DE4008446A1

DE4008446A1 - Vielstufige, formgewickelte spulenwicklungen fuer einen geschalteten reluktanzmotor

Info

Publication number: DE4008446A1
Application number: DE4008446A
Authority: DE
Inventors: Charles Michael Stephens
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-03-24
Filing date: 1990-03-16
Publication date: 1990-09-27
Also published as: IT9019794A0; IT1240287B; FR2645685B1; DE4008446C2; IT9019794A1; GB9006418D0; GB2232305A; JPH02280643A; FR2645685A1; CA2012233A1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Statorpol-Spulenwicklun gen für geschaltete Reluktanzmotoren. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf formgewickelte Spulenwicklungen für einen ge schalteten Reluktanzmotor, die jeweils mehrere Wicklungsstufen auf weisen, die der Reihe nach zusammengesetzt werden.

Geschaltete Reluktanzmotoren sind Maschinen mit doppelt ausge prägten Polen; das heißt, sie haben mehrere Pole sowohl auf dem Stator als auch auf dem Rotor. Weiterhin sind Spulenwicklungen auf dem Stator vorhanden, aber es gibt keine Wicklungen oder Mag nete auf dem Rotor. In einem geschalteten Reluktanzmotor weist jede Motorphase wenigstens zwei diametral gegenüberliegende Sta torpole auf, auf die jeweils eine Spulenwicklung gewickelt ist. Die Statorpol-Spulenwicklungen, die jede Phasenwicklung des Motors bilden, sind in Reihe oder parallel geschaltet, so daß, wenn eine Phasenwicklung erregt wird, der Magnetfluß, der in den entsprechenden Paaren von Statorpolen erzeugt wird, sich additiv vereinigt. Bei Erregung einer Motorphase, indem den entsprechenden Statorpol-Spulenwicklungen Strom zugeführt wird, entsteht eine magnetische Anziehungskraft zwischen den erregten Statorpolpaar(en) und den nächstgelegenen Rotorpolen, wodurch der Rotor in Drehung versetzt wird. Der Strom in der erregten Motorphasenwicklung wird ausgeschaltet, bevor die Ro torpole sich durch die Ausrichtungsstellung drehen; anderenfalls würde die magnetische Anziehungskraft ein negatives oder ein Bremsmoment erzeugen. Eine kontinuierliche Drehung des Rotors wird dadurch erreicht, daß benachbarte Motorphasen der Reihe nach ein- und ausgeschaltet werden. Um die Motorphasen zu erre gen, werden den Motorphasenwicklungen durch einen Wandler uni direktionale Stromimpulse zugeführt, die mit der Rotorbewegung synchronisiert sind. Beispielsweise sind Wandler für geschaltete Reluktanzmotoren in der US-PS 46 84 867 beschrieben. Im allge meinen werden bei der Fertigung eines geschalteten Reluktanz motors die Spulenwicklungen als Untereinheiten gewickelt und dann auf die Statorpole aufgebracht. Hierbei ist nachteilig, daß dieses übliche Motormontageverfahren notwendigerweise Zwischen räume zwischen den Polen ungenutzt läßt. Das heißt, damit eine Spule, die auf einen Statorpol aufgebracht wird, neben Wicklun gen paßt, die zuvor aufgebracht worden sind, ist die Breite der Spule eingeschränkt. Infolgedessen sind für einen bestimmten ge schalteten Reluktanzmotor der maximal erzielbare Fluß und somit das Ausgangsdrehmoment und die Spannung begrenzt.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Statorpol-Spulenwicklungen für einen geschalteten Reluktanzmotor zu schaffen, die einen größeren Teil des Zwischenraumes als übliche Spulenwicklungen ausnutzen, um dadurch die Erzeugung eines vergrößerten Flusses pro Stromeinheit und somit entsprechend höhere Drehmomente und Ausgangsspannungen zu ermöglichen. Dabei sollen kleinere Lei terverluste pro Energieeinheit als bei üblichen Spulenwicklun gen auftreten. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung von Spulenwicklungen für einen geschalteten Reluktanzmotor geschaf fen werden, die jeweils einen größeren Teil des Zwischenraumes zwischen den Polen als bei üblichen Spulenwicklungen ausnutzen, so daß ein Motor mit höherem Wirkungsgrad entsteht.

Gemäß der Erfindung wird eine vielstufige, formgewickelte Spu lenwicklung für einen geschalteten Reluktanzmotor geschaffen. Insbesondere weist in einer zweistufigen, formgewickelten Spu lenwicklung die erste Stufe eine innere Spulenwicklung auf, die einen rechtwinkligen Querschnitt hat und direkt, d. h. eng, um einen Statorpol des geschalteten Reluktanzmotors paßt. Die zweite Stufe weist eine äußere Spulenwicklung auf, die eben falls einen rechtwinkligen Querschnitt hat und direkt um die erste Spulenwicklung paßt. Die inneren und äußeren Spulenwick lungen sind formgewickelt, d. h. sie sind getrennt gewickelt als Untereinheiten, bevor sie auf die Statorpole aufgebracht werden.

Während der Montage eines Stators eines geschalteten Reluktanz motors wird jede äußere Spule um den entsprechenden Statorpol herum angebracht. Nachdem alle äußeren Spulen auf dem Stator an gebracht sind, wird dann jede innere Spule in die entsprechen de äußere Spule eingesetzt. Die inneren und äußeren Spulen auf jedem Statorpol sind miteinander in Reihe geschaltet, um so die gleiche allgemeine Wickelrichtung zu haben. Schließlich werden die Statorpol-Spulenwicklungen, die jede Motorphasenwicklung bil den, in Reihe oder parallel geschaltet.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Querschnittsdarstellung von einem üblichen ge schalteten Reluktanzmotor.

Fig. 2 ist ein Querschnitt von einem geschalteten Reluktanzmotor und stellt die Stromrichtung in einer Motorphasenwicklung und die Richtung des dabei entstehenden Magnetflusses dar.

Fig. 3 ist ein Querschnitt von einem geschalteten Reluktanzmotor mit Statorpol-Spulenwicklungen gemäß der Erfindung.

Fig. 1 ist ein Querschnitt von einem geschalteten Reluktanz motor 10 mit üblichen Statorpol- Spulenwicklungen. Als Beispiel ist der Reluktanzmotor 10 als eine dreiphasige Maschine darge stellt, wobei jede Motorphase zwei diametral gegenüberliegende Statorpole aufweist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung auf geschaltete Reluktanzmotoren mit jeder Phasenzahl und somit jeder Zahl von Statorpolen anwendbar ist.

Wie in Fig. 1 ferner gezeigt ist, enthält der Reluktanzmotor 10 einen Rotor 14, der entweder in Vorwärts- oder in Rückwärtsrich tung in einem Stator 15 drehbar ist. Der Rotor 14 weist zwei Paare diametral gegenüberliegender Rotorpole 16 a-16 b und 18 a-18 b auf. Der Stator 15 hat drei Paare diametral gegenüberliegender Statorpole 20 a-20 b, 22 a-22 b und 24 a-24 b. Übliche Statorpol-Spu lenwicklungen 26 a, 26 b, 28 a, 28 b, 30 a bzw. 30 b sind auf Stator pole 20 a, 20 b, 22 a, 22 b, 24 a bzw. 24 b gewickelt. Die Statorpol- Spulenwicklungen auf jedem Paar gegenüberliegender oder zusammen gehöriger Statorpolpaare sind in Reihe oder parallel geschaltet, um eine Motorphasenwicklung zu bilden. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, erzeugt der Strom I in jeder Phase eine magnetische Fluß verkettung, indem Fluß in den Richtungen erzeugt wird, die durch die Pfeile 32 und 34 angedeutet sind. Beispielsweise sind, wie gezeigt, die Wicklungen 26 a und 26 b in Reihe geschaltet, so daß der Strom I in der angegebenen Richtung fließt.

Wie bereits erwähnt wurde, werden während der Fertigung eines typischen geschalteten Reluktanzmotors die Statorpol-Spulenwick lungen als Untereinheiten gewickelt, die hier als formgewickelte Spulenwicklungen bezeichnet werden, und dann werden sie auf die entsprechenden Statorpole aufgebracht. Die Windungszahl und die Leiterart, die zur Herstellung der Spulenwicklungen für einen bestimmten geschalteten Reluktanzmotor verwendet werden, hängen von der jeweiligen beabsichtigten Anwendung ab. Für Wicklungen, die aus einer relativ kleinen Anzahl von Windungen eines dicken Leiters aufgebaut sind, werden die Wicklungen jeweils in eine vorbestimmte Spulenform gebracht, die der Größe der entsprechen den Statorpole entspricht, wobei die Steifigkeit des dicken Lei ters die Form der Spule beibehält, nachdem die Leiter formge wickelt worden sind. Die Leiter, die die formgewickelte Spule bilden, sind dicht gepackt. Alternativ kann in Abhängigkeit von dem Reluktanzmotor und seiner beabsichtigten Verwendung eine formgewickelte Spule aus vielen Windungen eines dünnen Leiters gewickelt werden, vorausgesetzt, daß die Windungen um einen nicht-metallischen Kern gewickelt werden, um die Spulenform zu bewahren.

Um die formgewickelten Spulenwicklungen auf die Statorpole auf zubringen, wie es beschrieben wurde, gibt es eine maximale Spu lenbreite W ₁, die einen ausreichenden Spielraum für die Anbrin gung der benachbarten Spulenwicklungen erlaubt. Somit ist ein wesentlicher Teil von jedem Zwischenraum 36 nicht durch Spulen wicklungen beansprucht, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Die se Einschränkung hinsichtlich des nutzbaren Zwischenraumes be grenzt ihrerseits den maximal erreichbaren Fluß und somit das Ausgangsdrehmoment und die Spannung.

Fig. 3 zeigt einen geschalteten Reluktanzmotor 38, der die zweistufigen Statorpol-Spulenwicklungen gemäß der Erfindung ver wendet. Jede Statorpol-Spulenwicklung weist eine äußere Wicklung 40 a, 40 b, 42 a, 42 b, 44 a bzw. 44 b und eine innere Spulenwicklung 50 a, 50 b, 52 a, 52 b, 54 a bzw. 54 b auf. Die äußere Spulenwicklung und die innere Spulenwicklung, die jede Statorpol-Spulenwicklung bilden, sind getrennt formgewickelt. Um die Ausnutzung jedes Zwi schenraumes 36 zwischen zwei Polen zu maximieren, haben die in neren und äußeren Wicklungen jeweils vorzugsweise einen im we sentlichen rechteckigen Querschnitt, wie es in Fig. 3 darge stellt ist. Darüber hinaus ist für geschaltete Reluktanzmotoren gleicher Bemessung die Breite W ₁ der inneren Spulenwicklung ge mäß der Erfindung vorzugsweise gleich derjenigen der konventio nellen Spulenwicklung, die in Fig. 1 gezeigt ist. Weiterhin ist wie bei der konventionellen Spulenwicklung die innere Spule so bemessen, daß sie direkt, d. h. eng, um den entsprechenden Statorpol paßt. Bei den Abmessungen der inneren Spulenwicklung, wie sie hier beschrieben sind, muß die Höhe H ₂ der äußeren Spulenwicklung kleiner als die Höhe H ₁ der inneren Spulenwick lung sein, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Die äußere Spulenwick lung ist so bemessen, daß sie direkt um die entsprechende inne re Spulenwicklung paßt, und die Breite W ₂ der äußeren Spulen wicklung ist durch den für die Montage erforderlichen Spielraum begrenzt, wie es nachfolgend näher erläutert wird.

Gemäß der Erfindung werden während der Montage des Stators eines geschalteten Reluktanzmotors die äußeren Spulenwicklungen 40 a, 40 b, 42 a, 42 b, 44 a und 44 b auf Statorpole 20 a, 20 b, 22 a, 22 b, 24 a bzw. 24 b aufgebracht, bevor irgendwelche inneren Spulenwick lungen angebracht werden. Wenn sich jede äußere Spulenwicklung in ihrer Lage um den entsprechenden Statorpol herum befindet, wird jede innere Spulenwicklung 50 a, 50 b, 52 a, 52 b, 54 a und 54 b in eine äußere Spulenwicklung 40 a, 40 b, 42 a, 42 b, 44 a bzw. 44 b eingesetzt, während sie direkt um den entsprechenden Statorpol angepaßt ist. Jede äußere Spulenwicklung wird dann mit der ent sprechenden inneren Spulenwicklung in Reihe geschaltet, um die gleiche allgemeine Wickelrichtung beizubehalten. Schließlich werden die diametral gegenüberliegenden Statorpol-Spulenwick lungen in Reihe oder parallel geschaltet, je nach Wunsch, so daß die entstehenden magnetischen Flußmuster ähnlich denjenigen sind von dem konventionell geschalteten Reluktanzmotor, die in Fig. 2 gezeigt sind.

Durch Benutzung der zweistufigen Statorpol-Spulenwicklungen ge mäß der Erfindung wird die Magnetflußerzeugung in signifikan ter Weise vergrößert. Somit werden das Drehmoment und die Aus gangsspannung pro Stromeinheit proportional erhöht, wodurch ein geschalteter Reluktanzmotor mit erhöhtem Wirkungsgrad entsteht. Zusätzlich werden durch Verwendung der zweistufigen Wicklungen gemäß der Erfindung, um einen wesentlich größeren Teil des Zwi schenraumes zwischen den Polen auszunutzen, die Leiterverluste pro zugeführter Energieeinheit verkleinert, wodurch der Wir kungsgrad des Reluktanzmotors weiter verbessert wird.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Bei spielsweise kann eine dreistufige Spulenwicklung, die eine inne re Spulenwicklung, eine erste äußere Spulenwicklung und eine zweite äußere Spulenwicklung aufweist, in erfindungsgemäßer Wei se aufgebaut werden. Um einen Stator mit einer dreistufigen Spu lenwicklung zu bauen, werden die Wicklungsstufen in folgender Weise nacheinander auf den Statorpolen angebracht: alle ersten äußeren Spulenwicklungen, alle zweiten äußeren Spulenwicklungen und schließlich alle inneren Spulenwicklungen.In entsprechender Weise können vier Wicklungsstufen, fünf Wicklungsstufen usw. aufgebaut werden.

Claims

1. Konzentrierte Statorpol-Spulenwicklung für einen mehrphasigen Motor mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor meh rere Rotorpole und der Stator mehrere Paare gegenüberliegen der Statorpole aufweist und jede Motorphase wenigstens ein Paar von gegenüberliegenden Statorpolen aufweist, auf dem jeweils eine der konzentrierten Statorpol-Spulenwicklungen gewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Statorpol-Spulenwicklung eine innere Spulenwicklung (50, 52, 54), die einen im wesentlichen rechteckigen Quer schnitt aufweist und direkt um einen der Statorpole paßt, und eine äußere Spulenwicklung (40, 42, 44) aufweist, die einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist und um die innere Spulenwicklung paßt, wobei die äußere Spu lenwicklung mit der inneren Spulenwicklung elektrisch in Reihe geschaltet ist.

2. Statorpol-Spulenwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (H ₂) der äußeren Spulenwicklung (40, 42, 44) kleiner ist als die Höhe (H ₁) der inneren Spulenwicklung (50, 52, 54) .

3. Statorpol-Spulenwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Spulenwicklung (40, 42, 44) direkt um die innere Spulenwicklung paßt.

4. Mehrphasiger, geschalteter Reluktanzmotor mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor mehrere Rotorpole und der Stator mehrere Paare von gegenüberliegenden Statorpolen aufweist, wo bei jede Motorphase wenigstens ein Paar gegenüberliegender Statorpole aufweist, auf die jeweils eine konzentrierte Sta torpol-Spulenwicklung gewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Statorpol-Spulenwicklung eine innere Spulenwicklung (50, 52, 54), die einen im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt hat und direkt um einen der Statorpole paßt, und eine äußere Spulenwicklung (40, 42, 44) aufweist, die einen im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt hat und um die innere Spulenwick lung paßt, wobei die äußere Spulenwicklung mit der inneren Spulenwicklung elektrisch in Reihe geschaltet ist.

5. Reluktanzmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (H ₂) der äußeren Spulenwicklung (40, 42, 44) kleiner ist als die Höhe (H ₁) der inneren Spulenwicklung (50, 52, 54).

6. Reluktanzmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Spulenwicklung direkt um die innere Spulenwicklung paßt.

7. Verfahren zur Herstellung einer konzentrierten Statorpol- Spulenwicklung für einen geschalteten Reluktanzmotor mit ei nem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor mehrere Rotorpole und der Stator mehrere gegenüberliegende Statorpole aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß:
eine innere Spulenwicklung formgewickelt wird, die mit einem im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt versehen und so ge formt wird, daß sie direkt um einen der Statorpole herum paßt,
eine äußere Spulenwicklung formgewickelt wird, die mit einem im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt versehen und so ge formt wird, daß sie direkt um die innere Spulenwicklung herum paßt,
die äußere Spulenwicklung um einen entsprechenden Statorpol herum angeordnet wird,
die innere Spulenwicklung in die äußere Spulenwicklung einge setzt und
die innere Spulenwicklung und die äußere Spulenwicklung elek trisch in Reihe miteinander verbunden werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der äußeren Spulenwicklung kleiner gemacht wird als die Höhe der inneren Spulenwicklung.

9. Verfahren zum Herstellen eines Stators für einen mehrphasig geschalteten Reluktanzmotor, wobei der Stator mit mehreren Paaren gegenüberliegender Statorpole versehen wird, auf die jeweils eine konzentrierte Statorpol-Spulenwicklung gewickelt wird, wobei jede Motorphase wenigstens ein Paar gegenüberlie gender Statorpole mit den darauf gewickelten Spulenwicklungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß:
mehrere innere Spulenwicklungen formgewickelt werden, die jeweils mit einem im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt versehen und so geformt werden, daß sie direkt um einen der Statorpole passen,
mehrere äußere Spulenwicklungen formgewickelt werden, die je weils mit einem im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt versehen und so geformt werden, daß sie um die entsprechende innere Spulenwicklung passen,
jede äußere Spulenwicklung auf entsprechende Weise um einen der Statorpole herum angeordnet wird,
jede innere Spulenwicklung auf entsprechende Weise in die ent sprechende äußere Spulenwicklung eingesetzt wird,
die inneren Spulenwicklungen und die äußeren Spulenwicklungen auf entsprechende Weise elektrisch in Reihe geschaltet werden, um die entsprechende Statorpol-Spulenwicklung zu bilden, und die Statorpol-Spulenwicklungen, die jeder Rotorphase entspre chen, elektrisch miteinander verbunden werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe jeder äußeren Spulenwicklung kleiner gemacht wird als die Höhe der inneren Spulenwicklung.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Spulenwicklungen jeweils direkt um die entspre chende innere Spulenwicklung herum paßt.