425 A1 deals with the reduction of unwanted upper fields by a cost-producible winding. It is proposed a multilayer tooth coil winding, wherein the individual coils of a strand have different numbers of turns and the teeth carry a different number of tooth coils. Also, this winding topology is not effective for small numbers of poles.

Bei sogenannten AC-Line-Start-Motoren besteht die Notwendigkeit der Line-Start-Funktionalität, wobei sich das breite Luftspaltfeldspektrum der Zahnspulenwicklungen störend auswirkt, da durch die hieraus resultierenden Oberwellendrehmomente der Hochlauf der Line-Start-Motoren insgesamt gestört bis unterbunden wird. Käfigläufermotoren und PM-Line-Start-Motoren sind daher mit den im Stand der Technik bekannten Zahnspulenwicklungen somit nicht sinnvoll ausführbar.In so-called AC line-start motors, there is a need for line-start functionality, with the broad air gap field spectrum of the tooth coil windings having a disturbing effect, since the run-up of the line start motors as a whole is disturbed or prevented by the resulting harmonic torques. Squirrel cage motors and PM line-start motors are therefore not meaningful executable with the tooth coil windings known in the prior art.

Dahingegen lassen sich z. B. kleine PM Synchronmotoren, die feldorientiert am Umrichter betrieben werden und zunehmend im Bereich der Hochdrehzahlantriebe zum Einsatz kommen, grundsätzlich in Zahnspulentechnik ausführen.In contrast, z. B. small PM synchronous motors that are field-oriented operated on the inverter and are increasingly used in the field of high-speed drives, basically in dental coil technology run.

Ein weiteres grundsätzliches Problem besteht in der Nutzung der Zahnspulenwicklung bei niedrigen Polzahlen. Da Zahnspulenwicklungen Prinzip bedingt zu höheren Polpaarzahlen tendieren, lassen sich PM Synchronmotoren mit niedriger Polzahl (z. B. 2-polig oder 4-polig) für Hochdrehzahlantriebe mit den bekannten Zahnspulenwicklungen nur sehr beschränkt realisieren.Another fundamental problem is the use of the tooth coil winding at low numbers of poles. Since tooth coil windings tend to higher pole pair numbers due to the principle, PM synchronous motors with a low number of poles (eg 2-pole or 4-pole) can only be implemented to a very limited extent for high-speed drives with the known tooth coil windings.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine Wicklungstopologie in der Ausprägung einer Zahnspulenwicklung für eine 3-strängige Drehfeldmaschine, wie z. B. eine 3-strängige n Motorausführung vorzuschlagen, die auch bei niedrigen Polzahlen (2-polig und 4-polig) wirkungsvoll einsetzbar ist und zudem ein günstiges Wicklungsfeldspektrum besitzt.It is therefore an object of the present invention to overcome the above-mentioned drawbacks and a winding topology in the form of a tooth coil winding for a 3-strand induction machine, such. B. to propose a 3-stranded n motor design, which is effectively used even at low numbers of poles (2-pin and 4-pin) and also has a favorable winding field spectrum.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by the feature combination according to claim 1.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zahnspulenwicklung mit einem spezifischen Wicklungsschema für drei Wicklungsstränge W1, W2, W3 vorzusehen, bestehend aus Spulengruppen mit mehrfach ineinander verschachtelten Spulen und vorzugsweise sich stetig ändernder Weite, wobei die Teilspulen der besagten Spulengruppen von innen nach außen (ohne Überkreuzung der Leiter der Teilspulen) sich konzentrisch umschließend angeordnet sind, einen oder auch mehrere Zähne umfassen sowie gleiche oder unterschiedliche Spulenwindungszahlen aufweisen bei einer im Wesentlichen gleichgroßen Belegung jeder Nut mit dem gleichen wirksamen Gesamtleiterquerschnitt pro Nutquerschnitt.A basic idea of the present invention is to provide a tooth coil winding with a specific winding scheme for three winding strands W1, W2, W3, consisting of coil groups with multiply interleaved coils and preferably continuously changing width, wherein the partial coils of said coil groups from inside to outside (FIG. without crossing the conductors of the partial coils) are arranged concentrically surrounding, comprise one or more teeth and have the same or different coil turns numbers at a substantially equal occupancy of each groove with the same effective Gesamtleiterquerschnitt per groove cross-section.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Spulengruppen diametral symmetrisch zueinander angeordnet sind und sich räumlich entlang des Umfangs in ihrer Anordnung in den Wicklungslagen teilweise überdecken. It is particularly preferred if the coil groups are arranged diametrically symmetrical to each other and partially overlap spatially along the circumference in their arrangement in the winding layers.

Erfindungsgemäß ist demnach eine 3-strängige Drehfeldmaschine mit einem 2p-poligen Ständer mit Wickelzähnen vorgesehen, ausgebildet mit einer Wicklungsanordnung in Zahnspulentechnik, umfassend drei Wicklungsstränge W1, W2, W3, wobei die Wicklungsanordnung aus gewickelten Spulengruppen mit mehrfach ineinander verschachtelten Spulen (Teilspulen) gebildet wird, wobei die Teilspulen der besagten Spulengruppen sich von innen nach außen konzentrisch umschließend angeordnet sind sowie zwei oder auch mehrere Wickelzähne umfassen, wobei die jeweiligen Spulenwindungszahlen in den Nuten zwischen den Wickelzähnen so vorgesehen bzw. gewickelt sind, dass jeweils eine im Wesentlichen gleichgroße Belegung jeder Nut mit dem gleichen wirksamen Gesamtleiterquerschnitt der Spulen pro Nutquerschnitt gegeben ist.According to the invention, therefore, a three-phase induction machine is provided with a 2p-pole stator with winding teeth, formed with a winding arrangement in dental coil technology, comprising three winding strands W1, W2, W3, wherein the winding arrangement of wound coil groups with multiple nested coils (partial coils) is formed wherein the sub-coils of said coil groups are arranged concentrically surrounding from inside to outside and comprise two or more winding teeth, wherein the respective coil winding numbers are provided or wound in the grooves between the winding teeth, that in each case a substantially equal occupancy of each groove is given with the same effective Gesamtleiterquerschnitt the coils per groove cross-section.

Besonders bevorzugt ist es, wenn sich die Spulengruppen im Stirnbereich nicht überlappen, d. h. ohne sich kreuzende Leiter, kreuzende Teilspulen oder kreuzende Spulengruppen ausgeführt sind.It is particularly preferred if the coil groups do not overlap in the forehead area, d. H. are executed without intersecting conductors, crossing partial coils or crossing coil groups.

Die genannte Aufgabe kann somit durch eine 3-strängige „Multi-Zahnspulenwicklung” gelöst werden, die auch eine verteilte Zahnspulenwicklung darstellt. Das Grundelement und damit das Gleichteil einer solchen 3-strängigen Multi-Zahnspulenwicklung ist eine q-fache Zahnspule, die 2*q benachbarte Nuten des Ständers jeweils zur Hälfte (in der Oberschicht oder der Unterschicht) belegt. Der Faktor q ist dabei vorzugsweise q = 2, 3 oder 4.The stated object can thus be achieved by a 3-stranded "multi-tooth coil winding", which also represents a distributed tooth coil winding. The basic element and thus the common part of such a 3-stranded multi-tooth coil winding is a q-fold tooth coil, which occupies 2 * q adjacent slots of the stator half respectively (in the upper layer or the lower layer). The factor q is preferably q = 2, 3 or 4.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist demnach vorgesehen, dass jeweils benachbarte Wickelzähne bzw. Nuten des Ständers, zu einem Teil mit einem Wicklungsstrang, nämlich entweder in der Oberschicht oder der Unterschicht bewickelt sind.In an advantageous embodiment of the invention, it is accordingly provided that in each case adjacent winding teeth or grooves of the stator are wound into a part with a winding strand, namely either in the upper layer or the lower layer.

Es ist weiter mit Vorteil vorgesehen, dass die Leiterzahl einer weiter außenliegenden Teilspule einer Spulengruppe größer ist als die Leiterzahl einer weiter innenliegenden Teilspule. Die Teilspulenanordnung ist stets konzentrisch.It is further provided with advantage that the number of conductors of a further outer partial coil of a coil group is greater than the number of conductors of a further inner partial coil. The partial coil arrangement is always concentric.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leiterzahl der Teilspulen von der äußeren zur inneren Teilspule hin, abnimmt. In einer dabei besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Leiterzahl der Teilspulen von der äußeren zur inneren Teilspule hin stetig abnimmt, sozusagen die Abnahme der Leiterzahl von Teilspule zu Teilspule in den gleichen Schritten abnimmt.In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the number of conductors of the partial coils decreases from the outer to the inner partial coil. In a particularly advantageous embodiment, it is provided that the number of conductors of the sub-coils decreases steadily from the outer to the inner sub-coil, so to speak, the decrease in the number of conductors from sub-coil to sub-coil decreases in the same steps.

Eine für die Praxis besonders geeignete Ausgestaltung sieht vor, dass mit q = 3 genau 3 Teilspulen um die entsprechende Multi-Zahnspule gewickelt sind und die Anzahl der Leiter der Teilspulen einer Multi-Zahnspule wie folgt verteilt sind: a. die äußerste Teilspule (T): Zo Leiter + ΔZ Leiter b. die mittlere Teilspule (T): Zo Leiter c. die innere Teilspule (T): Zo Leiter – ΔZ Leiter An embodiment which is particularly suitable for practice provides that with q = 3 exactly 3 partial coils are wound around the corresponding multi-tooth coil and the number of conductors of the partial coils of a multi-tooth coil are distributed as follows: a. the outermost subcoil (T): Zo conductor + ΔZ conductor b. the middle part coil (T): Zo conductor c. the inner part coil (T): Zo conductor - ΔZ conductor

Dabei stellt der Wert Zo eine vorbestimmte Anzahl an Leitern in der besagten Teilspule dar, während ΔZ die Differenz der Leiterzahl zu der jeweils außenliegenden bzw. innenliegenden Teilspule.In this case, the value Zo represents a predetermined number of conductors in said sub-coil, while ΔZ represents the difference of the number of conductors to the respective outer or inner sub-coil.

Andere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Other advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims or will be described in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to FIGS.

Es zeigen:Show it:

1 einen Zonenplan mit Kennzeichnung der Spulenführung für die Fälle q = 2, 3 und 4, 1 a zone plan with marking of the coil guide for the cases q = 2, 3 and 4,

2 einen Strang-Zonenplan einer 2-poligen, 3-strängigen Zahnspulenwicklung für die Fälle q = 2, 3 und 4, 2 a strand zone diagram of a 2-pole, 3-stranded tooth coil winding for the cases q = 2, 3 and 4,

3 einen Zonenplan einer 2-poligen, 3-strängigen Zahnspulenwicklung für den Fall q = 4, 3 a zone plan of a 2-pole, 3-strand tooth coil winding for the case q = 4,

4 einen Zonenplan mit unterschiedlichen Leiterzahlen für eine Multi-Zahnspule mit q = 3, 4 a zone plan with different numbers of conductors for a multi-tooth coil with q = 3,

5 eine alternative Ausführung eines Zonenplans zur 4 mit unterschiedlichen Leiterzahlen für eine Multi-Zahnspule mit q = 3, 5 an alternative embodiment of a zone plan for 4 with different numbers of conductors for a multi-tooth coil with q = 3,

6 zwei Zonenpläne mit unterschiedlichen Leiterzahlen für eine Multi-Zahnspule mit q = 4 und 6 Two zone plans with different numbers of conductors for a multi-tooth coil with q = 4 and

7 einen Zonenplan einer 2-poligen, 3-strängigen Zahnspulenwicklung für eine Multi-Zahnspule mit q = 4 mit einer abnehmenden Leiterzahl aber identischen Nutfüllung. 7 a zone plan of a 2-pole, 3-strand tooth coil winding for a multi-tooth coil with q = 4 with a decreasing number of conductors but identical groove filling.

Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die 1 bis 7 näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle oder funktionale Merkmale hinweisen. Die 1 zeigt einen Zonenplan mit Kennzeichnung der Spulenführung für die Fälle q = 2, 3 und 4 (wobei x und * die jeweilige Wicklungsrichtung bzw. Bestromungsrichtung angibt).The invention will be described below with reference to FIGS 1 to 7 described in greater detail, wherein like reference numerals refer to the same structural or functional features. The 1 shows a zone plan with identification of the coil guide for the cases q = 2, 3 and 4 (where x and * indicates the respective winding direction or Bestromungsrichtung).

Ein 2-poliger, 3-strängiger Drehfeldständer mit Multi-Zahnspulenwicklung umfasst genau N = 3 × 2q = 6q Nuten N, was im Falle der in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiele bedeutet, bei q = 2 (12 Nuten), bei q = 3 (18 Nuten) und bei q = 4 (24 Nuten). Jeder Wicklungsstrang W1, W2, W3 der 3-strängigen Multi-Zahnspulenwicklung besteht dabei entsprechend der 2 aus zwei Multi-Zahnspulen, die sich einmal in der Unterschicht US und einmal in der Oberschicht OS befinden. Die zwei Multi-Zahnspulen eines Wicklungsstranges sind genau um eine Polteilung, also um N/2p Nutteilungen (wobei 2p die Polzahl ist) gegeneinander versetzt, im genannten Ausführungsbeispiel um 3q Nutteilungen, und sind dadurch diametral symmetrisch angeordnet. Die Wickelrichtung und demzufolge die Stromrichtung beider Multi-Zahnspulen der Wicklungsstränge W1, W2 ist jedoch umgekehrt. Der Übergang auf eine höhere Ständernutzahl erhöht zwar den Wicklungsaufwand, jedoch verbessern sich dadurch das Oberfeldverhalten und die Wicklungsentwärmung über das Blechpaket des Ständers. Ferner ermöglicht ein geringeres Kupfervolumen der Teilspulen eine Vereinfachung beim Wickelprozess.A 2-pole, 3-strand rotating stator stand with multi-tooth coil winding comprises exactly N = 3 × 2q = 6q grooves N, which in the case of 1 shown embodiments, at q = 2 (12 grooves), at q = 3 (18 grooves) and at q = 4 (24 grooves). Each winding strand W1, W2, W3 of the 3-stranded multi-tooth coil winding consists in accordance with the 2 consisting of two multi-tooth coils, which are located once in the lower layer US and once in the upper layer OS. The two multi-tooth coils of a winding strand are exactly offset by a pole pitch, ie by N / 2p slot pitches (where 2p is the number of poles) against each other, in the mentioned embodiment by 3q slot pitches, and are thus arranged diametrically symmetrical. However, the winding direction and consequently the current direction of both multi-tooth coils of the winding strands W1, W2 is reversed. Although the transition to a higher number of stator increases the winding effort, but thereby improve the upper field behavior and the Wicklungsentwärmung on the laminated core of the stator. Furthermore, a smaller copper volume of the partial coils allows a simplification in the winding process.

Die 2 zeigt einen Strang-Zonenplan einer 2-poligen, 3-strängigen Zahnspulenwicklung für die Fälle q = 2, 3 und 4, wobei beispielhaft der Wicklungsstrang W1 gezeigt ist. Die Wicklungsstränge W1, W2, W3 der 2-poligen Drehfeldwicklung entsprechend der 3 sind gegeneinander um N/3p Nutteilungen versetzt, was in dem Ausführungsbeispiel 2q Nutteilungen bedeutet. In der 3 ist der Zonenplan einer 2-poligen, 3-strängigen Zahnspulenwicklung für den Fall q = 4 dargestellt.The 2 shows a strand zone plan of a 2-pole, 3-strand tooth coil winding for the cases q = 2, 3 and 4, wherein the winding strand W1 is shown by way of example. The winding strands W1, W2, W3 of the 2-pole rotating field winding according to 3 are offset from each other by N / 3p slot pitches, which means in the embodiment 2q slot pitches. In the 3 is the zone plan of a 2-pole, 3-stranded tooth coil winding for the case q = 4 shown.

Sofern eine höherpolige Drehfeldwicklung benötigt wird, so lässt sich dies einfach dadurch realisieren, dass der in der 3 gezeigte Zonenplan entsprechend der gewünschten Polpaarzahl multipliziert wird, bei einer 4-poligen Wicklung also verdoppelt wird.If a higher-pole rotating field winding is required, this can be realized simply by the fact that in the 3 shown zone plan is multiplied according to the desired number of pole pairs, that is doubled in a 4-pole winding.

Betrachtet man nun das Luftspaltfeldspektrum für die Ausführungsform einer 3-strängigen Multi-Zahnspulenwicklung, so wird ein Luftspaltfeldspektrum mit den folgenden Ordnungszahlen erregt: v/p :1 + 6*g mit g = 0, ±1, ±2, ±3, ±4, ... Considering now the air-gap field spectrum for the embodiment of a 3-stranded multi-tooth coil winding, an air-gap field spectrum is excited with the following atomic numbers: v / p: 1 + 6 * g with g = 0, ± 1, ± 2, ± 3, ± 4, ...

Sofern man den Nutschlitz als vernachlässigbar betrachtet, ergeben sich betragsmäßig genau q unterschiedliche Wicklungsfaktoren, die sich, wie in nachfolgender Tabelle für q = 2, 3 und 4 dargestellt, zyklisch wiederholen. q = 2 q = 3 q = 4 v/p |ξ_v| |ξ_v| |ξ_v| ... ... ... ... 13 0,4830 0,1088 0,0630 7 0,1294 0,0887 0,0788 1 0,4830 0,4799 0,4788 –5 0,1294 0,1088 0,1027 –11 0,4830 0,0887 0,0630 ... ... ... ... If the slot slot is considered to be negligible, exactly q results in different winding factors, which repeat cyclically, as shown in the following table for q = 2, 3 and 4. q = 2 q = 3 q = 4 v / p | ξ _v | | ξ _v | | ξ _v | ... ... ... ... 13 .4830 .1088 0.0630 7 0.1294 0.0887 0.0788 1 .4830 .4799 .4788 -5 0.1294 .1088 .1027 -11 .4830 0.0887 0.0630 ... ... ... ...

Es ist auch möglich, die q konzentrischen Teilspulen T einer Multi-Zahnspule, die nach 1 ein sich wiederholendes Gleichteil darstellen, mit unterschiedlichen Leiterzahlen auszuführen, um das Luftspaltfeldspektrum weiter zu verbessern. Es ist dabei sinnvoll, wenn die unterschiedlichen Leiterzahlen der Teilspulen T jeweils so gewählt werden, dass sich bei allen Nuten trotzdem eine gleich hohe Nutfüllung einstellt.It is also possible to use the q concentric partial coils T of a multi-tooth coil, which after 1 represent a repetitive equal part, with different numbers of conductors to perform the Air gap field spectrum to further improve. It makes sense if the different numbers of conductors of the partial coils T are each chosen so that nevertheless sets an equally high groove filling in all grooves.

Um den Grundfeld-Wicklungsfakor zu erhöhen, ist es notwendig, die Leiterzahlen der q konzentrischen Teilspulen T einer Multi-Zahnspule so zu staffeln, dass die Leiterzahlen von der äußeren Teilspule T hin zur inneren Teilspule T stetig d. h. gleichmäßig abfällt. Dieser Wicklungszustand ist in der 4 dargestellt. Die 4 zeigt hierzu einen Zonenplan mit unterschiedlichen Leiterzahlen für eine Multi-Zahnspule mit q = 3.In order to increase the fundamental field winding factor, it is necessary to stagger the number of conductors of the q concentric partial coils T of a multi-tooth coil so that the numbers of conductors from the outer partial coil T to the inner partial coil T steadily, ie evenly decreases. This winding state is in the 4 shown. The 4 shows a zone plan with different numbers of conductors for a multi-tooth coil with q = 3.

Die 4 zeigt demnach einen für die Praxis besonders relevante Ausführungsform, nämlich den Fall mit q = 3. Es ergibt sich für alle Nuten N der kompletten 3-strängigen Drehfeldwicklung eine gleich hohe Nutfüllung, wenn folgende Staffelung der Leiterzahlen verwendet wird.The 4 shows therefore a particularly relevant for practice embodiment, namely the case with q = 3. It results for all the grooves N of the entire 3-phase rotating field winding an equally high groove filling, if the following graduation of the number of conductors is used.

Die Anzahl der Leiter der Teilspulen T einer Spulengruppe G ist dann wie folgt verteilt: a. die äußerste Teilspule T: Zo Leiter + ΔZ Leiter b. die mittlere Teilspule T: Zo Leiter c. die innere Teilspule T: Zo Leiter – ΔZ Leiter. The number of conductors of the partial coils T of a coil group G is then distributed as follows: a. the outermost subcoil T: Zo conductor + ΔZ conductor b. the middle part coil T: Zo conductor c. the inner partial coil T: Zo conductor - ΔZ conductor.

In einer alternativen Ausführungsform kann auch eine nicht stetige Staffelung der Leiterzahlen gewählt werden. 5 zeigt hierzu eine alternative Ausführung eines Zonenplans mit unterschiedlichen Leiterzahlen für eine Multi-Zahnspule mit q = 3. Es bleibt die resultierende Drehfeldwicklung weiterhin symmetrisch, aber die Ständernuten weisen keine einheitliche Nutfüllung auf. Für diesen Fall nicht einheitlicher Nutfüllungen durch ungleiche Leiterzahlen, können die Teilspulen T einer Multi-Zahnspulenwicklung mit unterschiedlichen Wicklungsdragt-Durchmessern ausgeführt werden. Hierdurch lassen sich das Kupfervolumen sowie die Nutfüllung steigern und der effektive Gesamtleiterquerschnitt über alle Nuten dennoch weitgehend einheitlich gestalten.In an alternative embodiment, a non-continuous graduation of the conductor numbers can be selected. 5 shows an alternative embodiment of a zone plan with different numbers of conductors for a multi-tooth coil with q = 3. It remains the resulting rotating field winding continues to be symmetrical, but the stator slots have no uniform groove filling. In this case, non-uniform groove fillings due to unequal number of conductors, the partial coils T of a multi-tooth coil winding with different Wicklungsdragt diameters can be performed. As a result, the volume of copper as well as the groove filling can be increased and the effective overall conductor cross-section across all slots can nevertheless be largely uniform.

In einer besonders vorteilhaften (nicht dargestellten) Ausführungsform können die Teilspulen T einer Multi-Zahnspulenwicklung mit gleichen Wickeldrahtdurchmessern, jedoch aus x parallel geschalteten Spulen mit x-facher Windungszahl gebildet werden, um den Nutfüllgrad anzuheben und zu vereinheitlichen.In a particularly advantageous embodiment (not shown), the partial coils T of a multi-tooth coil winding may be formed with the same winding wire diameters, but with x coils connected in parallel with x coils to raise and unify the groove fill level.

Im unteren Leistungsbereich ist bei 2-poligen Drehfeldmaschinen auch der Fall q = 4 von hoher praktischer Relevanz. In der 6 sind zwei Möglichkeiten für eine Leiterstaffelung dargestellt, die bei der kompletten 3-strängigen Drehfeldwicklung bei allen Ständernuten zu einer identischen Nutfüllung führen.In the lower power range, the case q = 4 is of high practical relevance in 2-pole induction machines. In the 6 Two options for a conductor separation are shown, which lead to an identical slot filling in the case of the complete 3-phase rotating field winding in all stator slots.

Die 7 zeigt je einen Zonenplan einer 2-poligen, 3-strängigen Zahnspulenwicklung für eine Multi-Zahnspule mit q = 4 mit einer abnehmenden Leiterzahl aber identischen Nutfüllung, wobei in der oberen Ansicht eine stetige Reduzierung der Leiterzahl erfolgt, während in der unteren Ansicht ein Zonenplan mit einer quasi-stetigen Abnahme der Leiterzahl dargstellt ist.The 7 shows a zone plan of a 2-pole, 3-strand tooth coil winding for a multi-tooth coil with q = 4 with a decreasing number of conductors but identical groove filling, in the upper view is a steady reduction in the number of conductors, while in the lower view, a zone plan with a quasi-steady decrease in the number of conductors is dargstellt.

Eine quasi-stetig abnehmende Leiterzahl, bei der nur zwei unterschiedliche Leiterzahlen Verwendung finden, ist immer dann realisierbar, wenn q durch 2 ganzzahlig teilbar ist, also für q = 2, 4, 6, ...A quasi-steadily decreasing number of conductors, in which only two different numbers of conductors are used, can always be realized if q is divisible by 2 integers, that is, for q = 2, 4, 6, ...

Wird mit Za die höhere Leiterzahl der äußeren Teilspulen T und mit Zi die geringere Leiterzahl der inneren Teilspulen T bezeichnet, so kann eine Aufteilung der Leiterzahlen in einem Verhältnis von Zi/Za mit einem Wert von etwa 0,73 gewählt werden, bei dem die Wicklungsfaktoren der 5. und 7. Ordnung zu Null gebracht werden und der Grundfeldwicklungsfaktor gleichzeitig gesteigert werden kann, wie es die nachfolgende Tabelle für den Fall q = 4 verdeutlicht. v/p |ξ_v| ... ... 13 0,0676 7 0 1 0,5134 –5 0 ... ... *****If Za denotes the higher number of conductors of the outer partial coils T and Zi the lower number of conductors of the inner partial coils T, then a division of the conductor numbers in a ratio of Zi / Za with a value of approximately 0.73 can be selected, in which the winding factors 5th and 7th order can be brought to zero and the basic field winding factor can be increased simultaneously, as the following table for the case q = 4 illustrates. v / p | ξ _v | ... ... 13 0.0676 7 0 1 .5134 -5 0 ... ... *****

Durch eine weitere Reduzierung des Verhältnisses von Zi/Za lässt sich der Grundfeldwicklungsfaktor weiter steigern. Für ein Verhältnis von etwa 0,53 erhält man Wicklungsfaktoren für die Oberfelder der 5. und 7. Ordnung entsprechend dem Fall Zi/Za = 1. Der Grundfeldwicklungsfaktor kann weiter auf den Wert von 0,5480 gesteigert werden. Das entspricht einer Steigerung um rund 15 % im Vergleich zur Aufteilung Zi/Za = 1. Die nachfolgende Tabelle verdeutlicht das wieder am Beispiel q = 4. v/p |ξ_v| ... ... 13 0,0721 7 0,0797 1 0,5480 –5 0,1038 ... ... By further reducing the ratio of Zi / Za, the basic field winding factor can be further increased. For a ratio of about 0.53, winding factors are obtained for the 5th and 7th order top fields corresponding to the case Zi / Za = 1. The basic field winding factor can be further increased to the value of 0.5480. This corresponds to an increase of around 15% compared to the division Zi / Za = 1. The following table clarifies this again with the example q = 4. v / p | ξ _v | ... ... 13 0.0721 7 .0797 1 .5480 -5 .1038 ... ...

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 20120228981 A1 [0003]
US 20120001512 A1 [0004]
US 20140035425 A1 [0005]

Claims

Rotary field machine with a 2p-pole stator with winding teeth (Z), formed with a winding arrangement in Zahnspulentechnik comprising three winding strands (W1, W2, W3), wherein the winding assembly of wound coil groups (G) is formed with multiply nested coils, wherein the partial coils (T) of said coil groups (G) are arranged concentrically surrounding from inside to outside and two or more winding teeth (Z), wherein the respective coil turn numbers in the grooves (N) between the winding teeth (Z) are provided so that each one substantially equal occupancy of each groove (N) is given with the same effective Gesamtleiterquerschnitt the coils per groove cross-section.

3-phase induction machine according to claim 1, characterized in that the winding arrangement is formed so that the coil groups in the end region of the winding heads of the coils do not overlap and without intersecting partial coils (T) or coil groups (G) are wound.

3-phase induction machine according to claim 1 or 2, characterized in that the coils have a changing, preferably continuously changing width.

3-phase rotating field machine according to one of the preceding claims, characterized in that the coils of the coil groups (G) are arranged diametrically symmetrical to each other and at least partially overlap spatially along the circumference in the winding layers.

3-phase induction machine according to one of the preceding claims, characterized in that for a coil group (G) a q-fold tooth coil is provided, the 2 * q adjacent grooves of the stator in each case half with the winding of a winding strand (W1, W2, W3 ), where q = 2, 3 or 4.

3-phase rotating field machine according to one of the preceding claims, characterized in that in each case adjacent winding teeth (Z) or grooves (N) of the stator, which are wound in one part with a winding strand (W1, W2, W3), either in the upper layer (OS) or the lower layer (US) are wound.

3-phase induction machine according to one of the preceding claims, characterized in that the number of conductors of a further outer partial coils (T) of a coil group (G) is higher than the number of conductors of the outer part of this further outwardly concentric part coil (T).

3-phase induction machine according to claim 7, characterized in that the number of conductors of the partial coils (T) decreases from the outer to the inner part coil (T).

3-phase induction machine according to claim 7 or 8, characterized in that the number of conductors of the partial coils (T) decreases steadily from the outer to the inner part coil.

3-phase induction machine according to claim 5 and one of claims 7 to 9, characterized in that at q = 3, the number of conductors of the partial coils (T) of a coil group (G) is distributed as follows: a. the outermost subcoil (T): Zo conductor + ΔZ conductor b. the middle part coil (T): Zo conductor c. the inner part coil (T): Zo conductor - ΔZ conductor.