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Dokumentenidentifikation DE102004058045A1 08.06.2006
Titel Elektrische Maschine mit Zahnspulenwicklung
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Grabner, Christian, Dr., 97618 Rödelmaier, DE
DE-Anmeldedatum 01.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004058045
Offenlegungstag 08.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.06.2006
IPC-Hauptklasse H02K 3/12(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die elektrische Maschine (1) hat einen Ständer (2) mit Nuten (5, 6) und Zähnen (7) und ein teilweise in den Nuten (5) eingebettetes Wicklungssystem (8). Das Wicklungssystem (8) umfasst mehrere Zahnspulen (9-12), von denen jeweils mindestens zwei konzentrisch zueinander angeordnet sind und eine Zahnspulengruppe (21, 22) bilden. Jede Zahnspule (9-12) umschließt mindestens zwei Zähne (7) und einige der Nuten (6) sind zumindest elektrisch unbelegt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Nuten und Zähne umfassenden Ständer und mit einem teilweise in den Nuten eingebetteten, mehrere Zahnspulen umfassenden Wicklungssystem.

Eine elektrische Maschine, insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine, weist in einer gängigen Ausführungsform mit einschichtigen Ganzlochwicklungen auf beiden axialen Stirnseiten des Ständers angeordnete, relativ großvolumige Wickelköpfe auf. Diese großen Wickelköpfe führen einerseits zu einem erhöhten Platzbedarf der elektrischen Maschine insgesamt und andererseits zu unerwünschten Stromwärmeverlusten.

Eine andere bekannte Ausführungsform der elektrischen Maschine hat ein auf Zahnspulen basierendes Wicklungssystem, wodurch großvolumige Wickelköpfe vermieden werden. Allerdings weist diese Ausführungsform im Betrieb eine gewisse Drehmomentwelligkeit auf, zu deren Reduzierung verschiedene Maßnahmen bekannt sind. So wird in der DE 199 61 760 A1 beschrieben, dass spezielle Wicklungsfaktoren des Wicklungssystems ebenso wie eine Schrägung der Nuten diesbezüglich hilfreich seien. Gleichfalls kann am Läufer eine schräge Anordnung der Permanentmagnete oder/und eine versetzte Magnetisierung vorgesehen sein. Diese Maßnahmen sind jedoch teils sehr aufwändig und deshalb kostenintensiv.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine elektrische Maschine der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die zugleich niedrige Stromwärmeverluste und eine niedrige Drehmomentwelligkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine handelt es sich um eine solche, die gekennzeichnet ist dadurch, dass

  • a) jeweils mindestens zwei der Zahnspulen konzentrisch zueinander angeordnet sind und eine Zahnspulengruppe bilden,
  • b) jede Zahnspule mindestens zwei Zähne umschließt, und
  • c) einige der Nuten zumindest elektrisch unbelegt sind.

Aufgrund der Verwendung von Zahnspulen weist die erfindungsgemäße elektrische Maschine relativ kleine Wickelköpfe auf, sodass auch nur verhältnismäßig geringe Stromwärmeverluste anfallen. Im Unterschied zu elektrischen Maschinen, die ein Wicklungssystem gemäß der klassischen Zahnspulwickeltechnik aufweisen, hat die erfindungsgemäße elektrische Maschine eine deutlich höhere Nutanzahl. Dies führt unter anderem dazu, dass einige der Nuten leer bleiben und die Zahnspulen nicht wie sonst üblich nur einen Zahn, sondern mindestens zwei Zähne umschließen. Die hohe Nutanzahl bewirkt eine Unterdrückung oder zumindest eine deutliche Reduzierung des Nutrastens und damit eine geringe Drehmomentwelligkeit, ohne dass aufwändige Maßnahmen wie Schrägungen im Ständer oder Läufer erforderlich sind. Zur Erzielung der hohen Nutanzahl kann vorzugsweise auf die Ständerblechschnitte von gängigen elektrischen Maschinen mit einschichtigen Ganzlochwicklungen zurückgegriffen werden. Dies ist eine sehr preiswerte Lösung. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kombiniert also die Vorteile der Ganzlochwickeltechnik mit denen der manchmal auch als Polspulwickeltechnik bezeichneten Zahnspulwickeltechnik. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann insbesondere als Synchronmaschine, als Synchron-Reluktanzmaschine oder als Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer oder mit Schleifringläufer ausgeführt sein.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.

Günstig ist eine Variante, bei der das Wicklungssystem Einschichtwicklungen umfasst. Dann verlaufen in jeder elektrisch belegten Nut nur elektrische Leiter einer einzigen Zahnspule, sodass sich eine gute Platzausnutzung der aufgrund der hohen Nutanzahl ohnehin kleinen Nutquerschnittsfläche ergibt. Insbesondere geht kein Platz für eine zusätzliche elektrische Isolation zwischen den Leitern verschiedener Zahnspulen verloren.

Weiterhin können die zumindest elektrisch unbelegten Nuten von den Zahnspulen umschlossen sein. Sie sind insbesondere innerhalb der innersten Zahnspulen der Zahnspulengruppen angeordnet. Die Zahnspulen greifen bevorzugt nicht ineinander. Damit wird die Anzahl der sich im Bereich des Wickelkopfes kreuzenden elektrischen Leiter sehr stark reduziert, sodass eine einfache und vor allem sehr platzsparende Wickelkopf-Verschaltung resultiert.

Gemäß einer weiteren Variante sind die zumindest elektrisch unbelegten Nuten mit einem Material aufgefüllt. Dadurch werden die elektrisch unbelegten Nuten verschlossen. Während des Betriebs können sich dann keine Schmutzpartikel in diesen Nuten ablagern und die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen. Eine geeignete Wahl des Füllmaterials stellt sicher, dass die günstige Wirkung der hohen Nutanzahl unverändert erhalten bleibt. Das Material ist insbesondere elektrisch isolierend. Bevorzugt ist ein Auffüllen mit einem magnetischen Material, wie beispielsweise gesintertem Eisenpulver. Grundsätzlich kann jedoch auch ein unmagnetischer Stoff eingebracht werden.

Vorzugsweise enthält das Wicklungssystem weiterhin zumindest auf einer axialen Stirnseite des Ständers einen Wickelkopf und die konzentrischen Zahnspulen jeder Zahnspulengruppe sind im Bereich des Wickelkopfs jeweils in Reihe geschaltet. Damit ergibt sich eine geteilte Zahnspulwicklung. Ihre Wirkung ist trotz der nur kleineren verfügbaren Nutquerschnittsflächen vergleichbar der der klassischen Zahnspulwickeltechnik mit den ungeteilten Zahnspulen.

Bei einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Wicklungssystem mehrere, vorzugsweise drei, Wicklungsstränge. Ihnen ist insbesondere jeweils ein gleicher Anteil der Zahnspulen und der Zahnspulengruppen zugeordnet. Es resultiert ein günstige Magnetfeldverteilung im Luftspalt zwischen Ständer und Läufer, sodass eine gleichmäßige Antriebswirkung erzielt wird.

Günstig ist weiterhin eine Variante, bei der die Zahnspulengruppen der jeweiligen Wicklungsstränge in Umfangsrichtung in zyklisch abwechselnder Reihenfolge angeordnet sind. Dann stellt sich im Luftspalt eine Magnetfeldverteilung mit Feldanteilen ein, die entsprechend der Stranganzahl und der Pol-paarzahl in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind.

Vorzugsweise ist die elektrische Maschine eine permanenterregte Maschine, bei der ein Läufer mit Permanentmagneten ausgestattet ist. Permanenterregte Maschine, insbesondere permanenterregte Synchronmaschinen wie Synchronmotoren, sind heute oftmals Massenprodukte, die eine kleine Baugröße haben. Die erfindungsgemäß eingesetzten platzsparenden Zahnspulen tragen dem Rechnung. Die darüber hinaus erzielbare niedrige Drehmomentwelligkeit bietet einen Kostenvorteil, der gerade bei Massenprodukten besondere Relevanz hat.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt:

1 eine elektrische Maschine mit einer geteilten Zahnspulwicklung im Querschnitt und

2 ein Wicklungsschema der elektrischen Maschine von 1.

Einander entsprechende Teile sind in den 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen versehen.

In 1 ist eine als permanenterregter Synchronmotor ausgebildete elektrische Maschine 1 in Querschnittsdarstellung gezeigt. Sie enthält einen Ständer 2 sowie einen Läufer 3, der um eine Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Der Läufer 3 ist ein Innenläufer und mit nicht näher dargestellten Permanentmagneten versehen. Der Ständer 2 enthält an seiner dem Läufer 3 zugewandten inneren Wandung mehrere, im Ausführungsbeispiel von 1 insgesamt sechsunddreißig, gleichmäßig über den Umfang verteilte Nuten 5 und 6, zwischen denen jeweils Zähne 7 gebildet sind. Ein außen umlaufendes Joch verbindet die Zähne 7 miteinander. Elektrische Leiter eines dreisträngigen Wicklungssystems 8 sind in den Nuten 5 angeordnet.

Details des Wicklungssystems 8 gehen aus dem vereinfachten Wicklungsschema gemäß 2 hervor. Das Wicklungssystem 8 umfasst insgesamt zwölf Zahnspulen 9 bis 20, von denen jeweils zwei konzentrisch zueinander angeordnet sind und eine von sechs Zahnspulengruppen 21 bis 26 bilden. Die innere Zahnspule jeder der Zahnspulengruppen 21 bis 26 umschließt im Ausführungsbeispiel drei der Zähne 7, die äußere Zahnspule dagegen fünf. Die konzentrische Anordnung bewirkt, dass die zentralen drei Zähne 7 sowohl von der inneren als auch von der äußeren Zahnspule der jeweiligen Zahnspulengruppe 21 bis 26 umschlossen werden.

Aus Gründen einer besseren Übersichtlichkeit sind in die Querschnittsdarstellung gemäß 1 nur die erste und die zweite Zahnspulengruppe 21 bzw. 22 mit den Zahnspulen 9 und 10 bzw. 11 und 12 eingezeichnet.

Die Zahnspulen 9 bis 12 sind wie auch die anderen Zahnspulen 13 bis 20 einschichtig ausgebildet. Die elektrischen Leiter der jeweiligen Zahnspulenwindungen füllen die Nuten 5, in denen sie verlegt sind, im Wesentlichen vollständig aus.

Jede der Zahnspulen 9 bis 20 umschließt zwei Nuten 6, die elektrisch unbelegt sind, d.h. in denen sich keine elektrischen Leiter des Wicklungssystems 8 befinden. Es ergeben sich also insgesamt zwölf derartige elektrisch unbelegte Nuten 6, die im Ausführungsbeispiel komplett frei bleiben. Bei Bedarf können diese zwölf Nuten 6 aber auch mit einem geeigneten Material aufgefüllt sein.

Wie in 2 angedeutet ist in axialer Richtung, also in Richtung der Drehachse 4, auf beiden Stirnseiten des eigentlichen aktiven Teils des Ständers 2 jeweils ein Bereich für einen Wickelkopf 27 und 28 vorgesehen. Während im Bereich des Wickelkopfes 27 lediglich die Leiter der Zahnspulenwindungen umgelenkt werden, erfolgt im Bereich des Wickelkopfs 28 auch eine elektrische Zusammenschaltung der Zahnspulen 9 bis 20. Dennoch sind beide Wickelköpfe 27 und 28 in etwa gleich groß.

So sind die innere und äußere Zahnspule jeder der Zahnspulengruppen 21 bis 26 im Bereich des Wickelkopfs 28 elektrisch in Serie geschaltet, sodass jede der Zahnspulengruppen 21 bis 26 auch als eine einzige übergeordnete geteilte Zahnspule aufgefasst werden kann. Außerdem sind die erste und die zweite Zahnspulengruppe 21 bzw. 22 in Reihe geschaltet. Sie bilden einen ersten Wicklungsstrang 29, der zwei Zuleitungen 30 und 31 aufweist. Entsprechend sind die dritte und die vierte Zahnspulengruppe 23 bzw. 24 in Reihe geschaltet zu einem zweiten Wicklungsstrang 32 mit zwei Zuleitungen 33 und 34. Die Reihenschaltung der fünften und der sechsten Zahnspulengruppe 25 bzw. 26 bildet einen dritten Wicklungsstrang 35 mit zwei Zuleitungen 36 und 37.

Unter Berücksichtigung der in 2 zusätzlich eingetragenen durchgehenden Nummerierung der Nuten 5 und 6 ergibt sich für das Wicklungssystem 8 mit den drei Wicklungssträngen 29, 32 und 35 folgender Aufbau:

Der erste Wicklungsstrang 29 enthält die erste Zahnspulengruppe 21 mit der ersten und der zweiten Zahnspule 9 bzw. 10, deren Leiter in der ersten und vierunddreißigsten bzw. in der zweiten und dreiunddreißigsten Nut 5 verlaufen, und die zweite Zahnspulengruppe 22 mit der dritten und der vierten Zahnspule 11 bzw. 12, deren Leiter in der sechzehnten und neunzehnten bzw. in der fünfzehnten und zwanzigsten Nut 5 verlaufen. Der zweite Wicklungsstrang 32 enthält die dritte Zahnspulengruppe 23 mit der fünften und der sechsten Zahnspule 13 bzw. 14, deren Leiter in der achtundzwanzigsten und einunddreißigsten bzw. in der siebenundzwanzigsten und zweiunddreißigsten Nut 5 verlaufen, und die vierte Zahnspulengruppe 24 mit der siebten und der achten Zahnspule 15 bzw. 16, deren Leiter in der zehnten und dreizehnten bzw. in der neunten und vierzehnten Nut 5 verlaufen. Der dritte Wicklungsstrang 35 enthält die fünfte Zahnspulengruppe 25 mit der neunten und der zehnten Zahnspule 17 bzw. 18, deren Leiter in der zweiundzwanzigsten und fünfundzwanzigsten bzw. in der einundzwanzigsten und sechsundzwanzigsten Nut 5 verlaufen, und die sechste Zahnspulengruppe 26 mit der elften und der zwölften Zahnspule 19 bzw. 20, deren Leiter in der vierten und siebten bzw. in der dritten und achten Nut 5 verlaufen.

Für den Ständer 2 der elektrischen Maschine 1 kommt der gleiche Blechschnitt zum Einsatz wie bei einer gängigen elektrischen Maschine, die mittels einer einschichtigen Ganzlochwicklung realisiert ist. Bei einer derartigen gängigen elektrischen Maschine ergibt sich eine Nutanzahl N von sechsunddreißig aus der Beziehung: N = 2·p·q·m(1) wobei mit p eine Polpaarzahl, die den Wert zwei annimmt, mit q eine Lochzahl, die den Wert drei annimmt, und mit m eine Stranganzahl, die den Wert drei aufweist, bezeichnet ist.

Eine andere ebenfalls gängige elektrische Maschine, die mittels der klassischen Zahnspulwicklung realisiert ist, hat demgegenüber eine deutlich niedrigere Nutanzahl N. Gleichung (1) liefert einen Wert von nur sechs. Während die Polpaarzahl p mit dem Wert zwei und die Stranganzahl m mit dem Wert drei unverändert sind, hat die Lochzahl q einen Wert von ½. Dadurch kommt die niedrige Nutanzahl N von sechs zustande.

Die elektrische Maschine 1 ist in gewisser Hinsicht aus den beiden genannten gängigen Typen abgeleitet. Zum einen wird die hohe Anzahl aller Nuten 5 und 6 von sechsunddreißig beibehalten. Zum anderen kommen Zahnspulen 9 bis 20 zum Einsatz. Der Wert der Stranganzahl m und der Polpaarzahl p liegt unverändert bei drei bzw. bei zwei. Berücksichtigt man, dass von den sechsunddreißig vorhandenen Nuten 5 und 6 nur die vierundzwanzig Nuten 5 mit elektrischen Leitern der Zahnspulen 9 bis 20 belegt sind, lässt sich aus Gleichung (1) eine fiktive Lochzahl q mit einem Wert von zwei ermitteln. Dies entspricht gerade dem Kehrwert der Lochzahl q, die für die gängige elektrische Maschine mit der klassischen Zahnspulwicklung gilt.

Das Wicklungssystem 8 der elektrischen Maschine 1 bietet die unter Fertigungsgesichtspunkten günstige Möglichkeit, Zahnspulen 9 bis 20 einzusetzen und zugleich auf eine ansonsten übliche aufwändige Schrägung oder Staffelung der Nuten 5 und 6 oder der Permanentmagnete zu verzichten. Trotzdem resultiert aufgrund der relativ hohen Nutanzahl N eine sehr niedrige Drehmomentwelligkeit. Insbesondere unterdrückt das Wicklungssystem 8 das Nutrasten. Insgesamt ergibt sich eine einfach und preiswert herzustellende elektrische Maschine 1.


Anspruch[de]
  1. Elektrische Maschine mit einem Nuten (5, 6) und Zähne (7) umfassenden Ständer (2) und mit einem teilweise in den Nuten (5) eingebetteten, mehrere Zahnspulen (920) umfassenden Wicklungssystem (8), dadurch gekennzeichnet, dass

    a) jeweils mindestens zwei der Zahnspulen (920) konzentrisch zueinander angeordnet sind und eine Zahnspulengruppe (21-26) bilden,

    b) jede Zahnspule (920) mindestens zwei Zähne (7) umschließt, und

    c) einige der Nuten (6) zumindest elektrisch unbelegt sind.
  2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wicklungssystem (8) Einschichtwicklungen umfasst.
  3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest elektrisch unbelegten Nuten (6) von den Zahnspulen (920) umschlossen sind.
  4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest elektrisch unbelegten Nuten (6) mit einem Material aufgefüllt ist.
  5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wicklungssystem (8) zumindest auf einer axialen Stirnseite des Ständers einen Wickelkopf (27,28) enthält und die konzentrischen Zahnspulen (920) jeder Zahnspulengruppe (2126) im Bereich des Wickelkopfs (28) jeweils in Reihe geschaltet sind.
  6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wicklungssystem (8) mehrere, vorzugsweise drei, Wicklungsstränge (29,32,35), denen jeweils ein gleicher Anteil der Zahnspulen (920) und der Zahnspulengruppen (2126) zugeordnet ist, umfasst.
  7. Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnspulengruppen (216) der jeweiligen Wicklungsstränge (29,32,35) in Umfangsrichtung in zyklisch abwechselnder Reihenfolge angeordnet sind.
  8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Läufer (3) mit Permanentmagneten vorgesehen ist.
  9. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer (2) sechsunddreißig Nuten (5,6) und das Wicklungssystem (8) drei Wicklungsstränge (29,32,35) umfasst sowie eine Polpaarzahl von zwei vorgesehen ist, wobei

    a) der erste Wicklungsstrang (29)

    – eine erste Zahnspulengruppe (21) mit einer ersten und einer zweiten Zahnspule (9,10), deren Leiter in der ersten und vierunddreißigsten bzw. in der zweiten und dreiunddreißigsten Nut (5) verlaufen, und

    – eine zweite Zahnspulengruppe (22) mit einer dritten und einer vierten Zahnspule (11,12), deren Leiter in der sechzehnten und neunzehnten bzw. in der fünfzehnten und zwanzigsten Nut (5) verlaufen, enthält,

    b) der zweite Wicklungsstrang (32)

    – eine dritte Zahnspulengruppe (23) mit einer fünften und einer sechsten Zahnspule (13,14), deren Leiter in der achtundzwanzigsten und einunddreißigsten bzw. in der siebenundzwanzigsten und zweiunddreißigsten Nut (5) verlaufen, und

    – eine vierte Zahnspulengruppe (24) mit einer siebten und einer achten Zahnspule (15,16), deren Leiter in der zehnten und dreizehnten bzw. in der neunten und vierzehnten Nut (5) verlaufen, enthält und

    c) der dritte Wicklungsstrang (35)

    – eine fünfte Zahnspulengruppe (25) mit einer neunten und einer zehnten Zahnspule (17,18), deren Leiter in der zweiundzwanzigsten und fünfundzwanzigsten bzw. in der einundzwanzigsten und sechsundzwanzigsten Nut (5) verlaufen, und

    – eine sechste Zahnspulengruppe (26) mit einer elften und einer zwölften Zahnspule (19,20), deren Leiter in der vierten und siebten bzw. in der dritten und achten Nut (5) verlaufen, enthält.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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