DE2522626A1

DE2522626A1 - M-phasige wechselstrommaschine

Info

Publication number: DE2522626A1
Application number: DE19752522626
Authority: DE
Inventors: Evert Marius Hendrik Kamerbeek; Herman Gerard Lakerveld
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-05-27
Filing date: 1975-05-22
Publication date: 1975-12-11
Also published as: SE7505868L; US4135107A; FR2273394B1; AT344819B; NL7407056A; FR2273394A1; SE417262B; CA1025924A; ATA399375A; JPS511905A; BE829475A; AU502504B2; JPS5810940B2; DE2522626C2; CH590577A5; GB1506289A; AU8145775A; IT1032970B; ES437922A1

Description

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PIIN. 7555

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' ' " _eNo PHN- 7555 13.5.75

„\ 20. Mai 1975

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"M-phasige Wechselstrommaschine".

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zweiphasen-Wechselstrommaschine, die aus einem Läufer und einem mit einer aus Spulen bestehenden Wicklung versehenen Ständer besteht. ' ,

Bei derartigen Maschinen ist es üblich, die Spulen auf dem Ständer in an den Luftspalt zwischen dem Ständer und dem Läufer grenzenden Schlitzen anzubringen, die in einer zu der Bewegungsrichtung des Läufers senkrechten Richtung verlaufen. Es wird versucht, die Windungen derart über die Schlitze zu verteilen,

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dass die Verteilung des Kupferbelags annähernd sinusförmig ist, aber diese Annäherung bleibt roh.

Durch die Anbringung der Schlitze in dem Ständer ändert sich der Luftspalt in der Bewegungsrichtung periodisch, wodurch die Abweichung von der Sinusform noch grosser wird.

Diese Nachteile werden nach der Erfindung

dadurch vermieden, dass der wirksame Teil dieser Spulen sich in dem Luftspalt zwischen der glatten Ständeroberfläche und dem Läufer befindet und die Kupferabmessung

in radialer Richtung der Spulen jeder Phase· über jeweils

90° aufeinanderfolgende Winkel von —— el, konstant bleibt, wobei η eine ganze Zahl /1 ist und über einen Winkel von 90° el. von einem Höchstwert χ auf einen Mindeswert x/n in gleichen Schritten abnimmt und dann über den folgenden Winkel von 90°el. von einem Mindestwert x/n in gleichen Schritten auf einen Höchstwert χ zunimmt, während die Kupferverteilungen der aufeinanderfolgenden

90° Phasen am Umfang jeweils über einen Winkel von ?. χ rr— el, in derselben Richtung verschoben sind, während für ungerade Wert von Mr- eine gerade Zahl und für gerade Wert von M η grosser als 1 ist.

Der Luftspalt wird zwar sogar bei einer

flachen Ausführung der Spulen erheblich grosser, wodurch die magnetische Induktion und somit grundsätzlich das

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Drehmoment kleiner werden würde, aber bei einem gleichen Aussendurchmesser des Ständers kann der Läufer durch das Wegfallen der Ständerzähne und den dadurch auftretenden grösseren Innendurchmesser des Ständers auch grosser werden, wodurch das Drehmoment wieder zunimmt.

Ausserdem ist beim Vorhandensein von Ständerschlitzen der wirksame Luftspalt grosser als der geometrische Luftspalt, weil der in den Ständerzahnen konzentrierte Fluss das Eisen an der betreffenden Stelle sättigt, wodurch die Permeabilität des Eisens erheblich abnimmt.

Auch sind die Eisenverluste in einem schlitzlosen Ständer geringer, weil die Wirbelstrom- und Hystereseverluste nahezu dem Quadrat der magnetischen Induktion proportional sind, die in den Zähnen eines mit Schlitzen versehenen Ständers viel höher als bei einem Ständer ohne Schlitze ist.

übrigens sind in in dem Luftspalt angebrachten Spulen grössere Stromdichten zulässig, weil u.a. durch eine flache Form die Berührungsoberfläche mit der Luft und dem Eisen des Ständers grosser und dadurch ihre Kühlung besser ist.

Nach einer Ausführungsform eines Motors getnäss der Erfindung befindet sich die Wicklung völlig in der

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Ebene des Luftspaltes und weisen die Spulen in der Bewegungsrichtung des Ständers einen schrittförmigen Dickenverlauf auf, derart, dass die Dicke von der Mitte der Spule her zu beiden Seiten über praktisch einen η-ten Teil konstant ist, wobei die Höchstdicke — sich

in der Mitte der Spule befindet und zu der Aussenseite hin in gleichen Schritten auf die Höchstdicke χ zunimmt.

Dadurch ist es möglich, die Spulen vollständig auf der Seite des Läifers auf dem Ständer anzubringen und die Spulen an der Stelle des Luftspaltes ineinander eingreifen und dort eine kontinuierliche flache Schicht bilden zu lassen, wodurch der für die Windungen in dem Luftspalt verfügbare Raum möglichst vollständig benutzt und ausserdem eine sehr gute Annäherung der sinusförmigen Feldverteilung erhalten wird.

¥enn zur Vereinfachung des Wickelvorgangs kein Sprung in der Dicke der Spulen gewünscht wird, kann unter Beibehaltung der Vorteile nach einer weiteren Ausführungsform einer Maschine gemäss der Erfindung jede Spule in η Teile gleicher Dicke aufgespaltet und können diese Teile miteinander in Reihe geschaltet werden.

Nach "einer Weiterbildung einer Maschine

gemäss der Erfindung sind die Spulen als toroidale Spulen auf einem ringförmigen Ständer ausgeführt und weisen in der Bewegungsrichtung des Läufers einen schrittförmigen Dickenverlauf auf, derart, dass die Dicke in gleichen

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Schritten von dem Mindeswert — auf die Höchstdicke χ

zunimmt. Dadurch können grosse Spulenköpfe, in denen vor allem bei kurzen Läufern ein erheblicher Teil der Energie abgeleitet wird, welche Energie nicht zu dem Drehmoment beiträgt und welche Spulenköpfe die Maschine unnötig lang machen, vermieden werden.

Bei einer noch weiteren Ausführungsform der Machine nach der Erfindung weisen die toroidalen Spulen eine Breite von η el. auf und sind die Spulen aller Phasen konzentrisch umeinander herum gewickelt.

Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl Spulentypen auf ein Mindestmass beschränkt worden kann. Die Teile in den Spulen, die zu derselben Phase gehören, werden dann in Reihe geschaltet.

Maschinen nach der Erfindung können als Asynchronmaschinen mit einem Käfiganker oder als eine Hysteresemaschine oder als eine Synchronmaschine mit einem Dauermagnet oder einem erregten Magnet oder als eine Asynchronmaschine mit einem Reluktanzläufer aus z.B. massiven Stahl' ausgebildet werden. Vor allem bei den beiden letzteren Typen, insbesondere bei denjenigen Typen, die fü.r sehr hohe Drehzahlen entworfen sind,ergibt die Erfindung besondere Vorteile, weil die höheren Harmonischen des nichtsinusförmigen Feldes, die in einem Ständer mit Schlitzen auftreten würden, nicht auftreten. Eine ungünstige Eigenschaft der von diesen Harmonischen erzeugten Drehmomente ist, die dass sie nahezu das ganze Nutzdrehmoment der Ausgangswelle

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in dem Arbeitsbereich unterdrücken. Bei einer Käfigankermaschine kann der Einfluss der wichtigsten dieser Drehmomente durch passende Wahl der Anzahl von Läuferstäben und durch die Schrägeinstellung derselben zwar noch stark verkleinert werden, aber insbesondere bei Hysteresemaschinen und Maschinen mit aus massivem Stahl bestehendem Läufer ist dies nicht möglich. So nimmt bei einer derartigen Maschine mit einem mitzwölf Schlitzen versehenen, mit 600 Hz gespeisten Ständer bei einem Schlupf von 10 % das Drehmoment infolge der 11., der 13«> der 23«und der 25· Harmonischen des Feldes ab. Die zusätzlichen Värmeverluste im Läufer infolge der 11. Harmonischen allein schon betragen _+ 85 $ der Wärmeverluste infolge der Grundwelle.

Bei einer Maschine nach der Erfindung mit einem Läufer aus massivem Stahl für hohe Drehzahlen kann unter Beibehaltung der abgegebenen Leistung das Ständervolumen auf die Hälfte des Ständervolumens einer üblichen Maschine mit demselben Läuferdurchmesser herabgesetzt werden.

Wo oben von einem Läufer die Rede ist, ist darunter auch der sich bewegende Teil eines linearen Motors zu verstehen, weil dieser Teil als ein Teil eines Läufers mit unendlich grossem Durchmesser aufzulassen ist.

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Wo in dieser Beschreibung von einer Wechselst rommaschine die Rede ist, sind darunter sowohl die Motoren als.auch die Generatoren .zu verstehen.

Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise an Hand der Zeichnung nähder erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die gemessene Feldverteilung in· einem üblichen Ständer einer Zweiphasenmaschine mit zwölf Schlitzen,

Fig. 2 die gemessene Feldverteilung in einem Stander einer Maschine nach der Erfindung,

Fig. 3a eine Abwicklung längs einer Geraden einer flachen Wicklung für eine Zweiphasenmaschine, wobei η = 2 ist,

Fig. Jh den Verlauf des Feldes dieser Wicklung in der Bewegungsrichtung des Läufers in bezug auf den idealen sinusförmigen Verlauf,

Fig. 3c eine ähnliche Darstellung für η = 3; Fig. 3d eine ähnliche Darstellung für η ='4, Fig. h zwei Ansichten der Spule nach Fig. 3a»

Fig. 5 die gleiche Wicklung mit Spulen der gleichen konstanten Dicke,

Figuren 6a und 6b die Spulen für die Wicklung,

Fig. 7 eine toroidale Wicklung für einen derai-tigen Ständer,

Fig. 8 die Spulen für diese Wicklung,

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Fig. 9 die Weise, in der diese Spulen auf dem Ständer angebracht sind,

Fig. 10a eine gleiche Wicklung für eine Dreiphasenmaschine mit η — 3j

Figuren 10b, c und d die Form der dazu benötigten Spulen,

Fig. 11 eine toroidale Wicklung für eine Dreiphasenmaschine, und

Fig. 12 das Drehmoment und den Wirkungsgrad einer üblichen Zweiphasenmaschine im Motorbetrieb und einer erfindungsgemässen Maschine mit dem gleichen Läufer.

In Fig. 1 ist dargestellt, wie das Feld eines üblichen Ständers für eine Zweipol-Zweiphasenmaschine mit zwölf Schlitzen am Umfang zu einem gegebenen Zeitpunkt verläuft. Es ist deutlich ersichtlich, dass an den Stellen der Schlitze das Feld stark abnimmt, wodurch naturgemäss die Grosse des abgegebenen Drehmoments beeinträchtigt wird. Die zu dieser Feldverteilung gehörigen höheren Harmonischen führen eine starke Zunahme der Wirbelstrom- und Hystereseverluste herbei und rufen zu diesen Harmonischen gehörige Drehmomente hervor, Da sich die Maschine bei ihrer Solldrehzahl immer schneller als bei der Synchrondrehzahl dreht, die zu diesen Harmonischen gehört, wird die Maschine

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für diese Harmonischen immer eine hemmende Wirkung haben.

Fig. 2 zeigt die ebenfalls gemessene Feldverteilung für einen Ständer einer derartigen erfindungsgemässen Maschine. Darauf geben der grosse Fortschritt im Vergleich zu der Feldverteilung nach Fig. 1 und die gute Annäherung der Sinusform hervor.

Figuren 3a und h zeigen, wie eine flache Wicklung einer Zwo iphas enma s chine nach der Erfindung aufgebaut werden kann, wobei die Spillen 1 und 2 beide zu der einen Phase und die Spulen 3 und h beide zu der anderen Phase gehören. Für diese Maschine ist also M = 2. Die Spulen sind als flache Spulen mit einem schrittförmigen Verlauf in ihrer Breitenrichtung gewickelt. Ausgehend von der Mitte der Spulen, weisen sie eine Dicke — .zu beiden Seiten über ein Viertel der Briet b auf, wonach ihre Dicke auf einen Betrag χ zunimmt. Die Spulen können ineinander gehakt werden und bilden dann eine flache Schicht mit einer Dicke von _+ 3x. Dies gilt naturgeniäss nur an der Stelle des Luftspaltes, weil ausserhalb des Luftspaltes die Köpfe dieser Spulen etwas weggebogen werden müssen.

In Fig. 3b ist mit der vollen Linie angegeben, wie der Feldverlauf zu dem gegebenen Zeitpunkt der Fig. 3a wäre, wenn die Windungen der Spule rein sinusförmig

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verteilt wären, während die gestrichelte Linie den wirklichen Verlauf bei der in Fig. 3a angegebenen Stromrichtung darstellt. Daraus geht wieder deutlich hervor, dass eine sehr gute Annäherung des sinusförmigen Verlaufes erhalten wird. Wenn eine noch bessere Annäherung der Sinusförm verlangt wird, kann die Anzahl Schritte, über die die Kupferabraessung in aradialer Richtung von dem Mindestwert — auf den Höchstwert χ zunimmt, also n, gesteigert· werden. In den Figuren 3c und 3d ist, wie in den Figuren 3a und 3b, für η = 2, angegeben, dass die Annäherung für η = 3 und η = 4 und also im allgemeinen bei Zunahme von η besser wird.

Venn bevorzugt wird, Spulen mit einer konstanten Dicke herzustellen, kann die in Fig. 5 dargestellte Lösung gewählt werden, wobei die zugehörigen Spulen in Fig. 6a und 6b dargestellt sind. Die Spulen nach Fig. 4 weisen nun nicht die Schrittform auf, wodurch es möglich ist, die Wicklung aus drei Schichten aufzubauen, die je eine Dicke — aufweisen, so dass drei glatte Schichten aufeinander erhalten werden. Bei den Spulen nach Fig. 4 wurde nur ein einziger Typ benötigt, während bei der Ausfuhrungsform nach Fig. 5 zwei Typen benötigt werden, wie aus den Figuren 6a und 6b ersichtlich ist. Die zueinander

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gehörigen Wicklungen der Figuren 6a und 6b werden in Reihe geschaltet, so dass die Wirkung dieser beiden Spulen zusammen gleich der einer einzigen Spule nach Fig. h ist. In Fig. 5 sind die Teile der Spulen 1, 2, 3 und h nach Fig. 3a mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

In Fig. 7 ist dargestellt, wie diese

Wicklung als toroidale Wicklung ausgeführt werden kann. Dabei sind die Spulen 11 - 18, wie Figuren 8 und 9 zeigen, als rechteckige Spulen gewickelt. Diese sind um einen ringförmigen Ständer 19 angebracht·, wie Fig. für eine Zweipol-Zweiphasenmaschine zeigt. Die Spulen sind hier in zwei.konzentrischen Schichten mit einer Dicke von — bzw. χ gewickelt. Aus der Form der Spulen geht deutlich hervor, dass die Länge der Maschine durch die Köpfe der Spulen nahezu nicht vergrössert wird.

Fig. 10a zeigt, wie eine ähnliche Wicklung wie nach Fig. 5j also aus Spulen einer nichtstufenartigen Form bestehend, für eine'Maschine, für die M = ist, also eine Dreiphasenmaschine mit η = 3, aus sechs Schichten aufgebaut wird. Der Verlauf des Feldes in der Bewegungsrichtung des Läufers ist gleich dem nach Fig. 3c. Die in senkrechter Richtung übereinander liegenden Spulenteiie werden wieder in Reihe geschaltet, so dass, wie für eine Phase angegeben ist,

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die Spulenteile 21a, b und c miteinander und die Spulenteile 22a, b uiid c- auch miteinander in Reihe geschaltet werden.

Figuren 10b, 10e und 10d zeigen die dazu benötigten Spulenteile. Für eine Dreiphasenmaschine werden kann drei Typen flacher Spulen benötigt.

Fig. 11 zeigt Tür eine Zweipol-Dreiphasenmaschine, wie die Wicklung aus toroidal gewickelten Spulen aufgebaut sein kann. Die Anzahl Schritte η kann bei Maschinen, bei denen M gerade ist, beliebig mit einem Minimum von 2 gewählt werden, weil dann immer eine Wicklung konstanter Dicke erhalten werden kann, da die Wicklungen, die zu zwei um i80°el. in der Phase verschobenen Phasen gehören, genau ineinander passen.

So kann eine Sechsphasenwicklung z.B. aus drei Zweiphasenwicklungen mit Spulen, für die η eine beliebige Zahl \- 1 sein kann, aufgebaut werden, welche Zahl nur durch die Anzahl Drähte pro Schicht begrenzt wird, wobei diese drei Zweiphasenwicklungen rim 120°el. gegeneinander in der· Bewegungsrichtung des Läufers verschoben sind. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass zwei Dreiphasenwicklungen verwendet werden,

M
fur die jeweils gilt, dass — eine ganze Zahl sein muss, wofür die einzige Lösung η = 3 ist, d.h. Spulen mit drei Schritte. Schliesslich ist es noch möglich, eine einzige Sechsphasenwicklung mit η = 6 herzustellen.

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Bei einer Wicklung einer Maschine mit einer ungeraden Anzahl von Phasen ist es nicht möglich, die Anzahl Schritte η beliebig zu wählen, weil dann die Dicke der Wicklung nicht konstant wäre. In diesen Fällen müssen M und η derart gewählt werden, dass — eine ganze Zahl wird. d.h., dass für eine Dreiphasenwicklung η = 3 und für eine Fünfphasenwicklung η = 5 wird. Für eine Neunphasenwicklung gibt'es zwei Möglichkeiten, und zwar η = 3 und η = 9« Im ersteren Falle sind dann drei Dreiphasenwicklungen vorhanden, die gegeneinander um 4o°el. verschoben sind, während im letzteren Falle eine einzige Neunphasenwicklung verwendet wird.

Fig. 12 zeigt den Verlauf des Drehmoments und des Wirkungsgrades als Funktion der Drehzahl für zwei Motcren mit dem gleichen Läuferdurchmesser, die mit einer Wechselspannung von 6θΟ Hz gespeist werden. Es ist klar, dass bei einem etwas grösseren Schlupf das Drehmoment des Motors mit massivem Läufer, das mit der vollen Linie angegeben ist, welcher Moibor mit einer Luftspaltwicklung versehen ist, sogar grosser als das eines üblichen Motors mit zwölf Schlitzen in dem Ständer ist, dessen Drehmoment mit der gestrichelten Linie angegeben ist. Für den Wirkungsgrad gilt, dass er über praktisch den ganzen Bereich grosser als der des üblichen Motors ist.

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Es ist einleuchtend, dass die Maschinen nach der Erfindung mit allen Läufertypen, wie z.B. einem Kurzschlussläufer, einem Reluktanzläufer, einem Hystereseläufer oder einem Läufer mit einem Dauermagnet oder einem erregten Magnet, ausgeführt werden kännen.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

1. J M-phasige Wechselstroinmaschine, die aus einem Läufer und einem mit einer aus Spulen bestehenden Wicklung versehenen Ständer besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der wirksame Teil dieser Spulen sich in dem Luftspalt zwischen der glatten Ständeroberfläche und dem Läufer befindet und die Kupferabmesssung in radialer Richtung der Spulen jeder Phase jeweils

90° über aufeinanderfolgende Winkel von e'l. konstant

bleibt, wobei η eine gerade Zahl ^ 1 ist und über einen Winkel von 90°el. von einem Höchstwert χ auf einen Mindestwert — in gleichen Schritten abnimmt und dann über den folgenden Winkel von 90° el· von

einem Mindestwert — in gleichen Schritten auf einen Höchstwert χ zunimmt, während die Kupferverteilungen der aufeinanderfolgenden Phasen am Umfang jeweils

90°
über einen Winkel von 2 χ —— el. in der gleichen Richtung verschoben sind und für ungerade Werte von

M
M — eine gerade Zahl und für M = gerade η grosser als 1 ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wicklung völlig in der Ebene des Luftspaltes befindet und die Spulen in der Bewegungsrichtung des Läufers einen schrittförmigen Dickenverlauf aufweisen, derart, dass die Dicke,

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von der Mitte der Spule aus, zu beiden Seiten über praktisch —ten Teil konstant bleibt, wobei die

Mindestdicke — sich in der Mitte befindet und zu η

der Aussenseite der Spule hin in gleichen Schritten auf die Höchstdicke χ zunimmt.

3· Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule aus η Teilen gleiche]" Dicke besteht, welche Teile miteinander" in Reihe geschaltet werden.

k■ .· Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen als toroidale Spulen auf einem ringförmigen Ständer ausgeführt sind und in der Bewegungsrichtung des Läufers einen schrittförmigen Dickenverlauf aufweisen, derart, dass die Dicke in gleichen Schritten von der Mindestdicke — auf die Höchstdicke χ zunimmt.
5· Maschine nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die toroidalen Spulen

90°

eine Breite von el. aufweisen und die Spulen

η *

konzentrisch umeinander herum gewickelt sind.

6. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer ein Kurzschlussläufer ist.

7« Maschine nach einem der Ansprüche 1 - 5> dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer ein Hystercseläufer ist.

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8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 - 5> dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer ein aus massivem Stahl bestehender oder lainellierter Läufer ist. 9· Maschine nach einem der Anspruüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer aus einem Dauermagnet oder einem erregten Magnet besteht.

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