DE202018104117U1 - Sechszonen-Einschicht-Zahnspulenwicklung - Google Patents

Abstract

Drehfeldmaschine mit einem 2p-poligen Ständer mit Wickelzähnen (Z) und N Nuten, ausgebildet mit einer Wicklungsanordnung in verteilter Einschicht-Zahnspulentechnik, umfassend drei Wicklungsstränge (W1, W2, W3), die jeweils auf Spulengruppen (G1, G2, G3) aus sich wiederholenden gewickelten Wicklungseinheiten gewickelt sind, wobei die Wicklungsstränge (W1, W2, W3) der sich wiederholenden Wicklungseinheiten gegeneinander gemäß der folgenden Festlegung um eine geradzahlige Anzahl von 2q Nutteilungen versetzt angeordnet sind, mit: $$\text{q}=\text{N/6p},$$

und mit einer Polteilung τ_p wie folgt: $${\mathrm{\tau }}_{\text{p}}=\text{N/2p},$$

wobei p die Poolpaarzahl ist und wobei die sich wiederholenden Wicklungseinheiten innerhalb einer Spulengruppe als eine sich um einen zentralen Wickelzahn konzentrisch umschließende Wicklung ausgebildet sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für eine 3-strängige Drehfeldmaschine, die als verteilte Einschicht-Zahnspulenwicklung ausgebildet ist.
• 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 und diese eher bei höheren Polzahlen Verwendung finden.
• 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 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.
• 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.
• Die beiden Offenbarungen DE 20 2017 107387 U1 und DE 20 2017 107388 U1 beschreiben sogenannte Multi-Zahnspulen-Wicklungen der Strangzahl 2 und 3 bestehend aus mehreren konzentrisch ineinander verschachtelten Zahnspulen, die jedoch durch einen verhältnismäßig kleinen Wicklungsfaktor und durch zwei getrennte Wicklungsschichten, nämlich eine Unterschicht und eine Oberschicht gekennzeichnet sind.
• Die aus dem Stand der Technik bekannten Doppel- oder Multi-Zahnspulenwicklungen sind demnach stets Mehrschichtwicklungen mit zumindest einer Unter- und einer Oberschicht. Daraus resultieren signifikante Nachteile, insbesondere bei Motoren kleiner Baugröße, die darin bestehen, dass sich einerseits das Einbringen der Wicklungsschichten aufwendig gestaltet und ferner diese Wicklungen durch zusätzliche Maßnahmen gegeneinander zu isolieren sind. Dies hat eine negative Auswirkung auf den Nutfüllgrad, was sich wiederum nachteilig auf die Kosten auswirkt.
• 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.
• 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 Motorausführung vorzuschlagen, die kostengünstig und einfach herstellbar ist und einen größeren Wicklungsfaktor besitzt.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zahnspulenwicklung mit einem spezifischen Wicklungsschema für drei Wicklungsstränge W1, W2, W3 vorzusehen. Erfindungsgemäß ist demnach eine Drehfeldmaschine mit einem 2p-poligen Ständer mit Wickelzähnen und N Nuten vorgesehen, ausgebildet mit einer Wicklungsanordnung mit verteilter Einschicht-Zahnspulenwicklung, umfassend die drei Wicklungsstränge, die jeweils auf Spulengruppen aus sich wiederholenden gewickelten Wicklungseinheiten gewickelt sind, wobei die Wicklungsstränge der sich wiederholenden Wicklungseinheiten gegeneinander gemäß der folgenden Festlegung um eine geradzahlige Anzahl von q Nutteilungen versetzt angeordnet sind, mit: $$\text{q}=\text{N/6p},$$

  

  und mit einer Polteilung τ_p wie folgt: $${\mathrm{\tau }}_{\text{p}}=\text{N/2p},$$

  

  wobei p die Polpaarzahl ist und wobei die Wicklungen innerhalb einer Spulengruppe als eine sich um einen zentralen Wickelzahn konzentrisch umschließende Wicklung ausgebildet ist.
• In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist q damit nur mit geradzahligem Wert, d. h. mit einem Wert q = 4, 6, 8,..., ausführbar, während der folgende Zusammenhang zur Lochzahl q* besteht: q* = q/2.
• Das zuvor geschilderte technische Problem kann nach dem Gedanken der vorliegenden Erfindung demnach durch eine verteilte Einschicht-Zahnspulenwicklung, die einen 3-zonigen Wicklungsaufbau besitzt, gelöst werden. Die vorgeschlagene Drehfeldwicklung besteht aus sich wiederholenden Wicklungseinheiten, die jeweils zwei Polteilungen bezüglich der Grundpolpaarzahl p umfassen.
• Eine Eigenschaft der bevorzugte Ausführungsform ist es, dass die Drehfeldmaschine ein Luftspaltspektrum mit den Drehfeld-Polzahlen $$\mathrm{\nu }\text{/p}=1+6\text{g}$$

  

  mit g = 0, ±1, ±2, ±3, ...ausbildet, wobei ν/p ∈ (..., -17, -11, -5, 1, 7, 13, 19, ....) ist.
• Aufgrund der beschriebenen Wicklungssystematik wird ein Luftspaltfeldspektrum mit den genannten Drehfeld-Polpaarzahlen erregt. Wird der Nutschlitzfaktor vernachlässigt, so existieren betragsmäßig genau q verschiedene Wicklungsfaktoren, die sich zyklisch wiederholen.
• In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird durch die Wicklungsanordnung erreicht, dass das Luftspaltfeldspektrum bei der Drehfeld-Polpaarzahl |ν/p| = 5 eine dominante niederpolige Spektrallinie besitzt. Demnach wird als wirksame Arbeitspolpaarzahl p* = 5 p genutzt.
• Erfindungsgemäß wird demnach zur Drehmomentbildung und zum Antrieb des Rotors, anders als im Stand der Technik über die Feldgrundwelle, bestimmungsgemäß eine Feldoberwelle mit ν/p ≠ 1 verwendet.
• Es ist weiter mit Vorteil vorgesehen, dass eine Änderung der Laufrichtung des Rotors durch den Tausch von zwei Phasen der drei Wicklungsstränge (W1, W2, W3) erfolgt.
• Die erfindungsgemäße verteilte Einschicht-Zahnspulenwicklung weist demnach gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile auf:
1. a) einfacherer Wicklungsaufbau
2. b) kostengünstiger herstellbare Wicklung
3. c) größerer Wicklungsfaktors der Arbeitspolpaarzahl
4. d) bessere Ausnutzung der Aktivteile des Motors
• 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.
• Es zeigen:
• 1 einen Strang-Zonenplan der verteilten Zahnspulenwicklung mit Kennzeichnung der Spulenführung für den Fall q= 4 über zwei Polteilungen und
• 2 einen Zonenplan einer 3-strängigen verteilten Einschicht-Zahnspulenwicklung einer sich wiederholenden Wicklungseinheit für den Fall q = 4.
• Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle oder funktionale Merkmale hinweisen. Die 1 zeigt einen Strang-Zonenplan der verteilten Zahnspulenwicklung mit Kennzeichnung der Spulenführung für q = 4 (wobei x und * die jeweilige Wicklungsrichtung bzw. Bestromungsrichtung angibt). Der Wicklungsstrang ist über zwei Polteilungen verteilt.
• Dabei ist die Lochzahl q* = 2. In diesem Ausführungsbeispiel sind 24 Nuten ausgebildet, wobei die Nuten 1 bis 4 und 13 bis 16 als eine sich wiederholende Wicklungseinheit zu verstehen ist.
• In der 2 ist demnach der Zonenplan einer 3-strängigen Zahnspulenwicklung einer sich wiederholenden Wicklungseinheit für den Fall q = 4 gezeigt, mit den folgenden Wicklungsfaktoren mit: $$\begin{array}{cc}\text{v/p}=1+6\ast \text{g}& \text{mit g}\end{array}=\mathrm{0,}\pm \mathrm{1,}\pm \mathrm{2,}\pm \mathrm{3,}\dots$$

  
• Sofern man den Nutschlitz als vernachlässigbar betrachtet, ergeben sich betragsmäßig genau q unterschiedliche Wicklungsfaktoren, die sich, wie in nachfolgender Tabelle 1 für q= 4 dargestellt, zyklisch wiederholen. Tabelle 1

  v/p	|ξv|
  ...	...
  19	0,7663
  13	0,0338
  7	0,5880
  1	0,2566
  -5	0,7663
  -11	0,0338
  -17	0,5880
  ...

• Wird die Wicklung bezüglich der Wicklungssystematik 2-polig entworfen, so entsteht eine 10-polige Drehfeldwicklung mit der Arbeitspolpaarzahl p* = 5 p.
• Der systematische Zusammenhang ist in der folgenden Tabelle 2 dargestellt: Tabelle 2

  	Wicklungssystematik	Arbeitspolpaarzahl
  Lochzahl	q	q*
  Polpaarzahl	p	p* = 5 p
  Nutenzahl N	6 p q
  |Wicklungsfaktor|		q = 2 → 0,7500
  		q = 4 → 0,7310
  		q = 6 → 0,7244

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• US 20120228981 A1 [0003]
• US 20120001512 A1 [0004]
• US 20140035425 A1 [0005]
• DE 202017107387 U1 [0006]
• DE 202017107388 U1 [0006]

Claims (7)

1. Drehfeldmaschine mit einem 2p-poligen Ständer mit Wickelzähnen (Z) und N Nuten, ausgebildet mit einer Wicklungsanordnung in verteilter Einschicht-Zahnspulentechnik, umfassend drei Wicklungsstränge (W1, W2, W3), die jeweils auf Spulengruppen (G1, G2, G3) aus sich wiederholenden gewickelten Wicklungseinheiten gewickelt sind, wobei die Wicklungsstränge (W1, W2, W3) der sich wiederholenden Wicklungseinheiten gegeneinander gemäß der folgenden Festlegung um eine geradzahlige Anzahl von 2q Nutteilungen versetzt angeordnet sind, mit: $$\text{q}=\text{N/6p},$$

   

   und mit einer Polteilung τ_p wie folgt: $${\mathrm{\tau }}_{\text{p}}=\text{N/2p},$$

   

   wobei p die Poolpaarzahl ist und wobei die sich wiederholenden Wicklungseinheiten innerhalb einer Spulengruppe als eine sich um einen zentralen Wickelzahn konzentrisch umschließende Wicklung ausgebildet sind.
2. Drehfeldmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass q die Lochzahl mit einem Wert q = 2, 4 oder 6 darstellt.
3. Drehfeldmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Drehfeldmaschine ein Luftspaltspektrum mit den Drehfeld-Polzahlen $$\mathrm{\nu }\text{/p}=1+6\text{g}$$

   

   mit g = 0, ±1, ±2, ±3, ±4, ...ausbildet, wobei ν/p ∈ (..., -17, -11, -5, 1, 7, 13, 19, ....) ist.
4. Drehfeldmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftspaltfeldspektrum bei der Drehfeld-Polzahl |ν/p| = 5 eine dominante niederpolige Spektrallinie besitzt.
5. Drehfeldmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polpaarzahl 5 p die Arbeitspolpaarzahl p* der Drehfeldmaschine darstellt.
6. Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drehmomentbildung zum Antrieb des Rotors bestimmungsgemäß eine Feldoberwelle mit ν/p ≠ 1 verwendet wird.
7. Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Laufrichtung des Rotors durch den Tausch von zwei Phasen der drei Wicklungsstränge (W1, W2, W3) erfolgt.

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