WO2005078896A1 - Synchronmaschine mit statorspulen in dreieckschaltung - Google Patents

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WO2005078896A1
WO2005078896A1 PCT/EP2005/050557 EP2005050557W WO2005078896A1 WO 2005078896 A1 WO2005078896 A1 WO 2005078896A1 EP 2005050557 W EP2005050557 W EP 2005050557W WO 2005078896 A1 WO2005078896 A1 WO 2005078896A1
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Rolf Vollmer
Michael Zastrow
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02K21/22—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating around the armatures, e.g. flywheel magnetos

Definitions

  • the present invention relates to a 3-phase three-phase synchronous machine with a rotor which has a predetermined pole pitch Tp, and a stator whose coils have a predetermined coil width Tsp and can be connected in a triangle.
  • the object of the present invention is therefore to provide a synchronous machine which has the above-mentioned advantages of a delta-connected machine.
  • stator geometries which are suitable for delta connection are thus advantageously provided. These stator geometries result from the consequent implementation of the harmonic theory of the air gap fields.
  • the synchronous machine is preferably a permanent magnet excited synchronous machine in which the permanent magnets are installed in the rotor and which can be operated with 3-phase three-phase current.
  • the coil width of the coils in the stator can then be dimensioned according to the above conditions.
  • the circular currents or losses caused by harmonics are lowest under these conditions.
  • the pole pitch has the value 180 ° and the coil width can have the value 120 °. Alternatively, the same
  • Pole pitch the coil width is 240 ° or 480 °. In all these cases, one of the equations mentioned above is fulfilled, so that only minimal losses can be assumed. At the same time, a pole pitch of 180 ° is assumed, with which a large number of synchronous machines can be implemented well for their use. It is particularly preferred if the synchronous machine can be switched between triangular and star operation. As already indicated at the beginning, there is the possibility of switching back and forth between different effective number of turns and thus influencing the speed or the torque of the machine.
  • FIG. 4 shows a base body with a toothed coil.
  • FIG. 1 An example of an arrangement of a 3-phase three-phase synchronous machine in a delta connection is shown in FIG. 1 using a linear diagram.
  • the rotor of the machine has a pole pitch of 180 °.
  • the number of poles 2p is 2, where p corresponds to the number of pole pairs.
  • the coil width Tsp of the stator coils corresponds to the value 2 / 3Tp and thus 120 ° in the selected example.
  • the position of the coils of the stator in relation to the pole sections of the rotor can be seen from the upper and middle diagram in FIG.
  • the lower diagram in FIG. 1 also symbolizes how the coils of the stator can be connected or used.
  • the coils of the individual phases u, v, w are arranged in direct succession.
  • the position of the stator coils relative to the rotor is to be set so that, for example, their starting point at
  • 120 ° mech is when the three phases u, v, w to a full Revolution can be divided.
  • the lower diagram in FIG. 2 again symbolizes the circuit for this case.
  • the coils relevant to the invention can be used classically as longed-up coils or as toothed coils 8 in the three-phase three-phase synchronous machine.
  • a stator of such a synchronous machine constructed with toothed coils has a toothed coil 8 around each of its mechanical teeth, such that there is a forward and a return conductor of adjacent teeth in each groove.
  • only every second tooth can be provided with a tooth coil, so that each groove has only one forward or return conductor.
  • the tooth coils 8 are prefabricated and are advantageously located on base bodies 6, which facilitate assembly and optionally have sensors 7 and / or means for interconnecting the individual tooth coils 8. Such a base body 6 is shown as an example in FIG.
  • the machines can be easily switched from star to delta connection.
  • star connection compared to the delta connection with the same coil arrangement, a higher effective number of turns can be achieved, which results in a lower speed and thus a higher achievable torque.
  • delta connection with a lower effective number of turns a higher speed and thus a lower rotation moment can be achieved.
  • the field of use of such switchable machines is correspondingly more diverse.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Drehstrom-Synchronmaschinen sollen auch in Dreieck-Schaltung betrieben werden können. Daher ist vorgesehen, dass die Werte der Polteilungsweite Tp und der Spulenweite Tsp insbesondere den Gleichungen Tsp = 2/3Tp oder Tsp = 4/3Tp genügen. Bei diesen geometrischen Anordnungen sind die Kreisströme in den Dreieckschaltungen und damit die Verluste besonders gering. Diesbezügliche Vorteile ergeben sich auch bereits, wenn die Verhältnisse zwischen Polteilungsweite Tp und Spulenweite Tsp geringfügig von den oben genannten abweichen.

Description

Beschreibung
Synchronmaschine mit Statorspulen in Dreieckschaltung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine 3-phasige Drehstrom- Synchronmaschine mit einem Rotor, der eine vorbestimmte Polteilungsweite Tp besitzt, und einen Stator, dessen Spulen eine vorbestimmte Spulenweite Tsp besitzen und im Dreieck verschaltbar sind.
Für 3-phasige Drehstrom-Synchronmaschinen herkömmlicher Bauart ist es wenig sinnvoll, die Wicklungen der Phasen im Dreieck zu schalten, weil durch Kreisströme zusätzliche Verluste entstehen. Die Kreisströme werden durch Oberwellen, nämliche dritte, sechste, neunte Harmonische etc., die ihrerseits vom Rotorfeld erzeugt werden, verursacht.
Die Möglichkeit, eine Maschine im Dreieck zu schalten, hätte jedoch folgende Vorteile: - Die Variabilität hinsichtlich einstellbarer Motordaten wäre erhöht, da eine feinere Windungs^ahlstufung bei gleich guter Ausnutzung der Maschine möglich ist; insbesondere bei Motoren mit Zahnspulen ist die Variabilität der Windungszahlen stark eingeschränkt und bestimmte Windungszah- len lassen sich nur durch das Weglassen einzelner Windungen realisieren, woraus eine schlechtere Ausnutzung der Maschine folgt.
- Bei höheren Spulenwindungszahlen wären dünnere Wickeldrähte einsetzbar, was eine vereinfachte Fertigungstechnik zur Folge hat.
- Ein Umschalten von Stern- auf Dreieckschaltung im Betrieb kann Performancevorteile hinsichtlich der Variabilität von Drehzahl und Drehmoment gewährleisten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Synchronmaschine bereitzustellen, die die genannten Vorzüge einer Maschine in Dreieckschaltung besitzt. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine dreiphasige Synchronmaschine mit einem Rotor, der eine vorbestimmte Polteilungsweite Tp besitzt, einem Stator, dessen Spulen eine vorbestimmte Spulenweite Tsp besitzen und im Dreieck ver- schaltbar sind, wobei die Ungleichung 2/3Tp + 2iTp - l/6Tp < Tsp < 2/3Tp + 2iTp + l/6Tp oder die Ungleichung 4/3Tp + 2iTp - l/6Tp < Tsp < 4/3Tp + 2iTp + l/6Tp mit i = 0, 1, 2, 3 ... erfüllt ist.
In vorteilhafter Weise werden gemäß der vorliegenden Erfindung somit Statorgeometrien bereitgestellt, die für die Dreieckschaltung geeignet sind. Diese Statorgeometrien resultieren aus der konsequenten Umsetzung der Oberwellentheorie der Luftspaltfelder .
Vorzugsweise handelt es sich bei der Synchronmaschine um eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, bei der die Permanentmagneten im Rotor verbaut sind und die mit 3-phasigem Drehstrom betreibbar ist. Die Spulenweite der Spulen im Sta- tor lassen sich dann nach den obigen Bedingungen dimensionieren.
Idealerweise wird das Verhältnis zwischen der Polteilungsweite und der Spulenweite durch die Gleichung Tsp = 2/3Tp oder die Gleichung Tsp = 4/3Tp bestimmt. Unter diesen Bedingungen sind die von Oberwellen hervorgerufenen Kreisströme bzw. Verluste am geringsten.
Die Polteilungsweite hat den Wert 180° und die Spulenweite kann den Wert 120° besitzen. Alternativ kann bei gleichen
Polteilungsweite die Spulenweite 240° oder 480° betragen. In all diesen Fällen ist eine der oben genannten Gleichungen erfüllt, so dass nur von minimalen Verlusten auszugehen ist. Gleichzeitig wird von einer Polteilungsweite von 180° ausge- gangen, mit der sich eine Vielzahl von Synchronmaschinen gut für ihren Einsatz realisieren lassen. Besonders bevorzugt ist, wenn sich die Synchronmaschine zwischen dem Dreiecks- und Sternbetrieb umschalten lässt. Damit besteht, wie eingangs bereits angedeutet, die Möglichkeit, zwischen unterschiedlichen effektiven Windungszahlen hin- und herzuschalten und somit die Drehzahl bzw. das Drehmoment der Maschine zu beeinflussen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
FIG 1 ein Diagramm zur Verdeutlichung des Aufbaus eines Synchronmaschine in Dreieckschaltung für drei Spulen, einer Polzahl von Zwei und der Beziehung Tsp = 2/3Tp; FIG 2 ein der FIG 1 entsprechendes Diagramm für eine Pol- zahl von Acht und dem Verhältnis Tsp = 4/3 Tp; und
FIG 3 ein Diagramm entsprechend dem von FIG 1 für eine Anordnung mit einer Polzahl von Vierzehn und dem Verhältnis Tsp = 2 2/3Tp, FIG 4 einen Grundkörper mit Zahnspule.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Erfindungsgemäß hat sich gezeigt, dass bestimmte Verhältnisse zwischen Polteilungsweite Tp und Spulenweite Tsp zu verminderten Verlusten bei Dreieckschaltung führen. Idealerweise beträgt das Verhältnis Tsp = 2/3 Tp + 2iTp oder Tsp = 4/3Tp + 2iTp, wobei i = 0, 1, 2, 3 ... ist. Bei diesen Verhältnissen werden die dritten, sechsten, neunten etc. Harmonischen des Rotorfelds unterdrückt bzw. nicht induziert.
Diese reduzierten Verluste ergeben sich aber auch bereits in der Nähe dieser Teilungsverhältnisse. So stellt sich der er- findungsgemäße Erfolg reduzierter Verluste für eine Maschine mit einer Polteilungsweite bzw. einem Polteilungswinkel von 180° bereits ab etwa einer Spulenweite von 90° ein. Somit ergeben sich für die Spulenweiten Tsp die folgenden verlustarmen Bereiche:
2/3Tp + 2iTp - l/6Tp < Tsp < 2/3Tp + 2iTp + l/6Tp und 4/3Tp + 2iTp - l/6Tp < Tsp < 4/3Tp + 2iTp + l/6Tp
Ein Beispiel für eine Anordnung einer 3-phasigen Drehstrom- Synchronmaschine in Dreieckschaltung ist in FIG 1 anhand eines linearen Diagramms dargestellt. Der Rotor der Maschine besitzt eine Polteilungsweite von 180°. Die Anzahl der Pole 2p beträgt 2, wobei p der Polpaarzahl entspricht. Die Spulenweite Tsp der Statorspulen entspricht dem Wert 2/3Tp und somit im gewählten Beispiel 120°. Die Lage der Spulen des Stators zu den Polabschnitten des Rotors ist aus dem oberen und mittleren Diagramm von FIG 1 zu entnehmen.
Im unteren Diagramm von FIG 1 ist darüber hinaus symbolisiert, wie die Spulen des Stators verschaltet bzw. genutzt werden können. Im vorliegenden Fall werden die Spulen der einzelnen Phasen u, v, w unmittelbar aufeinanderfolgend ange- ordnet.
In FIG 2 ist ein abgewandeltes Beispiel für eine Anordnung in Dreieckschaltung wiedergegeben. Auch hier beträgt die Anzahl der Statorspulen Drei. Die Anzahl 2p der Pole im Rotor be- trägt jedoch Acht und das Verhältnis zwischen der Polteilungsweite Tp und der Spulenweite Tsp genügt der Gleichung Tsp = 4/3Tp. Damit wäre die zweite der oben dargestellten beiden Ungleichungen erfüllt. Bei einem Polteilungswinkel Tp = 45°meC = 180° ergäbe sich eine Spulenweite Tsp = 60°mech = 240°. Der mechanische bzw. physikalische Winkel αmech steht hierbei mit dem elektrischen Winkel eι und der Polpaarzahl p in folgender Beziehung: Oei = p • αmech (im vorliegenden Dokument entsprechen die Winkelangaben ohne Zusatz elektrischen Winkeln) . Die Lage der Statorspulen zum Rotor ist dabei so einzustellen, dass beispielsweise ihr Anfangspunkt bei
120°mech liegt, wenn die drei Phasen u, v, w auf eine volle Umdrehung aufgeteilt werden. Das untere Diagramm der FIG 2 symbolisiert wiederum die Schaltung für diesen Fall.
Ein weiteres Beispiel für eine Anordnung in Dreieckschaltung ist in FIG 3 dargelegt. Wiederum werden drei Statorspulen eingesetzt. In diesem Beispiel beträgt die Polzahl 2p jedoch Vierzehn und das Verhältnis zwischen der Polteilungsweite Tp und der Spulenweite Tsp ist charakterisiert durch Tsp = 2 2/3 Tp. Bei einem Polteilungswinkel von 360°/14 = 26°mech ergäbe sich ein Spulenwinkel von ca. 69° ec- Entsprechend dem mittleren Diagramm von FIG 3 wären die Spulen wiederum im Abstand von 120° zueinander angeordnet. Im unteren Diagramm von FIG 3 ist auch hier die Schaltung der Spulen angedeutet.
Die für die Erfindung relevanten Spulen können erfindungsgemäß klassisch als gesehnte Spulen oder aber als Zahnspulen 8 in der 3-phasigen Drehstromsynchronmaschine eingesetzt werden. Ein mit Zahnspulen aufgebauter Stator einer derartigen Synchronmaschine weist um jeden seiner mechanischen Zähne ei- ne Zahnspule 8 auf, derart, dass in jeder Nut ein Hin- und ein Rückleiter benachbarter Zähne liegt. Ebenso kann nur jeder zweite Zahn mit einer Zahnspule versehen sein, so dass jede Nut nur einen Hin- oder Rückleiter aufweist. Die Zahnspulen 8 sind vorgefertigt und befinden sich vorteilhafter- weise auf Grundkörpern 6, die die Montage erleichtern und gegebenenfalls Sensoren 7 und/oder Mittel zur Verschaltung der einzelnen Zahnspulen 8 aufweisen. Beispielhaft ist ein derartiger Grundkörper 6 in FIG 4 dargestellt.
Mit der erfindungsgemäßen Bauform können die Maschinen ohne weiteres von Stern- auf Dreieckschaltung umgeschaltet werden. In Sternschaltung kann gegenüber der Dreieckschaltung bei gleicher Spulenanordnung eine höhere effektive Windungszahl erreicht werden, wodurch sich eine geringere Drehzahl und so- mit ein höheres erzielbares Drehmoment ergibt. Dementsprechend kann in Dreieckschaltung mit geringerer effektiver Windungszahl eine höhere Drehzahl und mithin ein geringes Dreh- moment erzielt werden. Das Einsatzgebiet derart umschaltbarer Maschinen ist entsprechend vielfältiger.

Claims

Patentansprüche
1. Dreiphasige Synchronmaschine mit einem Rotor, der eine vorbestimmte Polteilungsweite Tp be- sitzt,
- einem Stator, dessen Spulen eine vorbestimmte Spulenweite Tsp besitzen und im Dreieck verschaltbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ungleichung 2/3Tp + 2iTp - l/6Tp < Tsp < 2/3Tρ + 2iTp + l/6Tp oder
- die Ungleichung 4/3Tp + 2iTp - l/6Tp < Tsp < 4/3Tp + 2iTp + l/6Tp mit i = 0, 1, 2, 3 ... erfüllt ist.
2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, die mit Permanentmagneten erregt ist und mit 3-phasigem Drehstrom betreibbar ist.
3. Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Glei- chung Tsp = 2/3Tρ oder die Gleichung Tsp = 4/3Tp erfüllt ist.
4. Synchronmaschine nach Anspruch 3, wobei die Polteilungsweite Tp den Wert 180° und die Spulenweite Tsp den Wert 120° besitzt .
5. Synchronmaschine nach Anspruch 3, wobei die Polteilungsweite Tp den Wert 180° und die Spulenweite Tsp den Wert 240° besitzt .
6. Synchronmaschine nach Anspruch 3, wobei die Polteilungsweite Tp den Wert 180° und die Spulenweite Tsp den Wert 480° besitzt .
7. Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die in den Stern-Betrieb (um) schaltbar ist.
PCT/EP2005/050557 2004-02-16 2005-02-09 Synchronmaschine mit statorspulen in dreieckschaltung WO2005078896A1 (de)

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