DE4411751C2 - Mehrphasige elektrische Maschine mit einer Ringwicklung und Verfahren zur Befestigung einer solchen Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrphasige elektrische Maschine mit einer Ringwicklung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Befestigung des bewickelten Körpers am Gehäuse (DE 40 23 791 A1).

Aus den Patentschriften US 4 731 554, DE 36 29 423 A1 und DE 36 32 014 A1 sind mehr­ phasige elektrische Maschinen bekannt, in denen ein ungenuteter Ankerring durch toroidartige Spulen bewickelt und von drei Seiten vom Rotor umschlossen wird.

In der DE 40 23 791 A1 wird eine mehrphasige elektrische Maschine beschrieben, bei der eine Ringwicklung in den an seiner inneren und äußeren Oberfläche genuteten Ständer einer Radialluftspaltmaschine eingelegt ist. In die tropfenförmigen Nuten sind Ringspulen aus Runddraht eingelegt, deren Enden zum Teil auf eine Schaltplatine herausgeführt sind. Die Verbindung der Ringspule erfolgt nur auf der Gehäuseseite und im Wickelkopfraum müssen die Leiter Tragebolzen ausweichen, an denen der Ständer befestigt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mehrphasige elektrische Maschine, deren Stator oder Rotor auf zwei gegenüberliegenden Seiten Nuten aufweist, in denen eine Ringwicklung eingelegt ist, derart weiter zu bilden, daß eine hohe Leistungs- und Kraftdichten bei geringen ohmschen Verlusten erreicht, sowie eine materialsparende, gut automatisierbare und damit kostengünstige Herstellung ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 oder 3 bzw. 15 gelöst.

Erfindungsgemäß werden in die Nuten eines auf zwei gegenüberliegenden Seiten genuteten Stators oder Rotors Leiter mit rechteckförmigem Querschnitt eingelegt, wobei ein hoher Nutfüllfaktor und kompakte Wickelköpfe erreicht werden. Die Leiterbreite entspricht hierbei der Nutbreite, wobei zur Verbesserung des Carter′schen Faktors entweder teilweise weich­ magnetische Nutkeile bzw. Polschuhsegmente in einer Schwalbenschwanzverbindung in Rich­ tung der Nuten zwischen bzw. auf die Zahnenden geschoben werden.

Die Rückschlüsse, die in den vorzugsweise hochpoligen Maschinen relativ dünn sind, gewähr­ leisten zusammen mit einem hochfesten Trägerkörper die mechanische Stabilität der Maschine und ermöglichen die Übertragung hoher Drehmomente.

Bei hochpoligen Maschinen, deren mittlere Polteilung nur ca. 20 . . . 40% der Nutlänge beträgt und deren Leiterzahl pro Nut <7 ist, erfolgt die Überbrückung der Schrittweite überwiegend in den Nuten und nur zu einem geringen Teil in den Wickelköpfen, indem die Nuten in den beiden Oberflächen des Ständers oder Läufers in entgegengesetzte Richtung geschrägt sind.

Die überschneidungsfreie, insgesamt verkürzte Leiterlänge weist besonderes bei hochpoligen Maschinen einen günstigen Biegungsverlauf auf, wodurch Profilleiter mit großen rechteck­ förmigen Querschnitten einsetzbar sind.

Der Abstand in Drehrichtung zwischen zwei Nuten einer Oberfläche, die nacheinander den gleichen Leiter führen, beträgt zwei Polteilungen. Durch die entgegengesetzte Schrägung der Nuten (um jeweils fast eine Polteilung) in den beiden Oberflächen wird sowohl die Wegstrecke der Leiter in den Wickelköpfen als auch die gesamte Leiterlänge stark verringert, während die Verminderung des Drehmoments bei Schrägungswinkeln von <300 relativ gering ist.

Für niederpolige Maschinen oder wenn große Leiterzahlen pro Nut für die gewünschte Klemmenspannung erforderlich sind, wird die Wicklung sektorweise aus Flachband hergestellt, wobei auf eine gegensinnige Schrägung verzichtet wird. Hin- und Rückführung des Leiter­ bandes erfolgt in zwei Nuten, die in einer Nutteilung axial oder radial hintereinander liegen.

Bei der Herstellung wird das Flachband zunächst - z. B. durch Löten oder Schweißen - mit dem Ende eines inneren Verbindungsleiters verbunden. Anschließend wird das Band in die beiden Nuten gewickelt, wobei keine Verformung in tangentiale Richtung auftritt. Nachdem alle Nuten derart mit Leitermaterial gefüllt sind, erfolgt abschließend die Verbindung der äußeren Bandenden an der Außenseite des anschließend ins Gehäuse ragenden Wickelkopfes.

Die Ringwicklung durchläuft abwechselnd zwei magnetische Kreise, die sowohl im Stator als auch im Rotor eine mechanisch starre Verbindung aufweisen und für die entweder ein breiter weichmagnetischer Rückschluß oder zwei durch eine Isolierschicht getrennte Rückschlüsse erforderlich sind.

Die Zeichnungen stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer bürstenlosen, permanentmagneterregten Axialluftspaltma­ schine mit einer Ringwicklung in entgegengesetzt geschrägten Nuten;

Fig. 2 zeigt den Leiterverlauf eines Leiterstranges einer vierzigpoligen, dreiphasigen Axialluftspaltmaschine;

Fig. 3 zeigt die Schnitte durch die Stator- und Rotorhälften der Maschine aus Fig. 2;

Fig. 4 zeigt Polschuhsegmente und Nutkeile im Querschnitt;

Fig. 5 zeigt die beiden genuteten Blechpakete einer Radialluftspaltmaschine.

Fig. 6 zeigt schematisch zwei Leiterverläufe für dreiphasige Flachbandwicklungen;

Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch eine dreiphasige Radialluftspaltmaschine.

Die in Fig. 1 dargestellte Axialluftspaltmaschine weist einen Trägerkörper 1 zwischen zwei baugleichen weichmagnetischen Körpern 2a, b auf, in deren geschrägten Nuten eine Ringwick­ lung 3 eingelegt ist. Der Trägerkörper 1 besteht aus einem wärmeleitenden Isolierwerkstoff hoher mechanischer Festigkeit und liegt an jeweils drei Seiten der weichmagnetischen Körper 2a, b an, wobei er in den beiden Wickelköpfen 4a, b nach außen gerichtete Rippen 5a, b auf­ weist. Die Rippen 5a, b bilden für die Profilleiter 6 Führungsnuten und erleichtern so die Automatisierung des Wickelverfahrens. Zusätzlich gewährleisten sie die elektrische Isolierung zwischen Leitern unterschiedlicher Phase. Weiterhin sind die zum Gehäuse 7 hinweisenden Rippen 5a etwas breiter und höher ausgeführt und tragen zur Kraftübertragung zwischen Ständer und Gehäuse maßgeblich bei. Zur Befestigung wird der gesamte gehäuseseitige Wickel­ kopf 4a mit den herausragenden Rippen 5a in entsprechende Aussparungen des Gehäuses 7 gesteckt. Der Trägerkörper 1 weist Kühlkanäle 8 auf und besteht aus zwei baugleichen Hälften, die z. B. in einer Spritzgußform herstellbar sind. Um den Eisenquerschnitt im Ständer trotz konstanter Nutbreite optimal auszunutzen, nimmt die axiale Höhe der Magnete 9 und der Rückschlüsse 10 mit zunehmendem Radius zu. Der hierdurch V-förmige, permanentmagneterregte Innenläufer 11 besteht aus zwei baugleichen Hälften, die durch Schrauben 12 verbunden sind. Beide Hälften weisen in Lagern 13 steckende Wellenenden 14 auf.

Fig. 2 zeigt den Leiterverlauf eines Leiterstranges einer vierzigpoligen, dreiphasigen Axialluft­ spaltmaschine. Von der Zuleitung 15 ausgehend durchläuft der Profilleiter zunächst mäander­ förmig den Umfang der Maschine gegen den Uhrzeigersinn, wobei die radial von außen nach innen verlaufenden Teilstrecken in Nuten 16 der vorderen Statorhälften und die Rückführungen hierzu in Nuten 17 der hinteren Statorhälfte liegen. Nach jedem vollständigen Umlauf wechselt der Leiterstrang in eine Leiterlage mit größerem Abstand zum Luftspalt, um dann am Ende der innersten Lage an der Stirnfläche des Stators in einer in Bewegungsrichtung verlaufenden Verbindungsnut 18 zu einer um eine Polteilung versetzten Nut 19 der hinteren Statorhälfte geführt zu werden. In Nuten 19, 20, die mittig zwischen den bisher genutzten Nuten 16, 17 liegen, verläuft der Leiterstrang nun jedoch mit umgekehrtem Drehsinn und wechselt in Lagen, die immer näher am Luftspalt liegen, bis zur Ableitung 21. Bei der Herstellung werden die mittleren Teilstrecken der abgelängten Profilleiter zunächst in den Verbindungsnuten befestigt und die beiden Enden anschließend nach außen gewickelt.

Alternativ zu Verbindungsnuten 18 werden bei höheren Leistungen und in der Höhe begrenz­ ter Ansteuerspannung die Phasenstränge innen mit einem Sternpunktring verbunden, so daß wieder nur die sechs äußeren Profilleiterenden aus der nun jedoch sechsphasigen Wicklung herauszuführen sind.

In einer Axialluftspaltmaschine sind die beiden Rotorhälften 22a, b und Statorhälften 23a, b baugleich, weshalb die in Fig. 3 dargestellten Schnitte - da sie von einer Seite aus betrachtet werden - spiegelsymmetrisch sind. Die Magnetsegmente 24 sind zwischen einer stabilen Kunststoffscheibe 25 eingebettet, wodurch eine einfache und genaue Positionierung sowie ein sicherer Halt gewährleistet wird. Zur Verminderung der Polfühligkeit kann die Schrägung der Pole auf der Rotorseite etwas geringer ausgeführt werden. Die Nuten 26 der beiden Statorhälf­ ten 23a, b werden vorzugsweise in ein Ringband 27 eingeschnitten bzw. gefräst, wobei Materialverschmierungen an den Nutoberflächen anschließend durch Ätzen oder Erodieren abgetragen werden.

Zum Einlegen der rechteckförmigen Profilleiter 6 muß die Nutöffnungsbreite der Nutbreite entsprechen. Nach dem Einlegen der Leiterstränge werden daher - wie in Fig. 4 dargestellt - auf bzw. zwischen die Zahnenden 28 Polschuhsegmente 29 bzw. Nutkeile 30 geschoben. Die Nutkeile bestehen aus jeweils zwei baugleichen weichmagnetischen Stäben 31, die z. B. durch Wasserstrahlschneiden aus einem Vielschichtband oder aus Ferritplatten herausgearbeitet und anschließend in einer Form mit einem unmagnetischen Bindemittel 32 vergossen werden. Die Nutkeile 30 können auch in unbearbeitete Nutöffnungen eingeklebt werden.

In Fig. 5 ist ein ungewickelter Stator 33 einer zwölfpoligen, dreiphasigen Radialluftspalt­ maschine räumlich dargestellt. Er besteht aus zwei geblechten weichmagnetischen Körpern 34, 35, die jeweils aus mit Backlack beschichteten, baugleichen Stanzteilen zusammengesetzt sind. Nachdem die Blechpakete in unterschiedliche Richtungen schräg ausgerichtet und verklebt wurden, werden sie axial ineinandergeschoben. Vor dem Einlegen der Profilleiter werden nun zwei genutete Isolierkörper (nicht dargestellt) an den Stirnflächen 36 angebracht, die einen spielfreien Aufbau gewährleisten.

Alternativ zum Einlegen von Profilleitern 6 in entgegengesetzt geschrägte Nuten 16, 17 wird eine gute Raumausnutzung bei niederpoligen Maschinen durch in Reihe geschaltete Flachband- Ringspulen 37 erreicht, für die in Fig. 6 zwei Verschaltungsvarianten für dreiphasige Maschi­ nen dargestellt sind. Weisen beide Nuten einer Nutteilung - wie in Fig. 6a - die gleiche Leiteranzahl auf, dann verlaufen die inneren 38 und äußeren Verbindungen 39 auf der gleichen Wicklungsseite, wobei der Raum ungleichmäßig ausgenutzt wird und innerhalb wie außerhalb des gehäuseseitigen Wickelkopfes maximal drei Verbindungsbahnen gleichzeitig auftreten. Dagegen verteilen sich in Fig. 6b die Verbindungen 40, 41 gleichmäßig auf den Umfang der Maschine und es treten maximal nur zwei Verbindungsleiter nebeneinander auf. Die Leiter­ anzahl der inneren Nuten ist hierfür um eins niedriger und die inneren Verbindungen 41 liegen innerhalb des rotorseitigen Wickelkopfes.

Neben der Möglichkeit, das Flachband im mittleren Teilstück zweimal zu falzen, sollte die tangentiale Verbindung vorzugsweise durch in den Isolierkörper integrierte Leiterstücke erfolgen, an die das Flachband mit einem Ende angeschweißt wird. Derartige innere Ver­ bindungsleiter 42 sind in Fig. 7 dargestellt, wobei ein Schnitt durch den rotorseitigen Wickel­ kopf einer 24-poligen, dreiphasigen Radialluftspaltmaschine nahe der Stirnfläche des weich­ magnetischen Körpers gewählt wurde. Hierdurch wird der Leiterverlauf der drei Leiterstränge 43 bis 45 erkennbar. In den äußeren Nuten 46 sind sechs und in den inneren Nuten 47 nur fünf rechteckförmige Leiter radial übereinander angeordnet, womit es sich um die Verschaltungs­ variante aus Fig. 6b handelt. Weiterhin sind in den Nutöffnungen Nutkeile 48 zur Verbes­ serung der magnetischen Flußführung eingeklebt.

Während der Aufwand für die Realisierung der Verbindungen bei der Reihenschaltung von Flachband-Ringspulen 37 mit der Polzahl steigt, wird eine Schrägung der Nuten 16, 17 erst bei hohen Polpaarzahlen sinnvoll. Beide Lösungen der erfindungsgemäßen Aufgabe ergänzen sich und ermöglichen für unterschiedliche Anwendungen eine kostengünstige Herstellung hoch­ effizienter Antriebe mit hoher Leistungsdichte.

Claims (15)

1. Mehrphasige elektrische Maschine, deren Stator (33) oder Rotor an zwei gegenüber­ liegenden Oberflächen Nuten aufweist, in die eine Ringwicklung (3) eingelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (16, 17) in den beiden Seiten in entgegengesetzte Richtung geschrägt sind und die Ringwicklung (3) aus in etwa rechteckförmigen Profilleitern (6) besteht, deren Breite der Nutbreite entspricht.

2. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Großteil der Schrittweite auf die Nuten (16, 17 und 19, 20) und nur ein geringer Anteil im Wickelkopf (4a, b) entfällt.

3. Mehrphasige elektrische Maschine, deren Stator (33) oder Rotor an zwei gegenüber­ liegenden Seiten Nuten aufweist, in die eine Ringwicklung (3) eingelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstränge (43 bis 45) aus in Reihe geschalteten Flachband-Ringspulen (37) bestehen, die jeweils zwei Nuten (44, 45) einer Nutteilung ausfüllen, wobei die Bandbreite der Nutbreite entspricht.

4. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterzahl pro Nut sich in den beiden Nuten (44, 45) einer Flachband-Ringspule (37) um eine ungerade Zahl unterscheidet, wobei innerhalb des vom Luftspalt dreiseitig umgebenen Wickelkopfes (4b) innere Ver­ bindungen (41) angeordnet sind.

5. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer dreiphasigen Maschine die inneren Verbindungen (42) nur in zwei ringförmigen Lagen angeordnet sind.

6. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein genuteter Isolierkörper (1) in den Wickelköpfen (4a, b) angeordnet ist, dessen Rippen (5a, b) die Leiterstränge unterschiedli­ cher Phasen voneinander trennen.

7. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (5a) in einem Wickelkopf größer ausgeführt sind und in das Stator- oder Rotorgehäuse (7) hineinragen.

8. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringwicklung (3) in zwei durch einen Trägerkörper (1) getrennte weichmagnetische Körper (2a, b) eingelegt ist.

9. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (1) Hohlräume (8) aufweist, in denen ein Kühlmittel fließt.

10. Mehrphasige elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Axialluftspaltmaschine die beiden weichmagnetischen Körper (2a, b) baugleich sind.

11. Mehrphasige elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Axialluftspaltmaschine die axiale Höhe der Magnete (9) und Rückschlüsse (10) mit dem Radius zunimmt.

12. Mehrphasige elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Radialluftspaltmaschine die magnetische Flußdichte des Erregerfeldes im äußeren Luftspalt höher als im inneren Luftspalt ist.

13. Mehrphasige elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Zahnenden (28) Polschuhsegmente (29) befestigt sind.

14. Mehrphasige elektrische Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zahnenden (28) Nutkeile (30) angeordnet sind, die aus zwei durch ein unmagnetisches Bindemittel (32) getrennten, weichmagnetischen Stäben (31) bestehen.

15. Verfahren zur Befestigung einer mehrphasigen elektrischen Maschine, deren Stator (33) oder Rotor an zwei gegenüberliegenden Seiten Nuten aufweist, in die eine Ringwicklung (3) eingelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Befestigungsseite der weichmagneti­ schen Körper vor dem Einlegen der Leiter ein vorgefertigter Trägerkörper aus stabilem Isoliermaterial angefügt wird, der Rippen aufweist, die zur Führung der Leiter dienen und über die Wickelköpfe hinausragen, wobei nach der Fertigstellung der Wicklung die Rippenenden in Aussparungen des auf der Anschlußseite angrenzenden Gehäuse- oder Rotorteils eingesteckt werden.