EP3782263A1

EP3782263A1 - Dreizonen-einschicht-zahnspulenwicklung

Info

Publication number: EP3782263A1
Application number: EP19739559.3A
Authority: EP
Inventors: Jens Krotsch; Martin Baun; Gerhard Huth
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2021-02-24
Also published as: DE102018117260A1; CN209088664U; WO2020016066A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehfeldmaschine mit einem 2p-poligen Ständer mit Wickelzähnen (Z) und N Nuten, ausgebildet mit einer Wicklungsanordnung in verteilter Einschicht-Zahnspulentechnik, umfassend drei Wicklungsstränge (W1, W2, W3), die jeweils auf Spulengruppen (G1, G2, G3) aus sich wiederholenden gewickelten Wicklungseinheiten gewickelt sind, wobei die Wicklungsstränge (W1, W2, W3) der sich wiederholenden Wicklungseinheiten gegeneinander gemäß der folgenden Festlegung um eine geradzahlige Anzahl von q Nutteilungen versetzt angeordnet sind

Description

Dreizonen-Einschicht-Zahnspulenwicklung

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für eine 3-strängige Drehfeldmaschi- ne, die als verteilte Einschicht-Zahnspulenwicklung ausgebildet ist.

Umrichter gespeiste permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PM Synchronmaschinen) kommen bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen zum Einsatz. Aus Kostengründen werden PM Synchronmaschinen zunehmend mit so genannten Zahnspulenwicklungen ausgeführt. Die Zahnspulentechnik vereinfacht den Ständer aufbau einer PM-Synchronmaschine und ermöglicht zudem einen segmentierten Ständeraufbau, so dass der Ständer modulweise in einer Art Baukastenkonzept ge fertigt werden kann. Nachteilig bei Zahnspulenwicklungen ist es, dass diese ein breites Luftspaltfeldspektrum ausbilden, das je nach Motordesign mehr oder weniger stö rend sein kann und diese eher bei höheren Polzahlen Verwendung finden.

Im Stand der Technik sind zu Zahnspulenwicklungen bereits unterschiedliche Wicklungskonzepte bekannt. Die Druckschrift US 20120228981 A1 setzt sich die Redu- zierung einer Subharmonischen in Bezug auf die Arbeitsfeldwelle zur Aufgabe und schlägt als Lösung eine Mehrschichtwicklung, bestehend aus mindestens zwei Spulenseiten pro Nut, vor, wobei die Leiterzahl der Spulenseiten in einer ersten Nut von der Leiterzahl der Spulenseiten in einer zweiten Nut verschieden ist, wobei die Spu len als Zahnspulen ausgeführt werden.

In der Druckschrift US 20120001512 A1 wir ein Stator mit einer doppelten Anzahl von Nuten gegenüber dem Stand der Technik vorgeschlagen. Die Spulen umschließen dabei jeweils zwei Zähne. Die Spulen sind gekennzeichnet durch unterschiedliche Windungszahlen bei gleicher Spulenweite.

Auch die Druckschrift US 20140035425 A1 beschäftigt sich mit der Reduzierung von unerwünschten Oberfeldern durch eine kostengünstig herstellbare Wicklung. Es wird eine Mehrschicht-Zahnspulenwicklung vorgeschlagen, wobei die einzelnen Spulen eines Stranges unterschiedliche Windungszahlen aufweisen und die Zähne eine unterschiedliche Anzahl von Zahnspulen tragen. Auch diese Wicklungstopologie ist für kleine Polzahlen nicht zielführend.

Die beiden Offenbarungen DE 20 2017 107387 U1 und DE 20 2017 107388 U1 be schreiben sogenannte Multi-Zahnspulen-Wicklungen der Strangzahl 2 und 3 beste hend aus mehreren konzentrisch ineinander verschachtelten Zahnspulen, die jedoch durch einen verhältnismäßig kleinen Wicklungsfaktor und durch zwei getrennte Wick lungsschichten, nämlich eine Unterschicht und eine Oberschicht gekennzeichnet sind.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Doppel- oder Multi-Zahnspulenwicklungen sind demnach stets Mehrschichtwicklungen mit zumindest einer Unter- und einer Oberschicht. Daraus resultieren signifikante Nachteile, insbesondere bei Moto ren kleiner Baugröße, die darin bestehen, dass sich einerseits das Einbringen der Wicklungsschichten aufwendig gestaltet und ferner diese Wicklungen durch zusätzli che Maßnahmen gegeneinander zu isolieren sind. Dies hat eine negative Auswirkung auf den Nutfüllgrad, was sich wiederum nachteilig auf die Kosten auswirkt.

Ein weiteres grundsätzliches Problem besteht in der Nutzung der Zahnspulenwick- lung bei niedrigen Polzahlen. Da Zahnspulenwicklungen Prinzip bedingt zu höheren Polpaarzahlen tendieren, lassen sich PM Synchronmotoren mit niedriger Polzahl (z. B. 2-polig oder 4~polig) für Hochdrehzahlantriebe mit den bekannten Zahnspulen- wicklungen nur sehr beschränkt realisieren.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung vorbesagte Nachteile zu überwin den und eine Wicklungstopologie in der Ausprägung einer Zahnspulenwicklung für eine 3-strängige Drehfeldmaschine, wie z. B. eine 3-strängige Motorausführung vor zuschlagen, die kostengünstig und einfach herstellbar ist und einen größeren Wicklungsfaktor besitzt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zahnspulenwick lung mit einem spezifischen Wicklungsschema für drei Wicklungsstränge W1 , W2,

W3 vorzusehen. Erfindungsgemäß ist demnach eine Drehfeldmaschine mit einem 2p-poligen Ständer mit Wickeizähnen und N Nuten vorgesehen, ausgebildet mit einer Wicklungsanordnung mit verteilter Einschicht-Zahnspulenwicklung, umfassend die drei Wicklungsstränge, die jeweils auf Spulengruppen aus sich wiederholenden ge wickelten Wicklungseinheiten gewickelt sind, wobei die Wicklungsstränge der sich wiederholenden Wicklungseinheiten gegeneinander gemäß der folgenden Festle gung um eine geradzahlige Anzahl von q Nutteilungen versetzt angeordnet sind, mit: q = N / 3 p , und mit einer Polteilung T_p wie folgt: t_r = N / 2 r,

wobei p die Polpaarzahl ist und wobei die Wicklungen innerhalb einer Spulengruppe als eine sich um einen zentralen Wickelzahn konzentrisch umschließende Wicklung ausgebildet ist. In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist q damit nur mit geradzahligem Wert, d. h. mit einem Wert q = 4, 6, 8, ... , ausführbar, während der folgende Zusammenhang zur Lochzahl q^* besteht: q* = q/2.

Das zuvor geschilderte technische Problem kann nach dem Gedanken der vorlie- genden Erfindung demnach durch eine verteilte Einschicht-Zahnspulenwicklung, die einen 3-zonigen Wicklungsaufbau besitzt, gelöst werden. Die vorgeschlagene Drehfeldwicklung besteht aus sich wiederholenden Wicklungseinheiten, die jeweils zwei Polteilungen bezüglich der Grundpolpaarzahl p umfassen.

Eine Eigenschaft der bevorzugten Ausführungsform ist es, dass die Drehfeldmaschi- ne ein Luftspaltspektrum mit den Drehfeld-Polpaarzahlen

v/p = 1 + 3 g

mit g = 0, ±1 , ±2, ±3, ±4, ...ausbildet, wobei v/p e (... , -8, -5, -2, 1 , 4, 7, 10, ....) ist.

Aufgrund der beschriebenen Wicklungssystematik wird ein Luftspaltfeldspektrum mit den genannten Drehfeld-Polpaarzahlen erregt. Wird der Nutschlitzfaktor vernachläs sigt, so existieren betragsmäßig genau q verschiedene Wicklungsfaktoren, die sich zyklisch wiederholen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird durch die Wicklungsanordnung erreicht, dass das Luftspaltfeldspektrum bei der Drehfeld- Polpaarzahl |v/p| = 2 eine dominante niederpolige Spektrallinie besitzt. Demnach wird als wirksame Arbeitspolzahl p* = 2 p genutzt.

Erfindungsgemäß wird demnach zur Drehmomentbildung und zum Antrieb des Rotors, anders als im Stand der Technik über die Feldgrundwelle, bestimmungsgemäß eine Feldoberwelle mit v/p F 1 verwendet.

Es ist weiter mit Vorteil vorgesehen, dass die Änderung der Laufrichtung des Rotors durch den Tausch von zwei Phasen der drei Wicklungsstränge (W1 , W2, W3) erfolgt. Die erfindungsgemäße verteilte Einschicht-Zahnspulenwicklung weist demnach gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile auf: a) einfacherer Wicklungsaufbau

b) kostengünstiger herstellbare Wicklung

c) größerer Wicklungsfaktors der Arbeitspolpaarzahl

d) bessere Ausnutzung der Aktivteile des Motors

Andere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ge kennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevor zugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Zonenplan verteilter Zahnspulen mit Kennzeichnung der Spulenführung für die Fälle q= 4, 6 und 8 und

Fig. 2 einen Zonenplan einer 3-strängigen verteilten Einschicht-Zahnspulen wicklung für den Fall q = 4.

Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 näher beschrie ben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle oder funktionale Merkmale hinweisen. Die Figur 1 zeigt einen Zonenplan der verteilten Zahnspulenwicklung mit Kennzeichnung der Spulenführung für die Fälle q = 4, 6 und 8 (wobei x und _* die je weilige Wicklungsrichtung bzw. Bestromungsrichtung angibt).

Dabei ist von oben nach unten für die Lochzahl q^* = 2, 3 und 4 (bzw. q= 4, 6 und 8) jeweils der Zonenplan für einen Strang über 2 Polteilungen dargestellt. Im oberen Beispiel sind 12 Nuten, im mittleren Beispiel 18 Nuten und im unteren Beispiel 24 Nuten vorgesehen, die mit einer Wicklungsanordnung in verteilter Einschicht- Zahnspulentechnik gewickelt werden, umfassend drei Wicklungsstränge W1 , W2,

W3, wobei jeweils in der Figur 1 nur der erste Strang W1 dargestellt ist, während in der Figur 2 für das obere Beispiel aus der Figur 1 die drei Wicklungsstränge W1 , W2, W3 dargestellt sind. Für die Ausführungsform nach der Figur 2 ergeben sich die folgenden Wicklungsfaktoren mit q= 4 bzw. q^* = 2 mit: v/p =1+ 3_*g mit g = 0, ±1 , ±2, ±3, ...

Sofern man den Nutschlitz als vernachlässigbar betrachtet, ergeben sich betragsmä ßig genau q unterschiedliche Wicklungsfaktoren, die sich, wie in nachfolgender Ta belle 1 für q= 4 dargestellt, zyklisch wiederholen.

Tabelle 1

Wird die Wicklung bezüglich der Wicklungssystematik 2-polig entworfen, so entsteht eine 4-polige Drehfeldwicklung mit der Arbeitspolpaarzahl p* = 2 p.

Der systematische Zusammenhang ist in der folgenden Tabelle 2 dargestellt:

Tabelle 2

Claims

Ansprüche

1. Drehfeldmaschine mit einem 2p-poligen Ständer mit Wickelzähnen (Z) und N Nuten, ausgebildet mit einer Wicklungsanordnung in verteilter Einschicht- Zahnspulentechnik, umfassend drei Wicklungsstränge (W1 , W2, W3), die jeweils auf Spulengruppen (G1 , G2, G3) aus sich wiederholenden gewickelten Wicklungseinheiten gewickelt sind, wobei die Wicklungsstränge (W1 , W2, W3) der sich wiederholenden Wicklungseinheiten gegeneinander gemäß der fol genden Festlegung um eine geradzahlige Anzahl von q Nutteilungen versetzt angeordnet sind, mit:

q = N / 3 p , und mit einer Polteilung t_r wie folgt: t_r = N / 2 p,

wobei p die Poolpaarzahl ist und wobei die sich wiederholenden Wicklungseinheiten innerhalb einer Spulengruppe als eine sich um einen zentralen Wi- ckelzahn konzentrisch umschließende Wicklung ausgebildet sind.

2. Drehfeldmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass q die

Lochzahl mit einem Wert q = 4, 6 oder 8 darstellt.

3. Drehfeldmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Drehfeldmaschine ein Luftspaltspektrum mit den Drehfeld-Polzahlen

v/p = 1 + 3 g

mit g = 0, ±1 , ±2, ±3, ±4, ...ausbildet, wobei

v/p e (... , -8, -5, -2, 1 , 4, 7, 10. ) ist.

4. Drehfeldmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft spaltfeldspektrum bei der Drehfeld-Polzahl |v/p| = 2 eine dominante niederpo- lige Spektrallinie besitzt.

5. Drehfeldmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pol paarzahl 2p die Arbeitspolpaarzahl p* der Drehfeldmaschine darstellt.

6. Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drehmomentbildung zum Antrieb des Rotors bestim mungsgemäß eine Feldoberwelle mit v/p F 1 verwendet wird.

7. Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch ge kennzeichnet, dass die Änderung der Laufrichtung des Rotors durch den Tausch von zwei Phasen der drei Wicklungsstränge (W1 , W2, W3) erfolgt.