DE69826419T2

DE69826419T2 - Wicklungsanordnung für einen auf einer geschalteten Reluktanzmaschine basierten innenliegenen Anlasser-Generator

Info

Publication number: DE69826419T2
Application number: DE69826419T
Authority: DE
Inventors: Eike Cincinnati Richter
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-12-01
Filing date: 1998-10-01
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2018-10-02
Also published as: JPH11178256A; EP0920107B1; JP3566559B2; EP0920107A3; DE69826419D1; EP0920107A2; US6255756B1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Spulenwicklungsanordnungen und insbesondere auf eine Wicklungsanordnung für einen internen Starter-Generator, der auf einer geschalteten Reluktanzmaschine basiert.
Die hier beschriebene Erfindung wurde im Rahmen einer Arbeit gemacht, die unter dem Air Force Contract Nr. F33615-94-C-2504 gemacht wurde, der durch das Department der U.S. Air Force geschlossen wurde und unter der die U.S. Regierung gewisse Rechte hat.
Wirbelstromverluste haben die Tendenz, die I²R Verluste in geschalteten Hochgeschwindigkeits-Hochleistungs-Reluktanzmaschinen zu überschreiten, wie sie für interne Strahltriebwerk-Starter-Generatoren verwendet werden. Diese Maschinen zeichnen sich durch eine kleine Anzahl von Windungen pro Phase aus, die aus rechtwinkligen Hohlleitern mit Außenabmessungen von üblicherweise 2,29 mm (0,090 Zoll) × 3,17 mm (0,125 Zoll) oder größer hergestellt sind. Diese Leiter sind hohen Magnetfeldern ausgesetzt, die die Amplitude sehr schnell bei einer Geschwindigkeit von üblicherweise mehr als 1000 Hz ändern. Die elektrischen Verluste in den Leitern, die im allgemeinen I²R Verluste genannt werden, sind viel größer als die Verluste, die durch Multiplizieren des Quadrates des Effektivwertes des Wicklungsstroms und des Gleichstrom (DC)-Widerstands des Leiters berechnet werden. Diese zusätzlichen Verluste treten wegen der Wirbelströme auf, die durch das sich schnell ändernde Magnetfeld in den massiven Wänden des Leiters induziert werden. Normalerweise liegen diese Wirbelstromverluste zwischen 10–80 Prozent der DC I²R Verluste. Jedoch können in geschalteten Hochgeschwindigkeits-Hochleistungs-Reluktanzmaschinen die zusätzlichen Verluste aufgrund der Wirbelströme ein Vielfaches der DC I²R Verluste sein. Wendet man den gleichen Maschinentyp auf einen internen Starter-Generator an, können die Nennleistung und die Grundfrequenz schnell höher sein als für einen externen Starter-Generator, was möglicherweise sehr hohe Wirbelstromverluste zur Folge hat.
Hohe Wirbelstromverluste werfen eine Anzahl von Herausforderungen auf. Beispielsweise stellt die Kühlung, die für die hohen Wirbelstromverluste erforderlich ist, Anforderungen an das übliche Kühlsystem, für das Standard-Triebwerks-Schmieröl verwendet wird. Auch wird der nachteilige Einfluß auf den Wirkungsgrad des Systems recht signifikant bei hohen Wirbelstromverlusten.
Es würde dann wünschenswert sein, die Wirbelstromverluste in internen Starter-Generator-Anordnungen senken zu können.
Die vorliegende Erfindung sorgt für eine Verlustsenkung durch eine spezielle Starter-Spulen-Anordnung und Wicklungsanordnung. Im Stand der Technik befindet sich die erste Windung der Wicklung der Spule direkt auf der zweiten Windung in der Innenschicht von der Spule. Mit der Spulenkonfiguration der vorliegenden Erfindung wird die erste Windung zur Außenseite bewegt, über die zweite Schicht; der Draht kehrt dann, nachdem die erste Windung abgeschlossen ist, zur Innenschicht zurück. Die Wicklungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung sorgt für eine größere Wirbelstromverlust-Senkung/Verhinderung im Vergleich zur üblichen Wicklungsanordnung, ohne irgendeine signifikante Auswirkung auf Gewicht und Größe.
Erfindungsgemäß weist eine Statorspulen-Wicklungsanordnung eine innere Schicht und eine äußere Schicht auf, die zwei Schichten der Spule bilden. Eine erste Windung der inneren Schicht ist über der äußeren Schicht angeordnet, und eine nachfolgende Windung von der inneren Schicht ist über der inneren Schicht angeordnet.
Es wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1A und 2A eine isometrische Anschicht bzw. eine Vorderansicht von einer üblichen Spulenwicklungsanordnung zeigen;
1B und 2B eine isometrische Anschicht bzw. eine Vorderansicht von einer Spulenwicklungsanordnung gemäß der Erfindung darstellen;
3 ein Kurvenbild ist, das die Verteilung von Wirbelstromverlusten über unterschiedlichen Leitern, die wie in den 1A und 2A gewickelt sind, mit Verlusten über Leitern vergleicht, die gemäß der Erfindung gewickelt sind, wie es in den 1B und 2B gezeigt ist; und
4 eine Anwendung der Spulenwicklungsanordnung gemäß der Erfindung auf geschaltete Reluktanzmaschinen-Elektromagnete darstellt.
Die Erfindung wird in Bezug auf Wicklungsanordnungen für eine geschaltete Reluktanzmaschine auf der Basis von inneren Starter-Generatoren beschrieben; jedoch werden Fachleute erkennen, daß die Prinzipien der Erfindung auf einfache Weise für eine Verwendung in einer Vielfalt von Komponenten angepaßt oder modifiziert werden könnten.
Die vorliegende Erfindung hat eine größere Wirbelstromverlust-Verkleinerung/Verhinderung für interne Starter-Generatoren auf der Basis von geschalteten Reluktanzmaschinen zur Folge. Um Wirbelstromverluste zu verringern, fordert die übliche Weisheit die Verwendung kleinerer, hohler Leiter in Parallelschaltung. Dies wird jedoch sehr schnell unpraktikabel aufgrund der sehr teuren Fertigungsverfahren, die für diese Typen von Spulen notwendig sind. Da diese Spulen in recht breiten und offenen Nuten angeordnet sind, werden die Wirbelstromeffekte betonter als in üblichen Hochleistungsmaschinen mit tiefen und schmalen Nuten.
Bezüglich der Zeichnungen stellen 1A und 2A übliche Statorspulen-Wicklungsanordnungen 10 dar, während 1B und 2B Statorspulen-Wicklungsanordnungen 12 darstellen, die gemäß den Lehren der vorliegende Erfindung gewickelt sind. Die Spulen-Wicklungsanordnungen 10 und 12 starten an einem Punkt S und enden an einem Punkt F. Üblicherweise sind diese Spulen als Zweischichtspulen gewickelt, die eine äußere Schicht mit einer Windung weniger als die innere Schicht aus Wickelgründen hat. Im Stand der Technik, der in den 1A und 2A dargestellt ist, befindet sich eine erste Windung 14 von der Wicklung der Spule 10 direkt auf der zweiten Windung 16 in der innere Schicht 18 von der Spule 10.
Bei der Spulenkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung, die in den 1B und 2B dargestellt ist, ist die obere Windung 22, die direkt über der inneren Schicht 18 im Stand der Technik angeordnet ist und die sich nahe an der Statorpoloberseite (nicht gezeigt) befindet, nach oben in Richtung auf die Außenseite bewegt und direkt über der äußeren Schicht 20 angeordnet. Nach Vollendung der ersten Windung 22 kehrt die Spule zu der innere Schicht 18 in der zweiten Windung 24 zurück.
Die erfindungsgemäße Wicklungsanordnung ist ausführbar und benötigt keine vergrößerte Nuttiefe. Deshalb hat die Wicklungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung den Vorteil, wenig oder gar keine Auswirkung auf das Gewicht zu haben. Die Gesamtverluste in der Spule werden nahezu um einen Faktor von 2 verringert, wie es durch eine Zeitschrittanalyse endlicher Elemente vorhergesagt wird, die Fachleuten bekannt ist und von diesen verstanden wird.
Die Verteilung der Verluste über den unterschiedlichen Leitern für zwei neun Windungen aufweisende Spulen, die in der üblichen Weise gewickelt und gemäß der vorliegenden Erfindung gewickelt sind, sind in 3 verglichen. In 3 sind unterschiedliche Leiter entlang der X-Achse angeordnet und entsprechende Wirbelstromverluste, gemessen als W/in, sind entlang der Y-Achse gemessen. Die Leiterreihe 26 stellt die Verlustverteilung für übliche Spulenwicklungsanordnungen dar, während die Leiterreihe 28 die Verlustverteilung für Spulenwicklungsanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. In 3 sind die Leiter C9 und C14 auf dem Statorpol (einer auf jeder Seite) angeordnet.
Aus 3 wird deutlich, daß nicht nur die Verluste in dem oberen Leiter (C9 und C14) verringert sind, sondern aufgrund der veränderten Flußverteilung zeigt der Hauptteil der Leiter eine Verringerung in den Gesamtverlusten, wenn sie gemäß der vorliegenden Erfindung gewickelt sind. Infolgedessen gestattet die vorliegende Erfindung eine größere Wirbelstromverlust-Verrringerung/Verhinderung im Vergleich zu üblichen Statorspulen-Wicklungsanordnungen ohne irgendeine signifikante Auswirkung auf Gewicht und Größe.
In 4 sind die Elektromagnete von einer geschalteten Reluktanzmaschine mit einem Rotorkern 30 und Stator-Elektromagnete von einem Statorkern 32 gezeigt, um eine übliche Anwendung der erfindungsgemäßen Spulen und ihre Orientierung darzustellen. Die Spulen 10 sind in großen Nuten 34 in dem Stator eingebettet und um einzelne Zähne oder Pole 36 herum gewickelt. Die obere 10f von jeder Spule ist neben dem Luftspalt zwischen den Rotor- und Statorkernen 30 bzw. 32 angeordnet. Die untere 10b von jeder Spule ist neben der Unterseite der Nut 34 in dem Statorkern angeordnet. Wegen der breiten offenen Nuten ist die obere 10f von jeder Spule recht hohen Magnetfeldwerten ausgesetzt, die ihrerseits für Wirbelstrom verluste verantwortlich sind. Die Spulenwicklungsanordnung gemäß der Erfindung hat eine größere Wirbelstromverlust-Verringerung/Verhinderung für interne Starter/Generatoren auf der Basis von geschalteten Reluktanzmaschinen zur Folge.
Die Zweischicht-Spulenanordnung gemäß der Erfindung ist auf jede Spule anwendbar, wo die oberen Windungen hohen Flußdichtefeldern ausgesetzt sind, die sich bei Frequenzen über 100 Hertz ändern.

Claims

Statorspulen-Wicklungsanordnung enthaltend: eine innere Schicht (18) und eine äussere Schicht (20) zur Bildung von zwei Schichten einer Spule, eine erste Windung (22) der inneren Schicht, die über der äusseren Schicht angeordnet ist, eine nachfolgende Windung (24) der inneren Schicht, die über der inneren Schicht (18) angeordnet ist.
Statorspulen-Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die äussere Schicht (20) eine Windung weniger als die innere Schicht (18) aufweist.
Statorspulen-Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, wobei ferner eine Anzahl von Windungen der inneren Schicht (18) nachfolgend zu der ersten Windung der inneren Schicht vorgesehen ist, wobei jede der nachfolgenden Anzahl von Windungen der inneren Schicht über der inneren Schicht angeordnet ist.
Statorspulen-Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Statorspule (10) in einer grossen Nut (34) in dem Stator (32) eingebettet und um Einzelpole (36) gewickelt ist.