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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Asynchronmaschinen, insbesondere Asynchronmaschinen für besondere Anforderungen an die Ausfallsicherheit. Die Erfindung betrifft insbesondere Maßnahmen zum Reduzieren eines Bremsmoments der Asynchronmaschine bei Auftreten eines Fehlers, insbesondere eines Fehlers, bei dem ein Spulenstrang nicht stromlos geschaltet werden kann.
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Technischer Hintergrund
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Für Elektromotoren, die als Antriebe in sicherheitsrelevanten Anwendungen eingesetzt werden, wird eine erhöhte Ausfallsicherheit gefordert. Insbesondere sollen Elektromotoren in diesen Anwendungen bei einem Fehler für eine bestimmte Zeit unter Umständen – ggfs. mit geringerer Leistung – weiterbetrieben werden.
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Beispielsweise ist bei einem Einsatz von Elektromotoren als Lenkunterstützungsantriebe in Kraftfahrzeugen bei Auftreten eines Fehlerfalls als ein sicherer Zustand gefordert, dass die Lenkfähigkeit des Kraftfahrzeugs durch den Fahrer auch nach dem Auftreten dieses Fehlerfalls sichergestellt ist. Dies ist gewährleistet, wenn das Lenksystem keine unzulässigen Grenzmomente ausübt, die der Fahrer durch Ausüben eines gewöhnlichen Handlenkmoments auf das Lenkrad nicht überwinden kann.
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Eine solche Ausfallssicherheit wurde durch Verwendung von Asynchronmaschinen als Lenkunterstützungsantriebe erreicht, da diese im abgeschalteten Zustand keine Bremsmomente erzeugen.
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Bei automatisiertem Fahren, d.h. bei einem Einsatz eines Elektromotors als Lenkantrieb, kann bei einem Fehler in dem Lenkmotor die Lenkung vollständig ausfallen. Dies ist nicht akzeptabel, da ein Fahrereingriff in der Regel zum Zeitpunkt des Ausfalls nicht vorliegt. Daher sind hierfür redundante Systeme vorgesehen, bei denen der Lenkantrieb beispielsweise mit mehreren Elektromotoren vorgesehen wird, um bei Ausfall eines der Elektromotoren einen weiteren Betrieb des Lenkantriebs mit Hilfe eines übrigen Elektromotors zu ermöglichen.
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Bei heute eingesetzten Antrieben für eine elektrisch unterstützte Lenkung kommen Asynchronmaschinen und Synchronmaschinen zum Einsatz. Bei Asynchronmaschinen besteht der Vorteil, dass diese im Fehlerfall abgeschaltet werden können, um dann auch bei Kurzschlüssen innerhalb der Statorwicklung der Asynchronmaschine keine Bremsmomente zu erzeugen. Nach dem Abschalten entmagnetisiert die elektrische Maschine schnell und stellt dann nur noch eine passive Drehmasse dar.
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Im Gegensatz dazu behalten permanentmagnetisch erregte Maschinen (Synchronmaschinen) durch die Erregermagnete auch im abgeschalteten Zustand das magnetische Feld. Dadurch wird bei der Rotation der Permanentmagnete in der Statorwicklung eine Spannung induziert, die in einer durch Kurzschlüsse erzeugten nicht trennbaren Ringwicklung zu einem Stromfluss und dadurch aufgrund wechselwirkender Magnetfelder zu bremsenden Momenten führt.
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Redundante Antriebe können durch mehrere magnetisch getrennte elektrische Maschinen realisiert werden. Dies ist jedoch aufwändig. Alternativ kann ein redundanter Antrieb auch durch mehrere elektrisch voneinander getrennte Teilwicklungen in einer elektrischen Maschine realisiert sein.
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Bei Asynchronmaschinen kann bei gemeinsamer Nutzung des magnetischen Kreises eine Kopplung zwischen den beiden Systemen über den gemeinsamen Rotorpunkt entstehen. Diese Kopplung führt bei einer Asynchronmaschine zu einer induzierten Spannung in einem aufgrund eines Fehlers abgeschalteten Teilsystem, da das funktionsfähige Teilsystem die elektrische Maschine magnetisiert und diese über den sich bewegenden Rotor in das abgeschaltete Teilsystem eingetragen wird.
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Die Druckschrift
Munoz A. R., "Dual stator winding induction machine drive", IEEE Transactions on Industry Applications, Volume 36, Nr. 5, September/Oktober 2000 offenbart eine Asynchronmaschine mit zwei Statorteilwicklungen, die ein Verhältnis ihrer jeweiligen Polzahlen von 12:4 aufweisen. Es kann zwar bei diesem Polzahlverhältnis eine direkte Kopplung über die magnetische Grundwelle in eine abgeschaltete Teilwicklung vermieden werden, jedoch erfolgt eine Kopplung über die dritte Oberwelle der magnetischen Anregung, was insbesondere bei Windungsschlüssen der Teilwicklungen mit der kleineren Polzahl zu einer vollständigen Kopplung des Kurzschlusskreises mit der höherpoligen Induktionswelle führen kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Asynchronmaschine mit mehreren Teilwicklungen zur Verfügung zu stellen, bei der im Fehlerfall die beiden Teilwicklungen voneinander entkoppelt sind. Insbesondere soll so in einem Fehlerfall jede Teilwicklung abgeschaltet werden können, ohne dass in einen etwaigen nicht abschaltbaren Kurzschlusskreis der abzuschaltenden Teilwicklung eine Spannung aufgrund eines weiteren Betriebs der anderen funktionsfähigen Teilwicklung induziert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Asynchronmaschine mit mehreren Teilwicklungen gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß einem Aspekt ist eine Asynchronmaschine vorgesehen, umfassend:
- – einen Rotor mit mindestens einer Kurzschlusswicklung;
- – einen Stator mit mehreren, insbesondere zwei Teilwicklungen,
wobei die Teilwicklungen verschiedene Polzahlen aufweisen, die so gewählt sind, dass durch den Betrieb einer der Teilwicklungen kein Stromfluss in einer anderen der Teilwicklungen bewirkt wird.
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Eine Idee der obigen Asynchronmaschine besteht darin, diese mit mehreren Teilwicklungen am Stator zu versehen, wobei die Teilwicklungen mit verschiedenen Polzahlen ausgebildet sind. Dies ist möglich, da bei Asynchronmaschinen der Rotor nicht mit einer festgelegten Anordnung von Permanentmagneten und dadurch von Rotorpolen ausgebildet ist, sondern im Wesentlichen aus kurzgeschlossenen Windungen, zum Beispiel in Form eines Rotorkäfigs besteht. Beim Betrieb der Teilwicklungen bilden sich entsprechend der durch die Statorkonfiguration vorgegebenen Polzahl die Rotorpole am Rotor entsprechend aus. Aufgrund der unterschiedlichen Polzahlen der Teilwicklungen führt ein Fehlerfall in einer der Teilwicklungen, bei dem ein nicht abschaltbarer Kurzschlusskreis gebildet ist, und das durch den weiteren Betrieb der funktionsfähigen Teilwicklung erzeugte Rotor-Magnetfeld, das auf die abgeschaltete Teilwicklung einwirkt, nicht zu einer Induktion einer Spannung bzw. zur Erzeugung eines resultierenden Stromes in der abgeschalteten Teilwicklung. Insbesondere heben sich die in die einzelnen Spulenseiten der abgeschalteten Teilwicklung induzierten Spannungen gegenseitig auf, so dass kein Strom durch den Kurzschlusskreis fließen kann.
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Weiterhin können die Teilwicklungen mit verschiedenen Lochzahlen gewickelt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann jede der Teilwicklungen als Schleifenwicklung oder Wellenwicklung vorgesehen sein.
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Weiterhin können die Polpaarzahlen aller Teilwicklungen, die der Hälfte der Polzahlen entsprechen, entweder geradzahlig oder ungeradzahlig sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Polzahlen der Teilwicklungen ein Verhältnis von zwei aufweisen, wobei insbesondere eine der Teilwicklungen mit der Polzahl von 4 und eine weitere der Teilwicklungen mit einer Polzahl von 8 ausgebildet sind.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die betreffenden Teilwicklungen in Sternschaltung verschaltet sind, wenn das Verhältnis der Polzahlen drei beträgt.
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Insbesondere kann bei einer Lochzahl von größer 1 mehrere Spulen einer Spulengruppe einer ersten der Teilwicklungen mit einem Abstand von zwei oder mehr als zwei Statornuten zueinander angeordnet werden, so dass Spulenseiten von Spulen einer zweiten der Teilwicklungen durch eine der nicht von der ersten Teilwicklung belegten Statornuten verlaufen, welche zwischen den Spulenseiten der Spulen der betreffenden Spulengruppe der ersten Teilwicklung angeordnet sind.
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Weiterhin können die Teilwicklungen zueinander um eine oder mehrere Statornuten versetzt angeordnet sein.
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Die Teilwicklungen können dreiphasig ausgebildet sein. Insbesondere können die Teilwicklungen mit einer Sehnung ausgebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann in einer Statornut, in der Spulenseiten von Spulen verschiedener Teilwicklungen angeordnet sind, die Spulenseite derjenigen Teilwicklung, die die größere Polzahl aufweist, näher einem Luftspalt zum Rotor angeordnet sein.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems für eine Asynchronmaschine mit zwei Teilwicklungen, die über getrennte Treiberschaltungen angesteuert werden; und
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2a–2c Darstellungen der Teilwicklungen an einem Stator mit 48 Nuten, wobei eine vierpolige Teilwicklung, eine achtpolige Teilwicklung und die Überlagerung der vierpoligen Teilwicklung und achtpoligen Teilwicklung dargestellt werden; und
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3a–3c Darstellungen der Teilwicklungen an einem Stator mit 48 Nuten, wobei eine vierpolige Teilwicklung, eine achtpolige Teilwicklung und die Überlagerung der vierpoligen Teilwicklung und achtpoligen Teilwicklung dargestellt werden.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt schematisch ein Motorsystem 1 mit einer elektrischen Maschine 2, die als Asynchronmaschine ausgebildet ist. Die Asynchronmaschine 2 weist einen Stator mit einer Anzahl von Statornuten 24 auf, die mit zwei voneinander unabhängigen Teilwicklungen 21, 22 bewickelt ist. Eine erste Teilwicklung 21 ist so in den Statornuten 24 angeordnet, dass die erste Teilwicklung 21 eine erste Polzahl aufweist, während eine zweite Teilwicklung 22 so in den Statornuten 24 angeordnet ist, dass diese eine zweite von der ersten verschiedene Polzahl aufweist.
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Im vorliegenden Fall ist eine dreiphasige elektrische Maschine 2 dargestellt, die durch zwei Teilwicklungen 21, 22 realisiert ist. Im Prinzip können auch mehr als zwei voneinander unabhängige Teilwicklungen vorgesehen werden. Jede der Teilwicklungen 21, 22 wird durch eine entsprechende Treiberschaltung 31, 32 angesteuert, wobei jede der Treiberschaltungen 31, 32 mit Hilfe eines geeigneten Kommutierungsschemas betrieben wird. Die Treiberschaltungen 31, 32 können für jede der Phasen jeder Teilwicklung 21, 22 eine Inverterschaltung aufweisen, deren Halbleiterschalter 33 durch eine jeweilige Steuereinheit 41, 42 in geeigneter Weise angesteuert werden, um die Teilwicklungen 21, 22 der elektrischen Maschine 2 zu betreiben.
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Die Steuereinheiten 41, 42 können ausgebildet sein, die Treiberschaltungen 31, 32 gemäß einem Blockkommutierungsschema oder einem Sinuskommutierungsschema anzusteuern. Die Treiberschaltungen 31, 32 können durch die jeweilige Steuereinheit 41, 42 bei verschiedenen Ansteuerfrequenzen betrieben werden und unterschiedliche Schlupfe aufweisen.
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Der Asynchronmotor 2 weist weiterhin einen Rotor 23 auf, der mit Hilfe von Kurzschlusswicklungen aufgebaut ist. Insbesondere kann der Rotor 23 einen Läuferkäfig 25 aufweisen, bei dem miteinander stirnseitig kurzgeschlossene, axial verlaufende Leiter 26 angeordnet sind. Die Leiter 26 können voneinander in Umfangsrichtung gleichförmig beabstandet sein.
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Da die beiden Teilwicklungen 21, 22 mit verschiedenen Polzahlen aufgebaut sind, werden beim normalen Betrieb der elektrischen Maschine 2 durch die jeweils in die Kurzschlusswicklungen des Rotors 23 eingebrachten Rotorringströme und die daraus resultierenden Magnetfelder magnetische Wellen mit verschiedenen Wellenlängen erzeugt. Da der Rotor 23 jedoch auf beide Grundwellen der magnetischen Wellen reagiert, stellt jede der Teilwicklungen 21, 22 ein separates Teilmoment zur Verfügung. Die von einer Teilwicklung 21, 22 bei ihrer Bestromung in den Rotor 23 induzierte Spannung führt lediglich zu Magnetfeldern, die in der jeweils anderen Teilwicklung 21, 22 nicht zu einer Spannungsinduktion und zu einem Ringstrom in einem kurzgeschlossenen Wicklungszweig führen kann.
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Die Teilwicklungen 21, 22 können in verschiedenen Wicklungstechniken, wie beispielsweise Einziehtechnik, Stecktechnik und dergleichen, ausgebildet werden. Die Teilwicklungen 21, 22 können gesehnt oder nicht gesehnt vorgesehen sein.
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In den nachfolgenden Figuren sind der Einfachheit halber jeweils nur die Wicklungen einer Phase für beide Teilsysteme 21, 22 dargestellt. Die Teilwicklungen 21, 22 können jedoch mehrere, insbesondere drei Phasenwicklungsteile aufweisen, die zueinander versetzt, insbesondere bei 3 Phasen um 120°, angeordnet sind. Beispielhaft werden die Teilwicklungen 21, 22 anhand eines Stators mit 48 Nuten dargestellt, es lassen sich jedoch auch Teilwicklungen 21, 22 in bekannter Weise mit anderen Nutzahlen des Stators realisieren. Hierzu zählen auch Teilwicklungen mit so genannten Bruchlochwicklungen.
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In den 2a bis 2c ist ein Beispiel für eine elektrische Maschine 1 mit zwei Teilwicklungen 21, 22 mit den Polpaarzahlen 4 und 8 dargestellt. Die 2a–2c zeigen schematisch die Wicklungsschemata des Stators in langgestreckter Darstellung. In 2a ist die erste Teilwicklung 21 mit der Polzahl von 4 in einem Stator mit 48 Statornuten schematisch dargestellt. Die Lochzahl der ersten Teilwicklung entspricht 2. Die Lochzahl entspricht der Anzahl der Statornuten pro Polzahl und Wicklungsstrang der Teilwicklung. Die erste Teilwicklung 21 kann als Schleifenwicklung ausgeführt sein. In 2b ist die erste Teilwicklung 21 mit der Polzahl von 8 in einem Stator mit 48 Statornuten schematisch dargestellt. Die Lochzahl der zweiten Teilwicklung 22 entspricht eins. Die zweite Teilwicklung 22 kann als Wellenwicklung ausgeführt sein. In 2c ist die Überlagerung der beiden Teilwicklungen 21, 22 der elektrischen Maschine der 2a und 2b dargestellt.
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Man erkennt, dass die erste Teilwicklung 21 vier (= Anzahl der Statornuten / Polzahl) um den Umfang des Stators angeordnete Spulengruppen 52 mit jeweils zwei Spulen 51 aufweist. Die Spulen 51 jeder Spulengruppe 52 sind um zwei Statornuten versetzt zueinander angeordnet. Mit anderen Worten sind die der jeweils gleichen Stromrichtung zugeordneten Spulenseiten der Spulen 51 einer Spulengruppe 52 durch um zwei Statornuten versetzt zueinander angeordnete Statornuten geführt.
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Die zweite Teilwicklung 21 umfasst zwei zueinander um sechs Statornuten versetzte Spulenanordnungen 53 mit jeweils vier Spulengruppen 52, die um den Umfang des Stators angeordnet sind. Die Spulengruppen 52 umfassen in Wellenform vier seriell verschaltete Spulenschleifen 54.
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Die Spulen 51 der beiden Teilwicklungen 21, 22 lassen sich so über die Statornuten verteilen, dass Spulenseiten von beiden Teilwicklungen 21, 22 in derselben Statornut angeordnet sind. Alternativ können wie in 2c gezeigt die Teilwicklungen 21, 22 zueinander um eine oder mehrere Statornuten 24 versetzt angeordnet werden, wie z.B. um eine Statornut versetzt.
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Insbesondere können bei einer Lochzahl von größer 1 Spulen 51 einer Spulengruppe 52 mit einem Abstand von zwei oder mehr als zwei Statornuten 24 zueinander angeordnet werden, so dass Spulenseiten der zweiten Teilwicklung 22 durch eine der nicht von der ersten Teilwicklung 21 belegten Statornuten, die zwischen den Spulenseiten der Spulen 51 einer Spulengruppe 52 der ersten Teilwicklung 21 angeordnet sind, verlaufen können.
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Die Lochzahl jeder der Teilwicklungen 21, 22 kann im Wesentlichen beliebig gewählt werden, und es können auch Teilwicklungen 21, 22 mit von dem obigen Beispiel verschiedenen Lochzahlen kombiniert werden.
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Insgesamt soll angestrebt werden, dass ein Wicklungsfaktor ξ einer der Teilwicklungen 21, 22 betreffend (für) die anderen Teilwicklungen 21, 22 zu null wird und umgekehrt. Dann sind die Teilwicklungen 21, 22 entkoppelt, und die Grundwellen und Oberwellen der beiden durch die Teilwicklungen 21, 22 gebildeten Teilsysteme erzeugen keine Spannung im jeweils durch die andere Teilwicklung 21, 22 gebildeten Teilsystem.
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Für die in
2a und
2b gezeigten ersten und zweiten Teilwicklungen
21,
22 ergeben sich folgende Wicklungsfaktoren ξ zu anderen Teilwicklungen mit der im Index angegebenen Polpaarzahl:
| Erste Teilwicklung | Zweite Teilwicklung |
| ξ2: 96,59 % | ξ2: 0 % |
| ξ4: 0% | ξ4: 100% |
| ξ6: 70,71% | ξ6: 0% |
| ξ8: 0% | ξ8: 0% |
| ξ10: 25,88% | ξ10: 0% |
| ξ12: 0% | ξ12: 100% |
| ξ14: 25,88% | ξ14: 0% |
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Die Wicklungsfaktoren geben in Prozent an, in welchem Maß eine Teilwicklung mit Feldwelle der jeweiligen im Index angegebenen Polpaarzahl verkoppelt ist. So sind beispielsweise bei Teilwicklungen mit geradzahligen Polpaarzahlen (halbe Polzahl) für ungeradzahlige Oberwellen gleich null.
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Alternativ können, wie in den 3a gezeigt, bei der ersten Teilwicklung 21 die Spulen 51 einer Spulengruppe in unmittelbar benachbarten Statornuten angeordnet sein. Mit anderen Worten sind die der jeweils gleichen Stromrichtung zugeordneten Spulenseiten der Spulen 51 einer Spulengruppe 52 durch unmittelbar zueinander benachbarte Statornuten geführt. Das Wicklungsschema der 3b ist zu dem in 2b gezeigten identisch. 3c zeigt die Überlagerung der beiden Teilwicklungen 21, 22 der elektrischen Maschine der 3a und 3b.
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Für die in
3a und
3b gezeigten ersten und zweiten Teilwicklungen
21,
22 ergeben sich folgende Wicklungsfaktoren ξ:
| Erste Teilwicklung | Zweite Teilwicklung |
| ξ2: 99,14 % | ξ2: 0 % |
| ξ4: 0% | ξ4: 100% |
| ξ6: 92,39% | ξ6: 0% |
| ξ8: 0% | ξ8: 0% |
| ξ10: 79,34% | ξ10: 0% |
| ξ12: 0% | ξ12: 100% |
| ξ14: 60,88% | ξ14: 0% |
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Insbesondere wird bei Teilwicklungen 21, 22 mit den Polzahlen 4 und 6 eine sehr starke Querkraft in der elektrischen Maschine 2 erzeugt, die zudem umlaufend ist. Somit würde diese Kraft zu einer Schüttelanregung führen und würde eine hohe Geräuschentwicklung verursachen. Allgemein wird dieser Effekt immer festgestellt, wenn die Polpaarzahlen der Teilwicklungen 21, 22 geradzahlig und ungeradzahlig sind. Daher ist es sinnvoll, die Polpaarzahl der Teilwicklungen 21, 22 entweder alle geradzahlig oder alle ungeradzahlig auszuwählen.
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Insbesondere sollte vermieden werden, dass das Polzahlverhältnis, d.h. das Verhältnis der Polzahlen zueinander, drei ist, da in diesem Fall die Teilwicklungen über die dritte Oberwelle im Luftspalt verkoppelt sind, so dass sich bei Fehlern, insbesondere Windungsschlüssen, in einer Teilwicklung Kopplungen über die dritte Oberwelle ergeben und zu Kurzschlussströmen führen können. Ist ein Verhältnis der Polzahlen in den Teilwicklungen 21, 22 von drei notwendig, so sollten die Teilwicklungen 21, 22 in Sternschaltung verschaltet sein, wodurch für die Gesamtwicklung die gegenseitige Kopplung der Teilwicklungen 21, 22 ebenfalls null wird.
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Eine besonders gute Entkopplung zwischen den Teilwicklungen 21, 22 kann erreicht werden, wenn die jeweiligen Polzahlen ein Verhältnis von zwei aufweisen. Dadurch kann das Auftreten von gemeinsamen Oberwellen beider Teilwicklungen 21, 22 im Luftspalt vollständig vermieden werden. Da hohe Polzahlen bei Asynchronmaschinen zu einem hohen Magnetisierungsbedarf führen, sollten diese möglichst gering gewählt werden, wobei eine Kombination von Polzahlen von 4 und 8 mit beliebiger Verschaltung (Stern und/oder Dreieck) bzw. von 2 und 6 in Verbindung mit einer jeweiligen Sternschaltung der Teilwicklungen 21, 22 sich als die günstige Konfiguration herausgestellt hat.
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Befinden sich Spulenseiten von Spulen 51 verschiedener Teilwicklungen 21, 22 in einer Statornut, so können diese in radialer Richtung übereinander angeordnet werden. Es ist jedoch sinnvoll, die Spulenseite derjenigen Teilwicklung 21, 22 mit der höheren Polzahl näher am Luftspalt zum Rotor 23 anzuordnen, da diese eine geringere Nutstreuung aufweist. Da Teilwicklungen mit der höheren Polzahl gegenüber Streuinduktivitäten empfindlicher sind, ist durch eine solche Anordnung die Nutstreuinduktivität geringer.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Munoz A. R., "Dual stator winding induction machine drive", IEEE Transactions on Industry Applications, Volume 36, Nr. 5, September/Oktober 2000 [0010]