DE69401637T2

DE69401637T2 - Verbesserten Ständer für eine zweiphasige elektrische Maschine

Info

Publication number: DE69401637T2
Application number: DE69401637T
Authority: DE
Inventors: Maurizio Avidano; Filippis Pietro De
Original assignee: Bitron SpA
Current assignee: Bitron SpA
Priority date: 1993-11-12
Filing date: 1994-11-10
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2014-11-11
Also published as: EP0653827A1; IT1261113B; ES2098850T3; ITTO930856A0; ITTO930856A1; EP0653827B1; DE69401637D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine zweiphasige elektrische Maschine. Die Anordnung des Stators wird optimiert, um die Impedanz. der Phasen zu ermitteln und um eine minimale Dicke der Wicklungszähne, thermische und elektrische Isolierung zwischen den Spulen und die maximale Fläche an Kupfer, die zu Kühlzwecken freigelegt wird, zu erzielen.
Diese Anordnung des Stators ist besonders vorteilhaft für zweiphasige elektrische Maschinen, die einen flachen Aufbau besitzen, d.h. einen Aufbau, der für jede Spule eine Länge an Draht auf den Zähnen vorsieht, die größer als oder gleich lang ist wie der Draht in dem Schlitz.
Gegenwärtig sind zwei Anordnungen für zweiphasige Statoren verbreitet.
Die erste der zwei Anordnungen ist in Figuren 1 und 1a gezeigt, wo die Spulen mit L1 = L2 bezeichnet werden und ein Schluß des Magnetflusses gezeigt ist, der für die beiden Phasen (Φd1 = Φd2) sehr ähnlich ist. Diese Anordnung bewirkt, daß die Spulen auf den Statorzähnen teilweise übereinanderliegen und daß die Länge der durchschnittlichen Windung der äußeren Spulen zunimmt (L4 > L3). Dies erhöht sowohl die Kosten als auch den elektrischen Widerstand. Diese Art von Anordnung führt auch zu einem größeren axialen Raumbedarf, zu einer Reduzierung von Spulenoberflächen, die zu Kühlzwecken freiliegen, und zu physischem Kontakt zwischen Spulen verschiedener Phasen, so daß der Kupferdraht-Isolierlack die elektrische Isolierung übernehmen muß.
Die zweite gegenwartig verwendete Anordnung, die in den Figuren 2, 2A und 2B gezeigt ist, neigt dazu, die Spulenoberfläche, die der Luft ausgesetzt bleibt, zu vergrößern. In dieser Anordnung sind die Spulen getrennt, indem sie abwechselnd auf dem inneren und dem äußeren Teil der Statorzähne aufgewickelt sind, um einen konstanten axialen Raumbedarf für jede Spule zu schaffen (L3 = L4).
Abgesehen davon, daß sie alle Mißstände der ersten Art von Aufbau löst, schafft diese Art von Aufbau jedoch aus ersichtlichen geometrischen Gründen einen erheblichen Unterschied zwischen der Länge der inneren und der äußeren Spulen (L2 > L1). Zusätzlich hat der zerstreute Magnetfluß einen unterschiedlichen Schluß (Φd2 < Φd1).
Die Kombination dieser beiden Faktoren führt zu einem Mangel an Gleichgewicht zwischen der Zeitkonstante (L/R) der inneren Spulen bezüglich der äußeren Spulen. Die inneren Spulen weisen ein höheres L (größerer zerstreuter Fluß) und ein niedrigeres R (kürzere durchschnittliche Windung) auf; als Folge davon wird der Wirkungsgrad der Maschine verschlechtert.
Darüberhinaus erfordert die physische Trennung der äußeren Spulen besondere Vorrichtungen in der Wickelmaschine. Tatsächlich neigt der gespannte Draht aufgrund der Konusform der Wände der Schlitze, wenn die äußeren Spulen gewickelt werden, dazu, nach innen zu gleiten und sich auf den inneren Spulen abzulegen, wodurch möglicherweise Isolierprobleme verursacht werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Probleme zu lösen.
Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stator für zweiphasige elektrische Maschinen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Weitere Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten, aber nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen deutlich, in denen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Stator zeigt, der teilweise mit einer ersten Art von Wicklungen gemäß dem Stand der Technik, wie weiter oben ausgeführt, versehen ist;
Fig. 1A ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von Fig. 1;
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf einen Stator, der teilweise mit einer zweiten Art von Wicklungen gemäß dem Stand der Technik, wie weiter oben ausgeführt, versehen ist;
Figuren 2A und 2B sind Querschnittsansichten jeweils entlang der Linien A-A und B-B von Fig. 2;
Fig. 3 ist eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Stators, wobei ein Teil der Wicklungen gezeigt ist;
Figuren 3A und 3B sind Querschnittsansichten jeweils entlang der Linien A-A und B-B von Fig. 3;
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Stator, die den Fluß des Magnetfeldes zeigt;
Fig. 4A ist eine schematische geradegerichtete Seitenansicht des äußeren Profils des Stators von Fig. 4 von Punkt A zu Punkt B.
In den Zeichnungen bezeichnet Bezugsziffer 1 einen Stator, insbesondere für eine flache zweiphasige Maschine. Der Stator besteht aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten Statorkernschichten, vorzugsweise aus ferromagnetischem Material.
Die Schichten sind durch eine verschiedenartig geformte Platte 2 gebildet, die eine zentrale Bohrung 3 hat, deren Weite nicht festgelegt ist. In regelmäßigem Abstand voneinander angeordnete Zähne 4 sind in dem Umfang der Platte aufgenommen. Erfindungsgemäß (Fig. 3, 3A und 3B) hat jeder Zahn 4 Seiten mit zwei verschiedenen Umrissen 5, 6, während bei den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen gemäß dem Stand der Technik die Umrisse gleich sind.
Die Zähne 4 sind im wesentlichen T-förmig und umfassen zwei gegenüberliegende periphere, in Umfangsrichtung orientierte Zungen 7, 8. Gemäß aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen (Figuren 1 und 2), sind herkömmliche Zungen gleichförmig; erfindungsgemäß (Figuren 3, 3A und 3B) haben die Zungen verschiedene Umrisse, um den Schluß von zerstreutem Magnetfluß (Φd1 = Φd2) auszugleichen.
Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die Zähne 4 und die Zungen 7, 8 so angeordnet, daß gleiche Umrisse sich abwechselnd gegenüberliegen und erste und zweite unterschiedlich geformte Schlitze 9 und 10 bilden, die abwechselnd um den Umfang der Platte 2 angeordnet sind.
Die Zungen 7, 8 sind von denjenigen des angrenzenden Zahnes durch einen Durchlaß 11 getrennt, der Zugang zu dem entsprechenden Schlitz bietet. Umrisse 5, 6, die die Seitenwände der Zähne 4 definieren, sind so geformt, daß der Abstand L1 zwischen dem radial innersten Abschnitt 13 der ersten zwei gleichen, gegenüberliegenden Umrisse 5 eines Paares von aufeinanderfolgenden Zähnen entlang des Umfangs der Platte im wesentlichen dem Abstand L2 entspricht zwischen dem mittleren Abschnitt 14 der zweiten zwei gleichen, gegenüberliegenden Umrisse 6 des Paares von Zähnen, die durch den zweiten Zahn des vorangegangenen Paares von Zähnen und den entlang des Umfangs folgenden Zahn gebildet werden.
Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die Umrisse 5 und 6 des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß die geraden Linien, die an den radial innersten Abschnitten 13 der ersten zwei gleichen, gegenüberliegenden Umrisse 5 vorbeilaufen, die durch einen ersten Schlitz 9 getrennt sind, einen zentripetalen Winkel a3 definieren, der dem zentrifugalen Winkel a1 entspricht, der durch die geraden Linien definiert ist, die an den mittleren Abschnitten 14 von zwei zweiten gleichen, gegenüberliegenden Umrissen 6, die durch einen Schlitz 10 getrennt sind, vorbeilaufen.
Erfindungsgemäß werden die Spulen 15, 16, damit sie in ihrer korrekten Anordnung gehalten werden, jeweils auf die Paare von radial innersten Abschnitten 13 gewickelt, zwischen denen jeder Schlitz 9 angeordnet ist, d.h. auf jeden zentripetalen Konus a3, und auch auf die Paare von mittleren Abschnitten 14, zwischen denen jeder Schlitz 10 angeordnet ist, d.h. auf jeden zentrifugalen Konus a1.
Diese Anordnung ermöglicht, daß die Spule 16 von der darunterliegenden Spule 15 während Herstellung und Gebrauch getrennt bleibt. Außerdem bietet sie die gleiche Länge für innere und äußere Spulen (L1 = L2).
Wie bekannt ist der Schichtenstapel von Abschlußbrettern aus isolierendem Material bedeckt, deren Umriß 20 dem Umriß der Schichten folgt und strichliert in der Zeichnung dargestellt ist. In der gezeigten Ausführungsform sind in dem isolierenden Material Abstandsstücke 21 vorgesehen, die den einander benachbarten Enden der Abschnitte 13 und 14 entsprechen. Die Abstandsstücke 21 sind vorteilhaft nutzbar, um die Spulen 13, 14 voneinander getrennt zu halten.
Aufgrund der Tatsache, daß die Längen L1 und L2 gleich sind (auch die Dicken L3 und L4 sind gleich), ist die durchschnittliche Länge der inneren und mittleren radialen Spulen gleich, wenn die Spulen die äußere Fläche der Abschlußbretter berühren, weil sie sich nicht, wie bei Anordnungen gemäß dem Stand der Technik, überlappen.
Um die Spulenverteilung zu optimieren, sollten die gleichen Winkel a1 und a3 auch dem Winkel a2 gleichen, der durch die Achsen von zwei angrenzenden Schlitzen 9, 10 definiert ist, wie in Fig. 3 gezeigt.
Wie Statoren gemäß dem Stand der Technik ist der beschriebene Stator durch dünne Schichten gebildet, die durch eine isolierende Schicht oder eine Oberflächenbehandlung voneinander isoliert sind, um so viel wie möglich Energieverlust aufgrund von Störstrom in dem Schichtenstapel zu reduzieren.
Auf der anderen Seite müssen die Schichten aus Gründen der mechanischen Stabilität gegeneinander gesichert werden, normalerweise durch Nieten oder Verzapfen, was elektrische Brücken zwischen den Schichten herstellt. Dies steht der Isolierung entgegen und bewirkt, daß die Störströme stark ansteigen.
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Befestigung der Schichten angewandt, welches die Verwendung einer reduzierten Anzahl von Nieten oder Verzapfungen ermöglicht, ohne daß der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine durchweg beeinträchtigt wird. Dieses Verfahren ist umso vorteilhafter, je höher die Zahl der Pole der Maschine ist. Wie in dem Beispiel von Fig. 4 gezeigt, sind Nieten 22 in einem solchen Winkel zueinander auf den Statorzähnen 4 angeordnet, daß der durch die idealen Windungen verbundene magnetische Fluß Φ, der durch die Paare von Nieten 22 und die in Fig. 4A gezeigten Schichten hindurchläuft, für jede Winkelposition des Rotors Null beträgt.
Wie bekannt, ist auf diese Weise die mit diesen Windungen verbundene elektromotorische Kraft gleich Null, so daß keine Störströme erzeugt werden. In dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel für eine sechspolige Maschine sind Verzapfungen in einem Winkel von 120º auf den Zähnen angeordnet. Dieser Winkelabstand entspricht dem Abstand zwischen zwei magnetischen Sektoren, die dieselbe Polarität haben und die den Magnetfluß erzeugen. Der Gesamtfluß, der durch die Windung hindurchläuft, ist gleich Null, aufgrund des durch die Spulen und das Magnetisierungsfeld erzeugten Magnetfeldes, wie in Fig. 4 gezeigt.
Im allgemeinen sollte der Winkelabstand zwischen den Nieten 22 360º geteilt durch die Anzahl von Polpaaren oder einer Vielzahl dieser Zahl betragen.
Naturgemäß ist dieses Verfahren bei jedem bekannten mechanischen Verschlußsystem von Vorteil, das elektrischen Kontakt zwischen den Schichten von Zähnen 4 erzeugt.

Claims

1. Stator für eine zweiphasige elektrische Maschine, der aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten Schichten aus ferromagnetischen Platten besteht und stimseitig durch zwei Abschlußbretter (20) aus isolierendem Material verschlossen ist; eine Vielzahl von strahlenförmig ausgebreiteten Zähnen (4) ist in dem Stapel von Schichten und Abschlußbrettern vorgesehen, wobei die Zähne gegenüberliegende periphere Endzungen (7, 8) aufweisen, die geteilt (11) sind, so daß sie eine Vielzahl von Schlitzen (9, 10) bilden, die gleichmäßig radial zwischen den Seitenwänden (5, 6) der Vielzahl von angrenzenden Zähnen (4) angeordnet sind; die Schlitze (9, 10) werden von dem Draht gekreuzt, der auf die Seitenwände (5, 6) jedes Paares von angrenzenden Zähnen zur Bildung von Spulen (15, 16) gewickelt ist, die abwechselnd in zwei Reihen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,

daß jeder Zahn (4) Abschnitte (13, 14) der gegenüberliegenden Seitenwände (5, 6) aufweist, auf denen die Spulen (15, 16) gewickelt sind, wobei die Abschnitte (13, 14) radial geteilt sind und in einem solchen Winkel angeordnet sind, daß die geraden Linien, die an jedem radial äußeren Paar von Abschnitten (14) vorbeilaufen, auf denen die Spulen (16) auf einer ersten Reihe gewickelt werden, einen zentripetalen Winkel (a1) definieren, der einem zentrifugalen Winkel (a3) entspricht, der durch die geraden Linien definiert ist, die an jedem Paar von radial inneren Abschnitten (13) vorbeilaufen, auf denen die Spulen (15) der anderen Reihe gewickelt werden, wodurch Spulen (15, 16) definiert sind, die auf zwei in Umfangsrichtung angeordneten getrennten Reihen angeordnet sind.

2. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (L2) zwischen den radial äußeren Abschnitten (14), auf denen jede Spule (16) der ersten Reihe gewickelt wird, dem Abstand (L1) zwischen den radial inneren Abschnitten (13) entspricht, auf denen jede Spule (15) der zweiten Reihe gewickelt wird, so daß die Spulen (15, 16) der beiden Reihen dieselbe Länge aufweisen.

3. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Zähnen der Abschlußbretter (20) Abstandsstücke (21) vorgesehen sind, die durch die Zähne hindurch angeordnet sind, so daß sie die Abschnitte (131 14) und die darauf gewickelten Spulen (15, 16) teilen.

4. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der gegenüberliegenden Zungen (7, 8) der Zähne (4) verschiedene Umrisse haben und dadurch den Schluß von zerstreutem Magnetfluß (Φ d1, Φ d2) ausgleichen.

5. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Schichten durch Nieten (22) oder Verzapfen oder ein anderes bekanntes mechanisches System verschlossen ist, das elektrischen Kontakt zwischen den Schichten auf den Zähnen (4) verursacht; dabei sind Nieten in einem Winkel angeordnet, der 360º geteilt durch die Anzahl von Polpaaren der Maschine beträgt, oder in einem Winkel, der dem Winkel entspricht, der zwischen zwei magnetischen Sektoren, die das magnetische Feld erzeugen und dieselbe Polarität haben, besteht, um Energieverlust aufgrund von Störstrom, der innerhalb des Schichtstapels erzeugt wird, zu verringern.