DE29702117U1 - Elektrische Drehfeldmaschine mit einer in einem Stator befindlichen Ringwicklung - Google Patents

Elektrische Drehfeldmaschine mit einer in einem Stator befindlichen Ringwicklung

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Description

Anton Knestel Jacinta IG
Kocheier Str. 1 06.02.97
83673 Bichl
Anwendung einer Ringwicklung in einer elektrischen Drehfeldmaschine. Beschreibung
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 gutleitfahigen 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
&iacgr;&ogr; 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
is wesentlichen ungenutzt, da bei einer Durchmesser- bzw. Sehnenwicklung nicht nur die Hinleiter (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. Sehnenwicklungen 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 Ausfuhrung zum Teil folgende Nachteile auf:
- durch Wickelkopfausladungen verlängert sich die Baulänge oft erheblich
- geminderte Nutausnutzung durch Füllfaktoren < 50% vor allem bei Träufelwicklungen
-2-
- fertigungstechnisch bedingt große Nutöffhungsbreiten
- relativ lange, magnetisch und thermisch unerwünschte Spulenabschnitte in Wickelköpfen
- nur kompromißhafte Möglichkeit der Polpaarzahlveränderung
- direkte Leiterkühlung bei Kleinmaschinen unrentabel
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 durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
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 Amplitudenhöhe einstellbarer. Beim Betrieb mit hoher Polpaarzahlen liegen die Vorteile an den kleinen erreichbaren Drehzahlen bei großen Drehmomenten. Ausnutzbar z.B. im Anfahrbetrieb. Beim Betrieb mit hoher Phasenzahl liegen die Vorteile an der
so Stromüberlagerung, die bei wesentlich kleineren Bäuleistungen gleicher Bemessungsspannung den Vorteil eines Leiters pro Nut mit sich bringt. z.B. Eine Ringwicklung mit 72 Ausführungen (&agr;) ermöglicht nach dem Zusammenhang a^mxp wobei m die Phasenzahl und &rgr; 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 KurzscMußläufer-Asynchronmaschinen können die Polpäar- Phasenzahl-Umschälturigen angewendet werden.
Bei Drehfeldmaschinen mit Läufern ausgeprägter Polpaarzahl z.B. Synchronmaschinen fremd- und dauererregter Bauart, Reluktanzmaschinen; aber auch Schleifringläufermaschinen; kann nur ein bestimmtes Polpaar- Phasenzahl- Verhältnis gewählt werden.
-3-
- 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 Nutöffhungsbreite magnetisch optimiert werden.
- Kleine Wickelhopfhöhen; gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung einer Einzieherwicklung mit kreuzungsfreien Teilspulen, aber auch durch Einsatz gerader, stabfbrmiger 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 übernommen werden. Vorzugsweise U- förmige Spulen mit Gewinde ermöglichen den
so 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 Anschlußmögiichkeit 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)
Ringwicklung aus mehreren galvanisch unabhängigen Teilen, gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung durch Verwendung von mehrgängigen unabhängigen Umläufen auch als in Hohlleitern konzentrisch isoliert verlaufende
-A-
Zusatzwicklung. Desweiteren durch Unterbrechungen der Ringwicklung und loo Ausführung zur Verschaltung. Verschaltungen können z.B. Reihen-, Parallel-, oder Sternschalungen sein und auch mit parallelbetriebenen Maschinen erfolgen um z.B. Stromrichter durch gleichbleibendes Spannungsniveau bei Polpaar-Phasenzahl- Umschaltungen besser auszunutzen.
- Möglichst hohe magnetische Ausnutzung der Spulen; gemäß einer noch weiteren los 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 no und permanenterregter Synchronaußenläufer) und können auch mechanisch voneinander getrennt betrieben werden. (z.B. bei Hybridfahrzeug- Antrieben, asynchron im Generatorbetrieb einspeisend und gleichzeitig synchron im Motorbetrieb treibend)
Konstruktiv wesentlich ist dabei die Befestigung des Blechpakets am Statorgehäuse, ns 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 i2ofolgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Figur 1 einen axialer Vollschnitt durch eine Drehfeldmaschine Figur 2 einen radialen Schnitt in der Linie &Pgr;- II mit teilweiser Ansicht in Richtung II a der Figur 1
i25Es handelt sich um eine umlaufende elektrische Maschine mit einer Mehrphasenwechselstrom- Ringwicklung.
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Drehfeldmaschine 1.
Die Drehfeldmaschine 1 besteht im wesentlichen aus einem Stator 24 und einem Rotor Der Stator 24 setzt sich im wesentlichen zusammen aus einer Achse 10 mit einem Boangeschmiedenen Flansch 10 a, einer Statorplatte 2 und einem Blechpaket 3.
Der Rotor 4 setzt sich im wesentlichen zusammen aus einen Innenkurzschlußläuferrotor 15, einen Außenkurzschlußläuferrotor 16,einer Hohlwelle 18, einem hochfesten Stahlmantel 20 und den Kurzschlußringeh 13,14,17. Die Drehmomentabgabe erfolgt dabei über die Gewindenippel 19. Angebaut wird die Drehfeldmaschine 1 wird über den
i35Flansch 10 a, mittels der überstehenden Gewindenippel der Innensechskantschrauben 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
i4oDynamobacklackbleche 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 Nutöffiiung 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
i45sind die Nuten 106 zur Feldstärkeentspannung in möglichst guter Annäherung an das bekannte Rogowskiprofil angesenkt.
In diese Nuten 106 sind entsprechend passende U- fbrmig 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
isoinneren Nut 106 a, die andere Spulenseite in der nächstliegenden äußeren Nut 106 b 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
i55zur 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
i6oSchaltbrücken 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
165Achse 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
-6-üblicher
Weise drehbar gelagert und nur über einen geringen Luftspalt 23 a vom Stator
nogetrennt. Ali der Stelle eines umlaufenden Innen-Kurzschlußrings 13 ist die Statorplatte (2) entsprechend ausgedreht. An der Gegenseite der Statorplatte 2 befindet sich der
!Combinations- Kurzschlußring 14, der in Form einer Kreisringscheibe mechanisch den Innenkurzschlußläuferrotor 15 und den Außenkurzschlußläuferrotor 16 verbindet und bildet fur beide Rotoren 14,16 den Kurzschlußring. Alle Kurzschlußringe 13,14,17
i75und 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 23 b 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
i8oStahlmanteI 20 zur Aufnahme der Fliehkräfte. Zur Ansteuerung dient ein 72 phasiger Pulswechselrichter mit den bei den Vorteilen genannten Polpaar- Phasenzahlumschaltungen
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)

  1. -1-
    AntonKnestel Jacinta IG
    Kocheier Str.l 06.02.97
    83673 Bichl
    Anwendung einer Ringwicklung in elektrischen Drehfeldmaschinen
    Schutzansprüche
    1. Elektrische Drehfeldmaschine mit einer in einem Stator befindlichen Ringwicklung, die kleine Wickelkopfhöhen durch kreuzungsfreie und kürze Spulenköpfe aufweist und in einem magnetfeldverstärkenden Material wirkt, mit mindestens einem gelagerten Läufer,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß vorzugsweise jede Spule (5) der Ringwicklung (101) im Stator (24) gesondert mit Anzapfungen (8) versehen wird, wobei in den Spulen (5) über die Anzapfungen (8) sichüberlagernde Wechselströme eingespeist werden, wobei eine definierte Festlegung der Phasenwinkel der Wechselströme zueinander eine Phasenzahl (m) &iacgr;&ogr; und eine zugehörige Polpaarzahl (p) ergeben und wobei das Produkt m &khgr; &rgr; die Anzahl der stromeinspeisenden Anzapfungen (8) ist, und daß bei einer höheren Phasenzahl, bei der der Strom in der Ringwicklung (101) größer ist als jeweils die Wechselströme in den Anzapfungen (8), ein größerer Windungsquerschrritt möglich ist, wodurch pro Nut (106) ein einziger Leiter sinnvoll ist.
    is 2. Drehfeldmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Drehfeldmaschinen mit Läufern selbstausprägender Polpaarzahl, vorzugsweise Kurzschlußläufer- Asynchronmaschinen das Produkt m &khgr; &rgr; 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 den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl gleich eins und 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.
    -2-
    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 den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (5) aus mehreren Windungen pro Nut (106) bestehen.
    8. Drehfeldmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetfeldverstärkende Material aus aufgewickelten Dynamoblechstreifen besteht.
    9. Drehfeldmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringwicklung (101) aus mehreren galvanisch unabhängigen Teilen besteht.
    10. Drehfeldmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stator (3) und mindestens zwei Läufer (15,16) vorhanden sind, die jeweils einen eigenen Luftspalt (22a, 22b) zum Stator (3) aufweisen und sich in Art
    des Aufbaus und in der Betriebsweise unterscheiden können.
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