DE4404585A1 - Stator mit Ringkernspulen für elektrische Maschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Ständer elektrischer Maschinen nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2.

Für den Einsatz in Fahrzeugantriebssystemen müssen Generatoren mit zusätzlich rotierendem Ständer nach DE 40 24 269 C2 so ausgelegt sein, daß diese ein hohes Gegenmoment (Drehmoment) und hohe elektrische Leistung bei geringer axialer Einbautiefe erzeugen.

Ein hohes Drehmoment erfordert dabei konstruktiv einen großen Bohrungs­ durchmesser (1), was gleichbedeutend ist mit hoher Rotationsbelastung der Ständerspulen. Hohe Leistung bei geringer axialer Länge kann nur durch hohe Induktionsfrequenz erreicht werden. Konstruktiv bedeutet dies, daß jeder Leitungsstrang in einer angrenzenden Nut (3) mit einer anderen Phase verbunden ist.

Mit dem bekannten Wicklungsprinzip, bei dem alle wirksamen Leitungsstränge in Nute eingelegt werden und die Wickelköpfe verhältnismäßig instabil über die Nute in axialer Richtung hinausragen, kann die Rotationsfestigkeit der Ständerspulen nur durch erhöhten technischen Aufwand sichergestellt werden. Zusätzlich ergeben sich geometrische Probleme bei der Anordnung der Wickelköpfe in Verbindung Drehstromschaltungen von Leitungssträngen, die in angrenzende Nute jeweils mit anderen Phasen verbunden sind.

Diese Nachteile werden nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch behoben, daß die Ständerspulen (10) nach Fig. 2 ringförmig um einen stabilen Körper, gebildet aus dem Statorkern (7) und den Stirnplatten (27) Fig. 2 und 3 gewickelt werden. Dadurch ist ein radialer und axialer Versatz nicht möglich und die Spulen können problemlos in jeder beliebigen Art geschaltet werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieses Wicklungsprinzips besteht erfindungs­ gemäß darin, daß durch die Nutzung der äußeren Mantelfläche des Stators als zusätzliche Induktionsfläche die Nutfläche (3) im Vergleich zu bekannten und in DIN- und IEC-Normen empfohlenen Maßen erheblich gemindert werden kann.

Eine reduzierte Nutfläche bedeutet einen erhöhten Anteil Stegbreite (4) an dem inneren Bohrungsumfang und/oder eine vergrößerte Anzahl Nute bei einem gegebenen Bohrungsdurchmesser (1), da Nutfläche (3) und Stegbreite (4) konkurrierende Größen auf einer gemeinsamen Fläche sind.

Der erhöhte Anteil der Stegbreite vergrößert den Durchschnitt der magnetischen Flußdichte im Luftspalt zwischen Läufer und Ständer ohne die eigentliche Flußdichte zu steigern.

Durch eine größere Anzahl Nute wird zusätzlich zu der durchschnittlichen magnetischen Flußdichte die maximal mögliche Induktionsfrequenz angehoben. Mit einem Kompromiß aus beiden Änderungen, Stegverbreiterung und Erhöhung der Nutanzahl, kann mit einer erheblich geminderten axialen Einbautiefe die Leistungsanforderung erfüllt und die mechanische Stabilität verbessert werden. Dies wiederum erlaubt die Realisierbarkeit von kleineren Luftspaltbreiten, was den Optimierungseffekt noch zusätzlich vergrößert.

Ein weiteres Anwendungsgebiet ergibt sich durch die Nutzung des erfindungsgemäßen Wicklungsprinzip bei Maschinen mit ortsfestem Ständer nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2. Zu den oben genannten Vorteilen durch die Reduzierung der Nutfläche, ergeben sich zusätzliche Verbesserungen durch die geminderten ohmschen Wärmeverluste auf Grund der geringeren Leitungslänge in den Wickelköpfen, speziell bei 2- und 4poligen Maschinen. Dies verbessert den Wirkungsgrad, da der größte Anteil der Gesamtverluste in elektrischen Maschinen durch die ohmschen Wärmeverluste in den Leitungen erzeugt werden.

Ringkernspulen, auch Grammespulen genannt, sind aus den Anfängen des Elektromaschinenbaus bekannt, mit denen erstmals die Realisierbarkeit von Mehrphasenanzapfungen, parallel und verschachtelt (Drehstrom), bewiesen wurde. Mit Grammespulen und Nuten im Ständerblechpaket wurden um 1890 erste Motoren mit ortsfestem Stator für die Erprobung von Kurzschlußläufern gebaut. Grammespulen deshalb, weil dies zu dem damaligen Zeitpunkt das bekanntere Prinzip war.

Generatoren mit zusätzlich rotierendem Ständer, bei denen Grammespulen als Leistungsspulen verwendet werden, sind nicht bekannt.

Das Wicklungsprinzip der Grammespulen für elektrische Maschinen wurde bereits um 1890 aufgegeben und durch das in dem Stand der Technik aufgeführte Prinzip ersetzt. Die Vorteile der Ringkernspulen zur erheblichen Verbesserung der Leistung pro Volumen durch die mögliche Reduzierung der Nutfläche sowie die Verbesserung des Wirkungsgrades durch kleinere Wickelköpfe wurden bis heute nicht erkannt und deshalb auch nicht genutzt.

Der Nachteil der Ringkernwicklungen besteht darin, daß zur Reduzierung von magnetischen Streufeldern der komplette äußere Mantel des Stators (11) bis auf die Isolierung (9) von Spulengruppen mit unterschiedlichem Spannungspotential mit Leitungen abgedeckt werden muß. Dadurch besteht keine Möglichkeit, den Stator an den äußeren Rändern zu befestigen. Erfindungsgemäß wird deshalb der komplette Stator mit den Stirnplatten (27) nach Fig. 3 in Gehäusen befestigt. Die Stirnplatten bestehen dabei im Prinzip aus einer Grundplatte (8) in der ähnlichen Form der Blechschnitte, um den erforderlichen Abstand der Wickelköpfe zum Blechpaket herzustellen und keilförmigen Endstücken (6), die für Befestigungszwecke in Gehäusen axial über die Wickelköpfe hinausragen. Die Endstücke (6) der Stirnplatten werden auch für die Befestigung des Stators in Positionierantriebe bei der maschinellen Wicklung benötigt.

Mit den Ringkernspulen lassen sich vorteilhaft sowohl Einphasenschaltungen realisieren bis zu einer Polanzahl, die identisch ist mit der Nutanzahl als auch Drehstromschaltungen nach Fig. 8. Die Anzahl der einzelnen Spulen pro Phase ist beliebig wählbar bis zu hochpoligen Schaltungen mit je einer Spule für U und U′ und den anderen Phasen. Das Schaltungsprinzip für Drehstrom nach Fig. 8 besteht darin; daß die Spulen U und U′, W und W′ sowie V und V′ seriell geschaltet werden, wobei die einzelnen Spulengruppen U zu U′ usw. untereinander entgegengesetzt gepolt oder gewickelt sind.

Der Erregermagnetismus kann von allen bekannten Läufertypen erzeugt werden bzw. ausgehen. Dies sind z. B. Klauenpolanker, Kurzschlußläufer mit Blindleistungserregung, Läufer mit Permanentmagnete oder gleichstromerregte Läufer. Vorteilhaft sind nach Fig. 7 als Klauenpolanker ausgebildete Läufer für die Nutzung von Maschinen nach Anspruch 1. Dieser Läufertyp zeichnet sich durch seine kompakte Bauweise und die Rotationsfestigkeit der Läuferspule aus.

Die Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnungen wiedergegeben sind; es zeigt

Fig. 1 den Blechschnitt eines Statorblechs für einen zwei poligen Drehstrom- Asynchronmotor zur Definition der in der Beschreibung verwendeten Begriffe. Es werden verwendet für Einzelheit 1 = Bohrungsdurchmesser; Einzelheit 2 = Steg; Einzelheit 3 = Nut; Einzelheit 4 = Stegbreite; Einzelheit 5 = Jochbreite.

Bei dieser Blechschnittzeichnung wurde die erfindungsgemäße Nutflächen­ reduzierung allein für eine Stegverbreiterung genutzt. Daraus ergeben sich folgende technische Daten: Nutfläche -3- = 75 mm², Stegbreite -4-= 5,1 mm, Statoraußendurchmesser= 142 mm und Bohrungsdurchmesser -1- =70 mm. Mit einer Paketlänge von 53 mm hat die Maschine eine Leistung von 1,5 kW bei 50 Hz. Einschließlich des Platzbedarfs für die Wickelköpfe ergibt dies eine axiale Länge von ca. 95 mm für den kompletten Stator.

Für eine in der Leistung vergleichbare Maschine mit IEC-Normschnitte nach DIN 42673 (Nutfläche = 107 mm²; Stegbreite = 3,9 mm; Bohrungsdurchmesser = 70 mm) werden 75 mm Paketlänge benötigt. Einschließlich der beiden Wickelköpfe von insgesamt 70 mm beträgt dabei die axiale Länge des kompletten Stators 145 mm. Die Reduzierung der axialen Länge bewirkt in erster Linie eine Massenreduzierung im Läufer, welches sich kostenmäßig z. B. bei der Minderung der erforderlichen Permanentmagnete bei Servomotoren auswirkt.

Die Eisenmasse des Stators bleibt dabei annähernd konstant durch den erforderlichen größeren äußeren Durchmesser. Der allgemeine Vorteil ergibt sich aus der Reduzierung (30%) der Anzahl Bleche für Läufer und Ständer sowie in der geringeren Leitungslänge in den Wickelköpfen.

Bei Kurzschlußläufern ist auf Grund der höheren Energiedichte im Läufer auch eine äquivalente Reduzierung der Nutfläche im Läufer vorzusehen, um durch die daraus resultierende Querschnittreduzierung der Leitungen den ohmschen Widerstand zu erhöhen. Dies bewirkt eine Vergrößerung der wirksamen Eisenmasse im Läufer, welches ein quadratischen Anstieg der mechanischen Leistung bezogen auf die Steigerung der Energiedichte im Luftspalt zur Folge hat.

Der spezifische ohmsche Widerstand kann auch durch Legierungsänderungen des Leitungsmaterials erhöht werden. Letzteres hat eine linearen Anstieg der Leistung zur Folge, weil dadurch die Eisenmasse im Läufer nicht geändert wird.

Fig. 2 zeigt einen kompletten Stator mit den Ringkernspulen (10), die schematisch aus Übersichtsgründen nur in drei Nute angedeutet sind. Bei der konstruktiven Verwirklichung sind alle Nute mit Ringkernspulen als Leistungsspulen ausgefüllt und die gesamte isolierte äußere Mantelfläche (11) mit Leitungen abgedeckt. Der Statorkern besteht aus dem lamellierten Eisenpaket (7) und den beiden Stirnplatten (27), die aus der Grundplatte (8) in der ähnlichen Form der Statorblechschnitte und den daran befindlichen keilförmigen in axialer Richtung über die Wickelköpfe hinausragenden Endstücke (6) bestehen. Die Grundplatte (8) stellt den erforderlichen Abstand zu den Blechen her während die Endstücke (6) für Befestigungszwecke in Gehäusen vorgesehen sind. Die Endstücke (6) werden auch für die Befestigung des Kerns in Positionierantriebe bei der maschinellen Wicklung der Spulen benötigt. Für die gegenseitige Isolierung der Spulen mit unterschiedlichem Spannungspotential sind die Isolierstreifen (9) vorgesehen.

Fig. 3 zeigt die Draufsicht einer Stirnplatte (27) für Bleche nach Fig. 1 mit der Schnittansicht A-B in Fig. 4. Die Stirnplatten können in Abhängigkeit von dem Drehmoment mit dem Blechpaket (7) verklebt oder mit Niete (12) verbunden werden. Zur Stabilisierung sind nach Bedarf in die Endstücke (6) und der Grundplatte (8) eingegossene Metallstücke (13) oder Drähte vorgesehen, die auch gleichzeitig die Wärmeableitung verbessern. Die Stirnplatten sind aus elektrisch isolierendem Material mit bedingter Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Bei kleineren Maschinen wird der Stator auf die angedeuteten Ringe (14), die sich an den Lagerschalen des Gehäuses befinden, aufgesteckt und durch Quetschverbindung gesichert.

Fig. 5 zeigt eine alternative Lösung für Befestigungszwecke des Stators bei Maschinen mit hohen Drehmomenten. Bei diesen Maschinen ist ein flanschähnlicher Stabilisierungsring (28) vorgesehen., der aus einer Kopfplatte (15) und einem Rohstück mit Nocken (16) besteht. Die Nocken (16) greifen dabei zahnförmig in die Klüfte zwischen den Endstücken (6) ein. Der Stabilisierungs­ ring (28) wird dabei vorzugsweise mit den Endstücken (6) in dem Bereich der Nocken (16) durch Klebeverbindung gesichert.

Fig. 6 zeigt eine alternative Lösung für die konstruktive Auslegung der Stirnplatten, bei der die Isolierung der Nuten (14), die Mantelisolierung (11) und die tangentiale Spulenisolierung (9) sowie die Grundplatte (8) mit den Endstücken (6) aus einem Guß hergestellt sind. Die Spulenisolierung (9) kann auch alternativ dadurch ersetzt werden, daß die Endstücke (6) über den Außendurchmesser des Stators hinausragen und die erforderliche Isolierung durch Folie erfolgt.

Fig. 7 zeigt einen Generator mit den kennzeichnenden Merkmalen nach Anspruch 1 mit einem Klauenpolanker (18), der mit der Abtriebswelle (23) verbunden ist. Die Erregerwicklung (20) ist dabei mit scheibenförmigen Schleifringen (19) für die Geichstromzuführung verbunden.

Der komplette Stator ist mit den Stabilisierungsringen (28) in dem Gehäuse (25) und dem Gehäusedeckel (22) stabil fixiert. Das Gehäuse ist mit der Kurbelwelle des Motors (24) verbunden. Die elektrische Leistung der Ringkernspulen (10) wird über die Schleifringe (21) abgeleitet.

Fig. 8 zeigt eine Drehstromschaltung für eine zweipolige Maschine mit den angedeuteten Läuferpolen Nord -N- und Süd -S-. Das Schaltungsprinzip für Drehstrom besteht darin; daß die Spulen U und U′, W und W′ sowie V und V′ seriell geschaltet werden, wobei die einzelnen Spulengruppen U zu U′ usw. untereinander entgegengesetzt gepolt oder gewickelt sind.

Die wesentliche Verbesserung ergibt sich erfindungsgemäß dadurch, daß sich durch die Ringkernspulen problemlos jede beliebige Anzahl Spulen pro Phase schalten lassen. In diesem Beispiel sind drei Spulen nebeneinander liegend in Reihe geschaltet. Die möglichen Variationen in der Nutanzahl ergeben sich aus der Anzahl nebeneinander angeordneter Spulen pro Phase multipliziert mit dem Faktor 6. D.h., auch 18, 30 und 42 Nute usw. pro Blech. Dies verbessert wesentlich die Variationsmöglichkeiten für die Anpassung der Maschinen an den Leistungs- und Drehmomentbedarf.

Claims (9)

1. Generator mit rotierendem Ständer und rotierendem Läufer, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerwicklungen als Ringkernspulen nach Fig. 2 ausgelegt werden und bei den Ständerblechschnitten die Nutfläche reduziert wird zu Gunsten der Stegbreite und/oder einer erhöhten Anzahl von Nuten.

2. Elektrische Maschinen mit ortsfestem Ständer und Grammespulen, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Ständerblechschnitten nach DIN und ISO oder ähnlichen Ausführungen empfohlenen Nutflächen erheblich d. h. in der Größenordnung von 20-40% verkleinert wird zu Gunsten der Stegbreite und/oder einer erhöhten Anzahl von Nuten.

3. Elektrische Maschinen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Mantel des Statorblechkerns mit Leitungen komplett abgedeckt wird bis auf die Isolationen (9) nach Fig. 2 für die Trennung von Spulen mit unterschiedlichem Spannungspotential.

4. Elektrische Maschinen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Stirnplatten (27) nach Fig. 3 verwendet werden, die aus einer Grundplatte (8) in der ähnlichen Form der Blechschnitte bestehen und keilförmige Erhebungen (6) aufweisen, welche über die Wickelköpfe in axialer Richtung hinausragen.

5. Elektrische Maschinen nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Endstücken (6) und der Grundplatte (8) Metallstücke oder Drähte in einer Form, die Wirbelströme oder Blindleistungen ausschließt, eingegossen sind.

6. Elektrische Maschinen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß flanschförmige Stabilisierungsringe (28) nach Fig. 6 vorgesehen sind, die durch die Nocken (16) zahnförmig in die Klüfte zwischen den Endstücken (6) eingreifen.

7. Elektrische Maschinen nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach Fig. 8 für Drehstrom die Spulen U und U′, W und W′ sowie V und V′ seriell geschaltet werden, wobei die einzelnen Spulengruppen U zu U′ usw. untereinander entgegengesetzt gepolt oder gewickelt sind. Für Einphasenstrom mit Hilfs- oder Anlaufwicklung gilt das gleiche Prinzip reduziert auf zwei Phasen.

8. Elektrische Maschinen nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch die Ringkernspulen auch dreiphasige Drehstromschaltungen mit den Statomutanzahlen 18, 30, 42, 54, 66, 78, 90, 102, 114, 126, 138 usw. realisieren lassen. Also auch für alle nebeneinander angeordnete Spulen einer Phase in einer Anzahl, die durch zwei ohne Rest nicht teilbar ist.

9. Elektrische Maschinen nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnplatten (27) mit den Nutisolierungen (17) nach Fig. 6, der Mantelisolierung (11) und den Isolierstücken (9) als ein zusammenhängendes Teil hergestellt sind. Dies gilt auch für alle denkbaren Kombinationen der Stirnplatte mit den Isolierungen durch den Fortfall einer oder zwei der vorgenannten Teile und für jede Anzahl Nutisolierungen.