DE4404585C2 - Stator mit Ringkernspulen für elektrische Maschinen - Google Patents

Description

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

Ein Generator mit gleichsinnig rotierendem Stator und Läufer ist aus der DE 40 24 269 C2 bekannt.

Für den Einsatz in Fahrzeugantriebssystemen müssen Generatoren mit zusätzlich rotierendem Stator 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 Statorspulen. 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 Statorspulen 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.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Wicklungsprinzips besteht darin, daß durch die Nutzung der äußeren Mantelfläche des Stators als zusätzliche Induktionsfläche die Nutfläche (3) im Vergleich zu IEC-Normschnitten nach DIN 42 673 empfohlenen Maßen erheblich gemindert werden kann.

Durch den geringeren Bedarf an Nutfläche können die Stege (4) verbreitert oder eine höhere Anzahl Stege auf der gemeinsamen Fläche vorgesehen werden.

Der erhöhte Anteil der Stegbreite oder die erhöhte Anzahl Stege vergrößert den Durchschnitt der magnetischen Flußdichte im Luftspalt zwischen Läufer und Stator 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, das den Optimierungseffekt noch zusätzlich vergrößert.

Eine elektrische Maschine mit ortsfestem Stator und Grammespulen ist aus der US 4 563 606 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bessere Ausnutzung des aktiven Materials der Maschine zu erreichen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem Generator mit gleichsinnig rotierendem Ständer und Läufer durch die Merkmale des Anspruchs 1, bei einer Maschine mit ortsfestem Stator und Grammespulen durch die Merkmale 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 4-poligen 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 Statorblechpaket 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 Stator nach DE 40 24 269 C2, bei denen Grammespulen als Leistungsspulen verwendet werden, sind nicht bekannt.

Das Wicklungsprinzip von Grammespulen für elektrische Maschinen mit ortsfestem Stator ist Gegenstand der US-PS 4 563 606. Hiermit wird vorgeschlagen, daß Problem der Befestigung in Gehäusen durch Kunststoffplatten zu lösen, die in radialer Richtung über die Leitungen an der äußeren Mantelfläche hinausragen und das Statorpaket gegen das Gehäuse abstützen.

Im Gegensatz hierzu wird beim Anmeldungsgegenstand der komplette Stator mit den Stirnplatten (27) nach Fig. 3 in Gehäusen fixiert. Die Stirnplatten bestehen im Prinzip aus einer Grundplatte (8) in der ähnlicher Form der Blechschnitte, um den erforderlichen Abstand der Wickelköpfe zum Blechpaket herzustellen und keilförmigen Erhebungen (6), die für Befestigungszwecke in Gehäusen axial über die Wickelköpfe hinausragen. Die keilförmigen Erhebungen (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 Figur -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 zweipoligen 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.

Für eine in der Leistung vergleichbare Maschine mit IEC-Normschnitte nach DIN 42 673 ergibt sich daraus eine Reduzierung der axialen Länge 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 annähernd konstant durch die erforderlichen größere Jochbreite. Der allgemeine Vorteil ergibt sich aus der Reduzierung der Anzahl Bleche für Läufer und Stator sowie in der geringeren Leitungslänge in den Wickelköpfen.

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 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 keilförmigen Erhebungen (6) für Befestigungszwecke in Gehäusen vorgesehen sind. Die Erhebungen (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 Rohrstück mit Nocken (16) besteht. Die Nocken (16) greifen dabei zahnförmig in die Klüfte zwischen den Endstücken (6) ein. Der Stabilisierungsring (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 Gleichstromzuführung 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 drei Spulen nebeneinander liegend in Reihe geschaltet.

Claims (6)

1. Generator mit gleichsinnig rotierendem Stator und Läufer dadurch gekennzeichnet, daß die Statorwicklungen als Grammespulen ausgelegt werden, deren Leitungen durch die Nuten und über die äußere Mantelfläche verlaufen und daß bei den Statorblechschnitten die Nutfläche im Vergleich zu den IEC-Normschnitten nach DIN 42 673 reduziert wird zu Gunsten der Stegbreite oder einer erhöhten Anzahl von Nuten.

2. Elektrische Maschine mit ortsfestem Stator und Grammespulen dadurch gekennzeichnet, daß bei den Statorblechschnitten die empfohlenen Nutflächen im Vergleich zu den IEC- Normschnitten nach DIN 42 673 verkleinert werden zu Gunsten der Stegbreite oder einer erhöhten Anzahl von Nuten.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß Stirnplatten (27) 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 (Fig. 3).

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß in den keilförmigen Erhebungen (6) und der Grundplatte (8) Metallstücke oder Drähte in einer Form, die Wirbelströme oder Blindleistungen ausschließt, eingegossen sind.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, daß flanschförmige Stabilisierungsringe (28) vorgesehen sind, die durch Nocken (16) zahnförmig in die Klüfte zwischen den keilförmigen Erhebungen (6) eingreifen (Fig. 5).

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnplatten (27) mit den Nutisolierungen (17), der Mantelisolierung (11) und/oder darauf befestigten Isolierstücken (9) als ein zusammenhängendes Teil hergestellt sind.