WO2020016065A1 - Six-zone single tooth winding - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a winding arrangement for a 3-strand induction machine, which is designed as a distributed single-layer tooth coil winding.
- PM synchronous machines Inverter-fed synchronous machines (PM synchronous machines) are used in a variety of technical applications.
- PM synchronous machines are increasingly being equipped with so-called toothed coil windings.
- the tooth coil technology simplifies the stator structure of a PM synchronous machine and also enables a segmented stator structure, so that the stator can be manufactured in modules in a kind of modular concept.
- the disadvantage of toothed coil windings is that they form a broad air gap field spectrum which, depending on the motor design, can be more or less disruptive and are more likely to be used with higher numbers of poles.
- US 20120001512 A1 proposes a stator with a double number of slots compared to the prior art.
- the coils each enclose two teeth.
- the coils are characterized by different numbers of turns with the same coil width.
- the two disclosures DE 20 2017 107387 U1 and DE 20 2017 107388 U1 describe so-called multi-toothed coil windings of the number of strands 2 and 3 consisting of several concentrically nested toothed coils, which, however, have a relatively small winding factor and two separate winding layers , namely a lower layer and an upper layer are marked.
- the double or multi-tooth coil windings known from the prior art are therefore always multi-layer windings with at least one lower and one upper layer. This results in significant disadvantages, in particular in the case of motors of small size, which consist in the fact that the introduction of the winding layers is complex on the one hand and that these windings are to be insulated from one another by additional measures. This has a negative impact on the degree of groove filling, which in turn has a negative impact on costs.
- toothed coil winding with low number of poles. Since toothed coil windings tend to have a higher number of pole pairs, PM synchronous motors with a low number of poles (eg 2-pole or 4-pole) for high-speed drives with the known toothed coil windings can only be implemented to a very limited extent.
- a basic idea of the present invention is to develop a toothed coil winding with a specific winding scheme for three winding strands W1, W2,
- the technical problem described above can accordingly be solved by a distributed single-layer tooth coil winding which has a 3-zone winding structure.
- the proposed rotating field winding consists of repeating winding units, each comprising two pole pitches with respect to the number of basic pole pairs p.
- the winding arrangement ensures that the air gap field spectrum at the rotating field pole pair number
- a field harmonic with v / p F 1 is accordingly used for torque generation and for driving the rotor, unlike in the prior art via the field fundamental.
- the distributed single-layer coil winding according to the invention accordingly has the following advantages over the prior art: a) simpler winding structure
- the winding strand is distributed over two pole pitches.
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Abstract
The invention relates to a polyphase machine having a 2p pole stator with winding teeth (Z) and N slots, designed with a winding arrangement in distributed single tooth winding technology, comprising three phase windings (W1, W2, W3), each wound on coil groups (G1, G2, G3) of repeating wound winding units, and the phase windings (W1, W2, W3) of the repeating winding units are offset from one another in accordance with the following rule by an integer number of 2q slot pitches.
Description
Sechszonen-Einschicht-Zahnspulenwicklung Six-zone single-tooth coil winding
Beschreibung: Description:
Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für eine 3-strängige Drehfeldmaschine, die als verteilte Einschicht-Zahnspulenwicklung ausgebildet ist. The invention relates to a winding arrangement for a 3-strand induction machine, which is designed as a distributed single-layer tooth coil winding.
Umrichter gespeiste permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PM Synchron- maschinen) 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 gefertigt werden kann. Nachteilig bei Zahnspulenwicklungen ist es, dass diese ein brei tes Luftspaltfeldspektrum ausbilden, das je nach Motordesign mehr oder weniger stö rend sein kann und diese eher bei höheren Polzahlen Verwendung finden. Inverter-fed synchronous machines (PM synchronous machines) are used in a variety of technical applications. For cost reasons, PM synchronous machines are increasingly being equipped with so-called toothed coil windings. The tooth coil technology simplifies the stator structure of a PM synchronous machine and also enables a segmented stator structure, so that the stator can be manufactured in modules in a kind of modular concept. The disadvantage of toothed coil windings is that they form a broad air gap field spectrum which, depending on the motor design, can be more or less disruptive and are more likely to be used with higher numbers of poles.
Im Stand der Technik sind zu Zahnspulenwicklungen bereits unterschiedliche Wick lungskonzepte 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 Spu- lenseiten 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 the prior art, different winding concepts are already known for toothed coil windings. The publication US 20120228981 A1 sets the Redu decoration of a subharmonic in relation to the working field wave for the task and proposes a multi-layer winding consisting of at least two coil sides per slot, the number of conductors of the coil sides in a first slot being different from the number of conductors of the coil sides in a second slot, the coils are designed as tooth coils.
In der Druckschrift US 20120001512 A1 wir ein Stator mit einer doppelten Anzahl von Nuten gegenüber dem Stand der Technik vorgeschlagen. Die Spulen umschlie ßen dabei jeweils zwei Zähne. Die Spulen sind gekennzeichnet durch unterschiedli- che Windungszahlen bei gleicher Spulenweite. US 20120001512 A1 proposes a stator with a double number of slots compared to the prior art. The coils each enclose two teeth. The coils are characterized by different numbers of turns with the same coil width.
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 un- terschiedliche Anzahl von Zahnspulen tragen. Auch diese Wicklungstopologie ist für kleine Polzahlen nicht zielführend. The publication US 20140035425 A1 also deals with the reduction of unwanted top fields by means of a winding which can be produced inexpensively. A multi-layer tooth coil winding is proposed, the individual coils of a strand having different numbers of turns and the teeth carrying a different number of tooth coils. This winding topology is also not useful for small numbers of poles.
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. The two disclosures DE 20 2017 107387 U1 and DE 20 2017 107388 U1 describe so-called multi-toothed coil windings of the number of strands 2 and 3 consisting of several concentrically nested toothed coils, which, however, have a relatively small winding factor and two separate winding layers , namely a lower layer and an upper layer are marked.
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 Auswir- kung auf den Nutfüllgrad, was sich wiederum nachteilig auf die Kosten auswirkt. The double or multi-tooth coil windings known from the prior art are therefore always multi-layer windings with at least one lower and one upper layer. This results in significant disadvantages, in particular in the case of motors of small size, which consist in the fact that the introduction of the winding layers is complex on the one hand and that these windings are to be insulated from one another by additional measures. This has a negative impact on the degree of groove filling, which in turn has a negative impact on costs.
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. Another fundamental problem is the use of the tooth coil winding with low number of poles. Since toothed coil windings tend to have a higher number of pole pairs, PM synchronous motors with a low number of poles (eg 2-pole or 4-pole) for high-speed drives with the known toothed coil windings can only be implemented to a very limited extent.
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. It is therefore an object of the present invention to overcome the aforementioned disadvantages and to provide a winding topology in the form of a toothed coil winding for a 3-strand induction machine, such as, for. B. propose a 3-strand motor version before, which is inexpensive and easy to manufacture and has a larger winding factor.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst. This object is achieved by the combination of features according to claim 1.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zahnspulenwick lung mit einem spezifischen Wicklungsschema für drei Wicklungsstränge W1 , W2,A basic idea of the present invention is to develop a toothed coil winding with a specific winding scheme for three winding strands W1, W2,
W3 vorzusehen. Erfindungsgemäß ist demnach eine Drehfeldmaschine mit einem 2p-poligen Ständer mit Wickelzähnen 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 / 6 p und mit einer Polteilung tr wie folgt: tr = N / 2 p, W3 to be provided. According to the invention, a three-phase machine is therefore provided with a 2-pole stator with winding teeth and N slots, designed with a winding arrangement with distributed single-layer tooth coil winding, comprising the three winding strands, each of which is wound on coil groups of repetitive winding winding units, the winding strands of repeating winding units are staggered according to the following specification by an even number of q slot pitches, with: q = N / 6 p and with a pole pitch t r as follows: t r = N / 2 p,
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. where p is the number of pole pairs and the windings within a coil group are designed as a winding concentrically surrounding a central winding tooth. In the embodiment according to the invention, q can therefore only be carried out with an even value, ie with a value q = 4, 6, 8, ..., while the following relationship exists to the number of holes q *: q * = q / 2.
Das zuvor geschilderte technische Problem kann nach dem Gedanken der vorliegenden Erfindung demnach durch eine verteilte Einschicht-Zahnspulenwicklung, die einen 3-zonigen Wicklungsaufbau besitzt, gelöst werden. Die vorgeschlagene Dreh- feldwicklung besteht aus sich wiederholenden Wicklungseinheiten, die jeweils zwei Polteilungen bezüglich der Grundpolpaarzahl p umfassen. According to the idea of the present invention, the technical problem described above can accordingly be solved by a distributed single-layer tooth coil winding which has a 3-zone winding structure. The proposed rotating field winding consists of repeating winding units, each comprising two pole pitches with respect to the number of basic pole pairs p.
Eine Eigenschaft der bevorzugte Ausführungsform ist es, dass die Drehfeldmaschine ein Luftspaltspektrum mit den Drehfeld-Polzahlen A property of the preferred embodiment is that the induction machine has an air gap spectrum with the induction pole numbers
v/p = 1 + 6 g v / p = 1 + 6 g
mit g = 0, ±1 , ±2, ±3, ...ausbildet, wobei v/p e (... , -17, -11 , -5, 1 , 7, 13, 19, ....) ist. with g = 0, ± 1, ± 2, ± 3, ..., where v / pe (..., -17, -11, -5, 1, 7, 13, 19, ....) is.
Aufgrund der beschriebenen Wicklungssystematik wird ein Luftspaltfeldspektrum mit den genannten Drehfeld-Polpaarzahlen erregt. Wird der Nutschlitzfaktor vernachlässigt, so existieren betragsmäßig genau q verschiedene Wicklungsfaktoren, die sich zyklisch wiederholen. Due to the winding system described, an air gap field spectrum is excited with the above-mentioned rotating field pole pair numbers. If the slot factor is neglected, there are q different winding factors, which are repeated cyclically.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird durch die Wicklungsanordnung erreicht, dass das Luftspaltfeldspektrum bei der Drehfeld- Polpaarzahl |v/p| = 5 eine dominante niederpolige Spektrallinie besitzt. Demnach wird als wirksame Arbeitspolpaarzahl p* = 5 p genutzt. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the winding arrangement ensures that the air gap field spectrum at the rotating field pole pair number | v / p | = 5 has a dominant low-polar spectral line. Accordingly, p * = 5 p is used as the effective number of working poles.
Erfindungsgemäß wird demnach zur Drehmomentbildung und zum Antrieb des Ro tors, anders als im Stand der Technik über die Feldgrundwelle, bestimmungsgemäß eine Feldoberwelle mit v/p F 1 verwendet. According to the invention, a field harmonic with v / p F 1 is accordingly used for torque generation and for driving the rotor, unlike in the prior art via the field fundamental.
Es ist weiter mit Vorteil vorgesehen, dass eine 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 ge genüber dem Stand der Technik folgende Vorteile auf: a) einfacherer Wicklungsaufbau It is also advantageously provided that the direction of rotation of the rotor is changed by exchanging two phases of the three winding phases (W1, W2, W3). The distributed single-layer coil winding according to the invention accordingly has the following advantages over the prior art: a) simpler winding structure
b) kostengünstiger herstellbare Wicklung b) winding which can be produced more cost-effectively
c) größerer Wicklungsfaktors der Arbeitspolpaarzahl c) greater winding factor of the number of working poles
d) bessere Ausnutzung der Aktivteile des Motors d) better utilization of the active parts of the engine
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. Other advantageous embodiments of the invention are characterized in the dependent claims or are shown below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to the figures.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 einen Strang-Zonenplan der verteilten Zahnspulenwicklung mit Kennzeichnung der Spulenführung für den Fall q= 4 über zwei Polteilungen und Fig. 1 is a strand zone map of the distributed tooth coil winding with identification of the coil guide for the case q = 4 over two pole pitches and
Fig. 2 einen Zonenplan einer 3-strängigen verteilten Einschicht-Zahnspulen- wicklung einer sich wiederholenden Wicklungseinheit für den Fall q = 4. 2 shows a zone plan of a 3-strand distributed single-layer tooth-coil winding of a repeating winding unit for the case 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 Strang-Zonenplan der verteilten Zahnspulenwick- lung mit Kennzeichnung der Spulenführung für q = 4 (wobei x und * die jeweilige Wicklungsrichtung bzw. Bestromungsrichtung angibt). Der Wicklungsstrang ist über zwei Polteilungen verteilt. The invention is described in more detail below with reference to FIGS. 1 and 2, the same reference symbols indicating the same structural or functional features. FIG. 1 shows a strand zone plan of the distributed tooth coil winding with identification of the coil guide for q = 4 (where x and * indicate the respective winding direction or current direction). The winding strand is distributed over two pole pitches.
Dabei ist die Lochzahl q* = 2. In diesem Ausführungsbeispiel sind 24 Nuten ausge- bildet, wobei die Nuten 1 bis 4 und 13 bis 16 als eine sich wiederholende Wicklungs einheit zu verstehen ist.
In der Figur 2 ist demnach der Zonenplan einer 3-strängigen Zahnspulenwicklung einer sich wiederholenden Wicklungseinheit für den Fall q = 4 gezeigt, mit den folgenden Wicklungsfaktoren mit: v/p =1+ 6*g mit g = 0, ±1 , ±2, ±3, ... The number of holes is q * = 2. In this exemplary embodiment, 24 slots are formed, slots 1 to 4 and 13 to 16 being understood as a repeating winding unit. Accordingly, FIG. 2 shows the zone plan of a 3-strand tooth coil winding of a repeating winding unit for the case q = 4, with the following winding factors with: v / p = 1 + 6 * g with 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. If one considers the slot as negligible, there are q different winding factors in terms of amount, which are repeated cyclically, as shown in Table 1 below for q = 4.
Tabelle 1 Table 1
Wird die Wicklung bezüglich der Wicklungssystematik 2-polig entworfen, so entsteht eine 10-polige Drehfeldwicklung mit der Arbeitspolpaarzahl p* = 5 p. If the winding is designed with 2 poles in terms of the winding system, a 10-pole rotating field winding with the number of working poles p * = 5 p is created.
Der systematische Zusammenhang ist in der folgenden Tabelle 2 dargestellt: The systematic relationship is shown in Table 2 below:
Tabelle 2
Table 2
Claims
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 2q Nutteilungen versetzt angeordnet sind, mit: 1. Three-phase machine with a 2-pole stator with winding teeth (Z) and N slots, designed with a winding arrangement in distributed single-layer tooth coil technology, comprising three winding strands (W1, W2, W3), each on coil groups (G1, G2, G3) are wound from repetitive wound winding units, the winding strands (W1, W2, W3) of the repeating winding units being arranged offset from one another according to the following definition by an even number of 2q slot pitches, with:
q = N / 6 p , und mit einer Polteilung tr wie folgt: tr = N / 2 r, q = N / 6 p, and with a pole pitch t r as follows: t r = N / 2 r,
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. where p is the number of pool pairs and the repeating winding units within a coil group are designed as a winding concentrically surrounding a central winding tooth.
2. Drehfeldmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass q die 2. induction machine according to claim 1, characterized in that q the
Lochzahl mit einem Wert q = 2, 4 oder 6 darstellt. Number of holes with a value q = 2, 4 or 6.
3. Drehfeldmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Drehfeldmaschine ein Luftspaitspektrum mit den Drehfeld-Polzahlen 3. induction machine according to claim 1 or 2, characterized in that the induction machine has an air gap spectrum with the induction pole numbers
v/p = 1 + 6 g v / p = 1 + 6 g
mit g = 0, ±1 , ±2, ±3, ±4, ...ausbildet, wobei with g = 0, ± 1, ± 2, ± 3, ± 4, ..., where
v/p e (... , -17, -11 , -5, 1 , 7, 13, 19, ....) ist.
v / pe (..., -17, -11, -5, 1, 7, 13, 19, ....).
4. Drehfeldmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft spaltfeldspektrum bei der Drehfeld-Polzahl |v/p| = 5 eine dominante niederpo- lige Spektrallinie besitzt. 4. induction machine according to claim 3, characterized in that the air gap field spectrum at the number of rotating poles | v / p | = 5 has a dominant low-polar spectral line.
5. Drehfeldmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pol- paarzahl 5 p die Arbeitspolpaarzahl p* der Drehfeldmaschine darstellt. 5. induction machine according to claim 4, characterized in that the number of poles 5 p represents the number of working poles p * of the induction machine.
6. Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass zur Drehmomentbildung zum Antrieb des Rotors bestimmungsgemäß eine Feldoberwelle mit v/p F 1 verwendet wird. 6. induction machine according to one of the preceding claims, characterized in that a field harmonic with v / p F 1 is used for torque generation for driving the rotor.
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.
7. induction machine according to one of the preceding claims, characterized in that the change in the direction of rotation of the rotor is carried out by exchanging two phases of the three winding phases (W1, W2, W3).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 19739558 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 19739558 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |