WO2005027308A1 - Elektrische maschine mit induktionsläufer - Google Patents

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    • H—ELECTRICITY
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    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/46—Motors having additional short-circuited winding for starting as an asynchronous motor

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine with a stator with a winding system and a rotor.
  • Toothed coil windings ie concentrated windings around a mechanical pole, cause a comparatively significantly higher spectrum of air gap fields, which cannot be reduced by the above-mentioned methods due to the properties of the toothed coil technology. In particular when using toothed coil windings in asynchronous motors, this leads to malfunctions in the operating behavior.
  • the invention is therefore based on the object of creating an electrical machine in which only a specifiable spectrum of air gap fields induces a voltage in rotor conductors.
  • Toothed coil windings the number of basic pole pairs of the stator is equal to the number of useful poles p N , have low winding factors for the number of useful poles and excessive winding factors for unused number of pole pairs and are therefore not to be preferred. Therefore, a tooth coil arrangement is proposed gene, which has a comparatively high winding factor for the number of useful poles p N and also filters out troublesome pole pair numbers.
  • the structure of the stator advantageously has a fractional tooth pitch.
  • different, preferably two, tooth pitch widths alternate, only the teeth with the larger tooth pitch width being provided with at least one tooth coil each.
  • a fractional tooth division of the stator permits a reduced parasitic spectrum, so that the air gap fields now only have a certain predeterminable proportion of the respective entire spectrum.
  • the rotor and / or the stator are additionally beveled, i.e. the grooves do not run exactly axially but have a predeterminable helix angle.
  • the value of the helix angle depends on the number of poles to be damped.
  • the conductors of the rotor are switched into conductor loops according to the invention in such a way that the number of useful poles p N represents the number of basic pole pairs GR of the conductor loops of the rotor.
  • the number of slots of the slots covered with conductor loops is an integral multiple of twice the number of useful pole pairs.
  • additional grooves which are not occupied by conductor loops are advantageously provided in the plate of the rotor
  • the conductor loops of the rotor with at least two separate branches preferably consist of aluminum rods, copper rods, copper windings or stranded wires.
  • FIG. 7 electrical machine with conventional winding
  • FIG 8 electrical machine with toothed coil winding
  • FIG. 1 shows a schematic jacket development representation of a rotor 7, not shown in detail, with three short-circuit windings 8, 9, 10, which are electrically separated from one another, with twelve slots and the number of basic pole pairs Several short-circuit windings which are galvanically isolated from one another are also possible in or on a rotor 7. These short-circuit windings according to the invention are also referred to as conductor cages.
  • the second winding of the rotor 7 is electrically out of phase by 180 °.
  • phase shift ⁇ P - P m-stranded winding systems of a rotor 7 The following generally applies to the phase shift ⁇ P - P m-stranded winding systems of a rotor 7 according to the invention:
  • a number of strands with m> 3 is possible.
  • the manufacturing cost of a winding system increases with increasing number of strands m.
  • the described invention is preferably suitable for asynchronous machines with toothed coil winding, but it is also suitable for synchronous machines with fractional tooth pitch with an additional induction rotor in order to dampen or eliminate disruptive pole pair numbers.
  • Toothed coils are understood to be concentrated coils, each of which comprises a mechanical pole or tooth 5 and thus the forward and return conductors of the toothed coil 6 are arranged in immediately adjacent grooves of the tooth 5.
  • the toothed coils 6 can preferably be provided prefabricated.
  • a fractional tooth pitch is understood to mean that teeth 4, 5 with different tooth pitch widths alternate in the circumferential direction of the stator 3 of a three-phase machine, only the teeth 5 with the larger tooth pitch width ⁇ zp preferably being provided with tooth coils 6.
  • the tooth part advantageously corresponds to tion width ⁇ z of the wound tooth 5, o, 66 to 1.0 times the pole pitch of a rotor, not shown.
  • FIG. 7 shows an electrical synchronous machine 13 with a stator 3, which has a classic winding system, i.e. there are longed windings.
  • a stator bore e.g. a rotor 7 according to FIG 4 is used.
  • the electrical machine according to the invention is particularly suitable for production machines, for example machine tools, as well as for driving electric vehicles.

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  • Induction Machinery (AREA)
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Abstract

Um die störenden Luftspaltfelder einer elektrischen Maschine zu dämpfen, werden verschiedene Massnahmen am Stator (3) und/oder Rotor (7) vorgeschlagen.

Description

Beschreibung
Elektrische Maschine mit Induktionsläufer
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator mit einem Wicklungssystem und einem Rotor.
Bei herkömmlichen Wicklungen elektrischer Maschinen treten Abweichungen des Luftspaltfeldes von der Sinusform auf, d.h. der Grundwelle werden Oberwellen überlagert, die sich störend auf den Betrieb der elektrischen Maschine auswirken, z.B. in Form von Zusatzverlusten. Um Oberwellenverluste zu verringern werden Wicklungen gesehnt. Dabei entstehen Wicklungen mit Lochzahlen q>l z.B. q=2 oder q=3 die die Oberwellen reduzie- ren.
Zahnspulenwicklungen, also konzentrierte Wicklungen um einen mechanischen Pol verursachen ein vergleichsweise deutlich höheres Spektrum an Luftspaltfeldern, das sich durch oben ge- nannte Methoden aufgrund der Eigenschaften der Zahnspulentechnologie nicht reduzieren lässt. Insbesondere beim Einsatz von Zahnspulenwicklungen bei Asynchronmotoren führt dies zu Störungen des Betriebsverhaltens.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine zu schaffen, bei der nur ein vorgebbares Spektrum von Luftspaltfeldern eine Spannung in Rotorleitern induziert.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine elektrische Maschine nach Anspruch 1.
Zahnspulenwicklungen, deren Grundpolpaarzahl des Stators gleich der Nutzpolpaarzahl pN ist, weisen geringe Wickelfak- toren für die Nutzpolpaarzahl und zu hohe Wicklungsfaktoren für ungenutzte Polpaarzahlen auf und sind deshalb nicht zu bevorzugen. Daher wird eine Zahnspulenanordnung vorgeschla- gen, die einen vergleichsweise hohen Wickelfaktor für die Nutzpolpaarzahl pN hat und zudem störende Polpaarzahlen herausfiltert.
Vorteilhafterweise weist dabei der Aufbau des Stators eine fraktionierte Zahnteilung auf. In Umfangsrichtung des Stators betrachtet wechseln sich dabei unterschiedliche, vorzugsweise zwei Zahnteilungsbreiten ab, wobei nur die Zähne mit der größeren Zahnteilungsbreite mit jeweils zumindest einer Zahnspu- len versehen werden. Durch eine fraktionierte Zahnteilung des Stators, wird ein reduziertes parasitäres Spektrum zugelassen, so dass auch die Luftspaltfelder nunmehr lediglich einen gewissen vorgebbaren Anteil des jeweiligen gesamten Spektrums aufweisen.
Um eine weitere Dämpfung von störenden Polzahlen des Luftspaltfeldes zu erhalten, wird der Rotor und/oder der Stator zusätzlich geschrägt, d.h. die Nuten verlaufen nicht exakt axial sondern weisen einen vorgebbaren Schrägungswinkel auf. Der Wert des Schrägungswinkels hängt von den zu dämpfenden Polzahlen ab.
Des Weiteren werden die Leiter des Rotors zu Leiterschleifen erfindungsgemäß so geschaltet, dass die Nutzpolpaarzahl pN die Grundpolpaarzahl GR der Leiterschleifen des Rotors darstellt. Für die Lochzahl der Leiterschleifen des Rotors wird bevorzugt q=l gewählt. Die Nutenzahl der mit Leiterschleifen belegten Nuten ist dabei ein ganzzahliges Vielfaches der doppelten Nutzpolpaarzahl.
Um zusätzlich noch Reluktanzpendeldrehmomente zu reduzieren, werden vorteilhafterweise gezielt zusätzliche Nuten im Blech des Rotors vorgesehen, die nicht durch Leiterschleifen belegt sind Die Leiterschleifen des Rotors mit wenigstens zwei getrennten Zweigen, besteht vorzugsweise aus Alustäben, Kupferstäben, Kupferwicklungen oder aus Litzendrähten.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
FIG 1 eine prinzipielle Wicklung eines Rotors in Mantelab- Wicklungsdarstellung,
FIG 2 eine tabellarische Aufstellung der Filterwirkungen,
FIG 3 die fraktionierte Zahnteilung eines Asynchronmotors mit Nutzpolzahl 2p=8,
FIG 4 bis FIG 6 verschiedene Rotorausführungen, FIG 7 elektrische Maschine mit konventioneller Wicklung,
FIG 8 elektrische Maschine mit Zahnspulenwicklung
FIG 1 zeigt in schematischer Mantelabwicklungsdarstellung einen nicht näher dargestellten Rotor 7 mit drei elektrisch voneinander getrennten Kurzschlusswicklungen 8,9,10 mit zwölf Nuten und der Grundpolpaarzahl
Figure imgf000005_0001
Es sind auch mehrere voneinander galvanisch getrennte Kurzschlusswicklungen in oder an einem Rotor 7 möglich. Diese erfindungsgemäßen Kurz- schlusswicklungen werden auch als Leiterkäfige bezeichnet.
Bei zwei elektrisch voneinander getrennten Kurzschlusswicklungen ist die zweite Wicklung des Rotors 7 um 180° elektrisch phasenverschoben.
Allgemein gilt für die Phasenverschiebung αP-P m-strängiger erfindungsgemäßer Wicklungssysteme eines Rotors 7:
αP-P = 360°/m
FIG 1 zeigt außerdem ein 3-strängiges System mit einer Phasenverschiebung von αP_P = 120°. Eine Strangzahl mit m > 3 ist möglich. Mit m =3 ist eine vergleichsweise gute Rundlauf- gute der elektrischen Maschine gegeben. Mit zunehmender Strangzahl m steigt der Herstellungsaufwand eines Wicklungssystems. Somit stellt ein Wicklungssystem mit m=3 ein guten Kompromiss zwischen Herstellungsaufwand und Rundlaufgute dar. Zusätzliche vorgebbare Schrägungen von Rotor 7 und/oder Stator 3 im Bereich einer x-fachen Nutteilung, wobei 0<x<2, 6 ist, verbessern den Rundlauf, und reduzieren Verluste, da 0- berwellen gedämpft werden.
FIG 2 zeigt in einer Auflistung die möglichen Filterwirkungen wie Wicklung des Rotors 7, Schrägung von Stator 3 und Rotor 7, fraktionierte Zahnteilung und Zahnspulenwicklung des Stators 3 auf die jeweiligen Oberwellen wirken. Mit den gewählten Maßnahmen wird im dargestellten Polzahlenbereich bei ei- ner achtpoligen Asynchronmaschine nur ein Luftspaltfeld mit p=4 zu einem Drehmoment führen.
Die beschriebene Erfindung ist vorzugsweise für Asynchronmaschinen mit Zahnspulenwicklung geeignet, sie ist aber auch für Synchronmaschinen mit fraktionierter Zahnteilung bei zusätzlichem Induktionsrotor geeignet, um störende Polpaarzahlen zu dämpfen bzw. zu eliminieren.
Unter Zahnspulen werden dabei konzentrierte Spulen verstan- den, die jeweils einen mechanischen Pol oder Zahn 5 umfassen und somit Hin- und Rückleiter der Zahnspule 6 in unmittelbar benachbarten Nuten des Zahns 5 angeordnet sind. Die Zahnspulen 6 können dabei vorzugsweise vorgefertigt zur Verfügung gestellt werden.
Unter einer fraktionierten Zahnteilung wird gemäß FIG 3 verstanden, dass sich in Umfangsrichtung des Stators 3 einer Drehstrommaschine, Zähne 4,5 mit unterschiedlichen Zahntei- lungsbreiten abwechseln, wobei lediglich die Zähne 5 mit der größeren Zahnteilungsbreite τzp vorzugsweise mit Zahnspulen 6 versehen sind. Vorteilhafterweise entspricht die Zahntei- lungsbreite τz des bewickelten Zahnes 5 dem o,66 bis 1,0 fachen der Polteilung eines nicht näher dargestellten Rotors.
Aus fertigungstechnischer Hinsicht ist es vorteilhaft den Blechschnitt eines derartigen Stators 3 einteilig auszuführen.
FIG 4 zeigt einen Rotor 7 mit drei voneinander galvanische getrennten Leiterkäfigen 8,9,10 mit einer Nutzahl des Rotors 7 N2= 14, wobei zwei Leiter 11 nicht kontaktiert sind. Am Außenumfang des Rotors 7 befinden sich Permanentmagnete 12, die u.a. durch nicht näher dargestellte Bandagen oder Hülsen am Rotor 7 befestigt sind.
FIG 5 zeigt einen weiteren Rotor 7 mit einer Nutzpolzahl von 2p=8 und einer Nutzahl N2=24. Es sind wieder drei voneinander galvanisch getrennte Leiterkäfige 8,9,10 vorhanden.
FIG 6 zeigt einen weiteren Rotor 7 für eine Nutzpolzahl von 2p= 8 und einer Nutzahl N2=27. Es sind wieder drei voneinander galvanisch getrennte Leiterkäfige 8,9,10 vorhanden. Drei Nutenleiter 11 sind nicht kontaktiert und sind um 120 Grad in Umfangsrichtung betrachtet versetzt angeordnet.
FIG 7 zeigt eine elektrische Synchronmaschine 13 mit einem Stator 3, der ein klassisches Wicklungssystem aufweist, d.h. es liegen gesehnte Wicklungen vor. In die Statorbohrung wird z.B. ein Rotor 7 gemäß FIG 4 eingesetzt.
FIG 8 zeigt einen Stator 3 eines Asynchronmotors mit zwölf Zahnspulen 6. Der Rotor 7 ist mit N2= 27 Nuten versehen, wobei drei Nutenleiter 11 nicht elektrische kontaktiert sind. Es sind drei galvanisch voneinander getrennte Kurzschlusswicklungen, auch Leiterkäfige 8,9,10 genannt, vorhanden. Die- ser Rotor 7 weist beispielsweise keine Permanentmagnete auf. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine eignet sich insbesondere für Produktionsmaschinen, z.B. Werkzeugmaschinen ebenso wie für Antriebe elektrischer Fahrzeuge.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine, mit einem Stator (3) mit einem Wicklungssystem (6) und einem Rotor (7) , wobei Stator (3) und/ oder Rotor (7) Mittel aufweisen, vorgebbare Luftspaltfelder zu dämpfen oder zu eliminieren.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Stator (3) eine fraktionierte Zahnteilung aufweist.
3. Elektrische Maschine nach .Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Rotor (7) zumindest zwei elektrisch voneinander getrennte Kurz- schlusskäfige (8,9) aufweist.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kurzschlusskäfige
(8,9,10) des Rotors (7) um 360°/n el. versetzt sind, wobei n die Anzahl der getrennten Kurzschlusskäfige (8,9,10) ist.
5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Stator (3) und/oder Rotor (7) zusätzliche vorgebbare Schrä- gungen ihrer Nuten aufweisen.
6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Rotor (7) Nuten N2 aufweist, die keine Leiter enthalten, oder deren Leiter (11) nicht mit den Kurzschlusskäfigen (8,9,10) elektrisch verbunden sind.
7. Anwendung einer elektrischen Maschine nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche bei Produktionsmaschinen oder Antrieben für elektrische Fahrzeuge.
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