DE3320805A1 - Multipole, multiphase synchronous machine - Google Patents

Multipole, multiphase synchronous machine

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DE3320805A1 DE19833320805 DE3320805A DE3320805A1 DE 3320805 A1 DE3320805 A1 DE 3320805A1 DE 19833320805 DE19833320805 DE 19833320805 DE 3320805 A DE3320805 A DE 3320805A DE 3320805 A1 DE3320805 A1 DE 3320805A1
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Abstract

In this multipole, multiphase synchronous machine (motor or generator) the armature circumference is split into a plurality of different zones (Z1...Zn, n = integer) in order to reduce the winding overhangs, a plurality of juxtaposed coils (S1...Sm, m = integer) of the same winding phase (R, Y, B) being arranged in each zone. The sides of adjacent coils are in each case located in the same slot of the armature laminate stack. There is always a phase angle between the zones. For example, a spatial distance (a) can be provided between the zones, which distance corresponds to the phase angle between the associated winding supports. Alternatively to this, the armature coils of one zone can be connected in series and the pole pitches of the armature winding and the excitation can differ in such a manner that a phase shift occurs within one zone which corresponds to the phase angle between two winding supports. <IMAGE>

Description

Vielpolige, mehrphasige Svnchronmaschine- Multi-pole, multi-phase synchronous machine

Die Erfindung bezieht sich auf eine vielPol.ige, mehrphasige Synchronmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a multi-pole, multi-phase synchronous machine according to the preamble of claim 1.

Eine solche vielpolige, mehrphasige Synchronmaschine ist beispielsweise aus Tagen, Einführung in die Theorie der elektrischen Maschinen, II., Svnchron- und Asynchronmaschinen, Verlag Vieweg und Sohn, Braunschweig, Seite 1 bis 4 bekannt.Such a multi-pole, multi-phase synchronous machine is for example from days, Introduction to the theory of electrical machines, II., Svnchron- and asynchronous machines, Publishers Vieweg and Son, Braunschweig, pages 1 to 4 known.

Bei langsam laufenden Maschinen bzw. Geräten bietet der Direktantrieb ohne Untersetzungsgetriebe erhebliche Vorteile bezüglich Verschleiß, Positionierverhalten und dynamischer Eigenschaften gegenüber einem Antrieb mit Untersetzungsgetriebe. Bei Geräten mjt großem Durchmesser kann bei Direktantrieb die Antriebsmaschine als Ringmotor ausgeführt und direkt in das Gerät bzw. das Hauptlager des Gerätes integriert werden. Dies führt zu vielpoligen Maschinen mit Polzahlen von 30 bis weit über 100 und zu sehr kurzen Ankerlängen. Der Ringmotor soll wegen der Einbauverhältnisse möglichst klein sein, er muß aber trotzdem einen guten Wirkungsgrad haben und kostengünstig zu fertigen sein. Im Lei.stungsbereich von einigen kW bis zu etwa 100kW bietet die permanenterregte Synchronmaschine zur Erfüllung dieser Forderungen die günstigsten Eigenschaften.For slow-running machines or devices, the direct drive offers Without a reduction gear, there are considerable advantages in terms of wear and positioning behavior and dynamic properties compared to a drive with a reduction gear. For devices with a large diameter, the drive machine can be used as a direct drive Ring motor designed and integrated directly into the device or the main bearing of the device will. This leads to multi-pole machines with numbers of poles from 30 to well over 100 and anchor lengths that are too short. The ring motor should because of the installation conditions be as small as possible, but it must still be efficient and inexpensive to be finished. The permanent magnet synchronous machine to meet these requirements the cheapest Properties.

Wegen der kurzen Ankerlänge der Ringmotoren können die Wicklungsköpfe einen großen Anteil der Kupferverluste verursachen und einen wesentlichen Anteil des Volumens beansDruchen. Die bei herkömmlichen elektrischen Maschinen üblichen Zweischicht- oder iweietagenwicklungen haben relativ große Wickelköpfe, da sich die Wicklungen im Wicklungskopf kreuzen und aneinander vorbeigeführt werden müssen. Deswegen können für kleine Drehstrommaschinen Ankerwicklungen vorgesehen werden, bei denen die Spulen der verschiedenen Phasen R, S, T mit wechselnder Stromflußrichtung ohne ede berlappung nebeneinander liegen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.Because of the short armature length of the ring motors, the winding overhangs cause a large proportion of copper losses and a substantial proportion of the volume of beansDruchen. The ones commonly used in conventional electrical machines Two-layer or two-tier windings have relatively large winding heads because there are the windings cross in the winding head and have to be guided past each other. Therefore armature windings can be provided for small three-phase machines, in which the coils of the different phases R, S, T with alternating current flow direction lie next to one another without any overlap, as shown in FIG.

In einer besonderen Ausführungsart können die Seiten zweier benachbarter SDulen- in derselben Nut liegen. Derartige Wicklungen benötigen nur einen sehr kleinen Wicklungskopf. Es sind jedoch weiterhin relativ komplizierte Drehstrom-Schaltverbindungen zwischen den Spulen der Wicklungsstränge R, S, T erforderlich. Außerdem führt die Wicklung nach Fig. 1 zu einer relativ kleinen Polteilung p = zr/p (wobei p = Polpaarzahl) und damit zu einer schlechten Ausnutzung der Maschinen.In a special embodiment, the sides of two adjacent SDulen- lie in the same groove. Such windings only need a very small one Winding head. However, there are still relatively complicated three-phase switching connections required between the coils of the winding phases R, S, T. In addition, the Winding according to Fig. 1 with a relatively small pole pitch p = zr / p (where p = number of pole pairs) and thus poor utilization of the machines.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine vielpolige, mehrphasige Synchronmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, die aufgrund einer guten Ausnutzung und geringer Verluste einen guten Wirkungsgrad aufweist und dabei gleichzeitig möglichst klein im Volumen ausgebildet ist, Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.Based on this, the invention is based on the object of providing a multi-pole, specify polyphase synchronous machine of the type mentioned, due to good efficiency and low losses, and at the same time, the volume is as small as possible, These The object is achieved by the features characterized in claim 1.

Dabei kann einmal zwischen den Zonen ein räumlicher Abstand vorgesehen sein, der dem. Phasenwinkel zwischen den zugeordneten Wicklungssträngen entspricht; zum anderen können die Ankerspulen einer Zone in Reihe geschaltet werden und die Polteilungen der Ankerwicklung und der Erregung in der Weise verschieden sein, daß sich innerhalb einer Zone eine Phasenverschiebung ergibt, die dem Phasenwinkel zwischen zwei Wicklungssträngen entspricht.A spatial distance can be provided between the zones be that of the. Corresponds to phase angle between the associated winding phases; on the other hand, the armature coils of a zone can be connected in series and the Pole pitches of the armature winding and the excitation be different in such a way that there is a phase shift within a zone that corresponds to the phase angle between corresponds to two winding phases.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß gegenüber bekannten Anordnungen die Polteilung der Maschine vergrößert werden kann und daß die Schaltverbindungen zwischen den Wicklungen wesentlich einfacher sind als bei herkömmlichen Maschinen.The advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that compared to known arrangements, the pole pitch of the machine can be increased can and that the interconnections between the windings are much easier than with conventional machines.

Außerdem bleiben die'Reluktanzmomente trotz extrem kleiner Nutenzahl pro Pol und Strang gering, was bei Positionierantrieben wichtig ist.In addition, the reluctance moments remain despite the extremely small number of slots low per pole and strand, which is important for positioning drives.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous refinements of the invention are set out in the subclaims marked.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen erläutert.The invention is illustrated below with reference to the drawings Embodiments explained.

Es zeigen: Fig. 2 einen Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung, Fig. 3 eine dreiphasige Wicklungsanordnung mit sechs Zonen, Fig. 4 eine konstruktive Ausführung der erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung.They show: FIG. 2 a section of the winding arrangement according to the invention, 3 shows a three-phase winding arrangement with six zones, and FIG. 4 shows a constructive one Execution of the winding arrangement according to the invention.

In Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung dargestellt, und zwar sind beispielhaft sechs nebeneinanderliegende Spulen S1....S6 mit wechselnder Stromflußrichtung R, -R, R, -fl.... einer ersten Zone Z1 (Phase R) und zwei nebeneinanderliegende Spulen S7, S8 mit wechselnder Stromflußrichtung T, -T einer zweiten Zone Z2 (Phase T) gezeigt, wobei ein räumlicher Abstand a am ttbergang von der Wicklungszone Z1 zur Wicklungszone Z? vorgesehen ist. Die Seiten zweier benachbarter Spulen liegen jeweils in derselben Nut.In Fig. 2 is a section of a winding arrangement according to the invention shown, namely six adjacent coils S1 ... S6 are exemplified with alternating direction of current flow R, -R, R, -fl .... a first zone Z1 (phase R) and two adjacent coils S7, S8 with alternating current flow direction T, -T of a second zone Z2 (phase T) shown, with a spatial distance a am transition from winding zone Z1 to winding zone Z? is provided. The pages two adjacent coils are each in the same groove.

Die Spulen in einer Zone können im Prinzip gleich aufgebäut sein wie bei einer Wicklung..nach Fig. 1. Die Polteilung t p ist gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 um den Faktor 4/3 erhöht. In jeder Wicklungszone können die Spulen vorzeichenrichtig in Reihe oder'auch parallel geschaltet werden.The coils in a zone can in principle have the same structure as with a winding .. according to Fig. 1. The pole pitch t p is opposite to the arrangement according to Fig. 1 increased by a factor of 4/3. The coils can have the correct sign in each winding zone be connected in series or in parallel.

Pro Wicklungsstrang R, S, T, können am Umfang der Maschine eine oder mehrere Wicklungszonen angeordnet sein.Per winding phase R, S, T, one or several winding zones can be arranged.

Es können prinzipiell auch Wicklungszonen verschiedener Breite verwendet werden, wobei im Normalfall die Summe der Zonenbreiten für alle W:icklungsstränge gleich sein sollte. Besonders günstig für die Fertigung ist es jedoch, in einer Maschine nur Zonen gleicher Breite anzuordnen.In principle, winding zones of different widths can also be used where normally the sum of the zone widths for all winding strands should be the same. However, it is particularly favorable for production in one Machine to arrange only zones of the same width.

Bei dreiphasigen Maschinen mit hoher Polzahl sind vorzugsweise sechs gleich breite Zonen Z1,..Z6 vorgesehen, wie in Fig. 3 dargestellt, wobei der Abstand a zwischen zwei Zonen gleich einem Drittel der Polteilung ist, d.h.For three-phase machines with a high number of poles, six are preferred Zones Z1, .. Z6 of equal width are provided, as shown in FIG. 3, the distance a between two zones is equal to one third of the pole pitch, i.e.

a = Q: p/3. Man erhält damit eine Maschine ohne einseitigen magnetischen Zug, wobei durch die Summe der räumlichen Abstände a ein Teil des Umfanges unbewickelt bleibt, der einer doppelten Polteilung entspricht, d.h.a = Q: p / 3. This gives a machine without a one-sided magnetic Train, with part of the circumference unwound due to the sum of the spatial distances a remains, which corresponds to a double pole pitch, i.e.

6a = 6 2-p/3 = 2 tp.6a = 6 2-p / 3 = 2 tp.

Beim Beispiel gemäß Fig. 3 sind in jeder Zone Z1...Z6 jeweils acht nebeneinanderliegende Spulen vorgesehen, so daß die gesamte Wicklungsanordnung 48 Spulen-S1...S48 aufweist.In the example according to FIG. 3, there are eight in each zone Z1 ... Z6 adjacent coils are provided so that the entire winding arrangement 48 Has coil S1 ... S48.

Um den umbewickelten Teil einer dreiphasigen Maschine weiter zu verringern, kann man auch lediglich drei gleich große Zonen mit einer ungeraden Anzahl von Polen vorsehen, wobei der räumliche Abstand a zwischen den Zonen gleich einem Drittel der Polteilung ist, d.h.To further reduce the wrapped part of a three-phase machine, you can also only have three zones of the same size with an odd number of poles provide, the spatial distance a between the zones being equal to one third is the pole pitch, i.e.

a = 35 D/3. Der unbewickelte Teil des Umfanges entspricht dann nur noch-einer Polteilung, d.h.a = 35 D / 3. The unwound part of the circumference then only corresponds one more pole pitch, i.e.

3a = 3 t p/3 = 12 p. Allerdings hat die Maschine bei dieser Anordnung einen einseitigen magnetischen. Zug.3a = 3 t p / 3 = 12 p. However, with this arrangement the machine a one-sided magnetic. Train.

Bei zweiphasigen Maschinen werden vorzugsweise vier gleich breite Zonen am Umfang angeordnet, wobei der räumliche Abstand a zwischen zwei Zonen gleich der Hälfte der Polteilung ist.In the case of two-phase machines, four are preferably of the same width Zones arranged on the circumference, the spatial distance a between two zones being the same half of the pole pitch.

Der Abstand a zwischen den Zonen kann auch gleichmaRig über die Zone verteilt werden. Man kommt dann zu Wicklungen, deren Polteilung großer ist als die Polteilung der Erregung. Dadurch ergibt sich zwischen benachbarten Spulen eine kleine Phasenverschiebung, die sich innerhalb einer Zone zum Phasenwinkel zwischen benachbarten Wicklungssträngen addiert. Wegen der Phasenverschiebung mUssen dabei die Spulen einer Zone in ReiVe geschattet werden. Die Polteilung der Ankerwicklung kann auch kleiner gewählt werden als die Polteilung der Erregung.The distance a between the zones can also be uniform across the zone be distributed. One then arrives at windings whose pole pitch is greater than that Pole division of excitation. This results in a small one between adjacent coils Phase shift that occurs within a zone to the phase angle between neighboring ones Windings added. Because of the phase shift, the coils must be shaded in a zone in travel. The pole pitch of the armature winding can also be chosen smaller than the pole pitch of the excitation.

Dies entspricht einem negativen Abstand a zwischen den Zonen.This corresponds to a negative distance a between the zones.

Durch die gleichmäßige Verteilung der Phasenverschiebung über die Zone wird die Form der Ankerspannung verbessert, da sich durch die Addition der Snannungen verschiedene Zonenfaktoren für Grund- und Oberschwingungen ergeben. AuRerdem werden die Reluktanzmomente der Maschine wesentlich verringert, weil wegen der unterschiedlichen Polteilungen keine Vorzugsstellungen für den magnetischen Fluß vorhanden sind.Due to the even distribution of the phase shift over the Zone, the shape of the anchor tension is improved, there through the addition of the voltages different zone factors for fundamental and harmonics result. In addition, the reluctance torques of the machine are significantly reduced, because because of the different pole pitches there are no preferred positions for the magnetic River are present.

Dreiphasige Synohronmaschinen werden bei gleichmäßiger Verteilung des Abstandes am günstigsten mit sechs gleich großen Zonen ausgeführt, die jeweils eine -Phasenverschiebung von 600 bewirken. Das heißt, die Polpaarzahl der Ankerwicklung ist um ein Polpaar kleiner oder größer als die Polpaarzahl der Erregung. Die Ausführung mit sechs Zonen bewirkt auch hier eine Maschine ohne einseitigen magnetischen Zug-.Three-phase synchronous machines are evenly distributed of the distance is best carried out with six zones of equal size, each cause a phase shift of 600. That is, the number of pole pairs of the armature winding is one pole pair smaller or larger than the number of pole pairs of the excitation. Execution with six zones produces a machine without one-sided magnetic pull.

Man kann bei einer dreiphasigen Maschine auch mit drei Zonen auskommen, wenn die Spulenzahl ungerade ist. Die Phasenverschiebung zwischen zwei Zonen entspricht 600, d.h. die Polzahl der Ankerwicklung ist um einen Pol größer oder kleiner als die Polzahl der Erregung.With a three-phase machine, you can get by with three zones, when the number of bobbins is odd. The phase shift between two zones corresponds to 600, i.e. the number of poles in the armature winding is one pole larger or smaller than the number of poles of the excitation.

Bei zweiphasigen Maschinen sind am Umfang vorzugsweise vier gleiche Zonen vorhanden und die Phasenverschiebung innerhalb einer Zone entspricht einem Phasenwinkel von 900.In two-phase machines, there are preferably four of the same on the circumference Zones exist and the phase shift within a zone corresponds to one Phase angle of 900.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel für die konstruktive Ausführung einer Maschine. Dargestellt ist ein Ausschnitt aus einer Außenpolmaschine, die vorzugsweise. als 'AuAenläufermaschine eingesetzt wird. Die Erregung wird durch Permanentmagnete 1 erzeugt, die auf ein Joch 2 des Läufers aufgesetzt sind. In Nuten des Ankerblechpaketes R des Standers sind Spulen 4a, 4b., 4c.... der Ankerwicklung untergebracht. Die Zähne 5 des Blechpaketes 3 sind mit Polschuhen 6 versehen, welche die Nuten teilweise schließen. Dadurch werden der Induktionsverlauf für die Ankerwicklung verbessert und die Ausnutzung der Maschine gesteigert.Fig. 4 shows an example of the structural design of a machine. Shown is a section from an external pole machine, which is preferably. as 'External runner machine is used. The excitation is provided by permanent magnets 1 generated, which are placed on a yoke 2 of the rotor. In the grooves of the anchor plate package R of the stand are coils 4a, 4b., 4c .... of the armature winding. the Teeth 5 of the laminated core 3 are provided with pole pieces 6 which partially form the grooves conclude. This improves the induction curve for the armature winding and its utilization of the machine.

Die Erfindung ist nicht auf Ringmotoren begrenzt, sondern kann allgemein bei mehrphasigen Synchronmaschinen mit gröReren Polzahlen (etwa.ah 8) vorteilhaft angewandt werden. Dabei können permanenterregte und auch elektrisch erregte Maschinen (Motoren oder.Generatoren) entsprechend der Erfindung gebaut werden.The invention is not limited to ring motors, but can be general advantageous for multi-phase synchronous machines with a larger number of poles (around 8) can be applied. Both permanently excited and electrically excited machines can be used (Motors oder.Generatoren) are built according to the invention.

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Claims (10)

Ansprüche 1. Vielpolige, mehrphasige mehrphasige Synchronmaschine, die vorz w weise durch Permanentmagnete erregt wird, mit einer Ankerwicklung, die.aus nebepeinanderliegenden Spulen besteht, wobei die Seiten zweier benachbarter Spulen in jeweils derselben Nut liegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerumfang in mehrere verschiedene Zonen (Z1...Zn, n - beliebige ganze Zahl) aufgeteilt ist, wobei in jeder Zone nur Spulen (S1...Sm, m = beliebige ganze Zahl) des gleichen Wicklungsstranges (R,S,T) angeordnet sind und jeweils ein Phasenwinkel zwischen den einzelnen Zonen vorhanden ist. Claims 1. Multi-pole, multi-phase multi-phase synchronous machine, which is preferably excited by permanent magnets, with an armature winding that adjacent coils, with the sides of two adjacent coils lie in the same groove, characterized in that the anchor circumference in several different zones (Z1 ... Zn, n - any whole number) is divided, where in each zone only coils (S1 ... Sm, m = any whole number) of the same winding phase (R, S, T) are arranged and each have a phase angle between the individual zones is available. 2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zonen ein räumlicher Abstand (a) vorgesehen ist, der dem'Phasenwinkel zwischen den zugeordneten Wicklungsträgern entspricht. 2. Synchronous machine according to claim 1, characterized in that a spatial distance (a) is provided between the zones which corresponds to the phase angle corresponds between the associated winding carriers. 3. Synchronmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dreiphasiger Ausführung sechs gleich groBe Zonen am Umfang vorgesehen sind und der räumliche Abstand (a) zwischen den Zonen gleich einem Drittel der Polteilung ist. 3. Synchronous machine according to claims 1 and 2, characterized in that that in the case of a three-phase design, six zones of the same size are provided on the circumference and the spatial distance (a) between the zones is equal to one third of the pole pitch is. 4. Synchronmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dreiDhasiger Ausführung am Umfang drei gleich großen Zonen mit einer ungeraden Zahl von Spulen vorgesehen sind und der rRumliche Abstand (a) zwischen den Zonen gleich einem Drittel der Polteilung ist. 4. Synchronous machine according to Claims 1 and 2, characterized in that that in the case of a three-phase design, three zones of the same size with an odd one on the circumference Number of coils are provided and the spatial distance (a) between the zones is equal to one third of the pole pitch. 5. Synchronmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei zweiphasiger Ausführung vier gleich große Zonen am Umfang vorgesehen sind und der räumliche Abstand (a) zwischen den Zonen gleich der Hälfte der Polteilung ist. 5. Synchronous machine according to Claims 1 and 2, characterized in that that in the case of a two-phase design, four zones of equal size are provided on the circumference and the spatial distance (a) between the zones is equal to half the pole pitch is. 6. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerspulen einer Zone in Reihe geschaltet und die Polteilungen der Ankerwicklung und der Erregung in der Weise verschieden sind, daß sich innerhalb einer Zone eine Phasenverschiebung ergibt, die dem Phasenwinkel zwischen zwei Wicklungssträngen entspricht. 6. Synchronous machine according to claim 1, characterized in that the armature coils of a zone connected in series and the pole pitches of the armature winding and excitation are different in such a way that within a zone one Phase shift results in the phase angle between two winding phases is equivalent to. 7. Synchronmaschine nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei dreiphasiger Ausführung sechs gleich große Zonen am Umfang vorhanden sind und die Phasenverschiebung innerhalb einer Zone einem Phasenwinkel von 600 entspricht. 7. Synchronous machine according to claims 1 and 6, characterized in that that in the three-phase version there are six zones of the same size on the circumference and the phase shift within a zone corresponds to a phase angle of 600. 8. Synchronmaschine nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei dreiDhasiger Ausführung am Umfang drei gleiche Zonen mit einer ungeraden Zahl von Spulen vorgesehen sind und die Phasenverschiebung innerhalb einer Zone einem Phasenwinkel von 600 entspricht. 8. Synchronous machine according to claims 1 and 6, characterized in that that in the case of a three-phase design, three equal zones with an odd one on the circumference Number of coils are provided and the phase shift within a zone corresponds to a phase angle of 600. 9. Synchronmaschine nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei zweiphasiger Ausführung am Umfang vier gleiche Zonen vorhanden sind und die Phasenverschiebung innerhalb einer Zone einem Phasenwinke] von 900 entspricht. 9. Synchronous machine according to claims 1 and 6, characterized in that that with two-phase design there are four equal zones on the circumference and the phase shift within a zone corresponds to a phase angle] of 900. 10. Synchronmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (5) des Ankerblechpaketes (3) mit Polschuhen (6) versehen sind, welche die Nut teilweise schließen. 10. Synchronous machine according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the teeth (5) of the armature core (3) are provided with pole shoes (6) are, which partially close the groove.
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