DE102010063067A1

DE102010063067A1 - Optimization of DC motors in armature rewinding

Info

Publication number: DE102010063067A1
Application number: DE201010063067
Authority: DE
Inventors: Marko Herrmann; Christian Andreas Wolf Pozzo
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-06-14
Also published as: WO2012080060A2; WO2012080060A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung eines Gleichstrommotors im Rahmen einer Ankerneuwicklung. Um den Gleichstrommotor über die Optimierungspotentiale der bekannten Lösungen hinaus zu optimieren, wird bei einem derartigen Verfahren vorgeschlagen, dass bei den Wicklungen ein Kupferquerschnitt erhöht und eine Isoliermaterialdicke reduziert wird, wobei ein Wendepolfluss und eine Wicklungsgeometrie bei Beibehaltung eines Nutquerschnitts entsprechend einer Wicklungsneuberechnung derart angepasst werden, dass eine Kommutierungszeit im Vergleich zu vor der Optimierung unverändert bleibt.The invention relates to a method for optimizing a DC motor in the context of a new armature winding. In order to optimize the DC motor beyond the optimization potential of the known solutions, it is proposed in such a method that a copper cross-section is increased in the windings and an insulating material thickness is reduced, with a reversing pole flux and a winding geometry being adapted while maintaining a slot cross-section in accordance with a recalculated winding, that a commutation time remains unchanged compared to before the optimization.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung eines Gleichstrommotors im Rahmen einer Ankerneuwicklung.The invention relates to a method for optimizing a DC motor in the context of an anchor rewinding.

Ein derartiges Verfahren kommt insbesondere bei der Überholung bzw. Reparatur von Gleichstrommotoren zum Einsatz. Hierbei wird in vielen Fällen eine Neuwicklung des Ankers des Gleichstrommotors durchgeführt, wozu üblicherweise die Neuwicklung des Ankers neu berechnet wird und auch neuartige Isolationsmaterialien verwendet werden.Such a method is used in particular in the overhaul or repair of DC motors. Here, in many cases, a rewinding of the armature of the DC motor is performed, to which usually the rewinding of the armature is recalculated and new insulation materials are used.

In den meisten Fällen wird bei der Überholung bzw. Reparatur der Gleichstrommotoren die Ankerwicklung erneuert, um die Zuverlässigkeit sowie die Lebensdauer zu verlängern. Stand der Technik ist es, dabei die vorhandene Wicklung neu zu berechnen, um diese auf am markt verfügbare Isolationsmaterialien zu adaptieren, wobei Isolationsmaterial mit einer besseren Isolierklasse verwendet wird.In most cases, when overhauling or repairing the DC motors, the armature winding is renewed to extend reliability and longevity. The state of the art is thereby to recalculate the existing winding in order to adapt it to commercially available insulation materials, using insulation material with a better insulation class.

Weitere Optimierungsmöglichkeiten am Motor wie eine Verfügbarkeitssteigerung (thermische Belastbarkeit), eine Reduzierung der Verlustleistung (Energieeffizienz) und eine Optimierung des Wärmewiderstandes (Kühlung) werden bisher nicht durchgeführt.Further optimization possibilities on the engine such as an increase in availability (thermal load capacity), a reduction of the power loss (energy efficiency) and an optimization of the thermal resistance (cooling) are not yet performed.

Gleichstrommotoren, bei denen im Rahmen der Überholung zusätzlich eine Ankerwicklungserneuerung durchgeführt wird, können nur hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit und Lebensdauer optimiert werden. Die Wicklungsneuberechnung diente bisher nur der Anpassung an neue Wicklungsstandards und Wicklungsmaterialien; die Querschnitte, Abmessungen und Anordnungen der Wicklungen konnten dabei aus Gründen der magnetischen Feldänderungen und der sich damit ergebenden negativen Einflüsse auf die Kommutierung nicht umgesetzt werden. Damit konnten die Themen Verfügbarkeitssteigerung (thermische Belastbarkeit), Reduzierung der Verlustleistung (Energieeffizienz) und Optimierung des Wärmewiderstandes (Kühlung) nicht verbessert werden.DC motors, which additionally carry out an armature winding renewal as part of the overhaul, can only be optimized with regard to their reliability and service life. The winding recalculation has so far only been used to adapt to new winding standards and winding materials; The cross-sections, dimensions and arrangements of the windings could not be implemented for reasons of magnetic field changes and the resulting negative influences on the commutation. Thus, the topics availability increase (thermal capacity), reduction of power loss (energy efficiency) and optimization of thermal resistance (cooling) could not be improved.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstrommotor im Rahmen einer Ankerneuwicklung über die Optimierungspotentiale der bekannten Lösungen hinaus zu optimieren.The invention has for its object to optimize a DC motor as part of a AnchorRewinder on the optimization potential of the known solutions addition.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass bei den Wicklungen ein Kupferquerschnitt erhöht und eine Isoliermaterialdicke reduziert wird, wobei ein Wendepolfluss und eine Wicklungsgeometrie bei Beibehaltung eines Nutquerschnitts entsprechend einer Wicklungsneuberechnung derart angepasst werden, dass eine Kommutierungszeit im Vergleich zu vor der Optimierung unverändert bleibt.This object is achieved in a method of the type mentioned fact that in the windings increases a copper cross-section and a Isoliermaterialdicke is reduced, a Wendepolfluss and a winding geometry while maintaining a groove cross-section are adapted according to a winding recalculation such that a commutation time compared to before the optimization remains unchanged.

Die Kommutierung ist dabei die wichtigste Betriebseigenschaft der Gleichstrommaschine. Deshalb muss sichergestellt werden, dass nach der Neuwicklung mit Querschnittsveränderung die Stromwendung (Kommutierung) nach wie vor funktioniert. Da sich die elektrischen Betriebseigenschaften nicht verändern dürfen, müssen der Ankerstrom und die Drehzahl und somit der Wendepolfluss und die Kommutierungszeit unverändert bleiben. Für den Wendepolfluss gilt das, sofern sich das magnetische Feld nicht in der Sättigung befindet. Allerdings ändern sich durch die veränderte Geometrie der Ankerwiderstand und die Ankerinduktivität. Dabei sind die Auswirkung veränderter Induktivität zu berücksichtigen. Der Widerstand im Kommutierungskreis besteht aus dem Wicklungswiderstand R_W, den Verbindungswiderständen R_V zu den Lamellen und den Bürstenübergangswiderständen R_B1 und R_B2: R = R_W + 2·R_V + R_B1 + R_B2. The commutation is the most important operating characteristic of the DC machine. Therefore, it must be ensured that the current application (commutation) still functions after rewinding with a change in cross section. Since the electrical operating characteristics must not change, the armature current and the speed and thus the turning pole flux and the commutation time must remain unchanged. For the Wendepolfluss that applies, provided that the magnetic field is not in the saturation. However, the changed geometry changes the armature resistance and the armature inductance. The effect of modified inductance must be taken into account. The resistance in the commutation circuit consists of the winding resistance R _W , the connection resistances R _V to the lamellae and the brush contact resistances R _B1 and R _B2 : R = R _W + 2 * R _V + R _B1 + R _B2 .

Durch Analyse und Bewertung einer Gleichstrommaschine konnte überraschend festgestellt werden, dass die Dominanz der Bürstenübergangswiderstände so groß ist, dass der Einfluss des verringerten Wicklungswiderstandes zu vernachlässigen ist. Durch die Berechnung konnte ebenfalls überraschen nachgewiesen werden, dass die Induktivität der Ankerwicklung durch die leicht veränderte Geometrie ebenfalls kaum beeinflusst wird. Trotz, der geringen Beeinflussung muss bei der Inbetriebnahme der neugewickelten Maschine mit erhöhtem Kupferquerschnitt der Wendepolfluss neu eingestellt werden.By analyzing and evaluating a DC machine it was surprisingly found that the dominance of the brush contact resistances is so great that the influence of the reduced winding resistance is negligible. It was also surprisingly proven by the calculation that the inductance of the armature winding is likewise hardly affected by the slightly changed geometry. Despite the slight influence on the commissioning of the newly wound machine with increased copper cross-section of the Wendepolfluss must be readjusted.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ist die Möglichkeit zur Veränderung des Kupferquerschnitts ohne Risiko der Entstehung von Lichtbögen am Kommutator, die zur Zerstörung der Kohlebürsten und der Lamellen und damit zur Zerstörung des Motors führen, gegeben. Somit können auch die Optimierungspotentiale Verfügbarkeitssteigerung (thermische Belastbarkeit), Reduzierung der Verlustleistung (Energieeffizienz) und Optimierung des Wärmewiderstandes (Kühlung) genutzt werden.The solution according to the invention makes it possible to change the copper cross-section without the risk of arcing on the commutator, which leads to the destruction of the carbon brushes and the fins and thus to the destruction of the motor. Thus, the optimization potentials increase in availability (thermal capacity), reduction of the power loss (energy efficiency) and optimization of the thermal resistance (cooling) can be used.

In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung werden zur Anpassung des Wendepolflusses ferromagnetische Bleche durch amagnetsiche Bleche oder umgekehrt ersetzt. Die konkrete Art der Anpassung hängt dabei natürlich vom jeweiligen zu optimierenden Motor ab und ergibt sich aus der Wicklungsneuberechnung. Zum Einbau der Bleche muss dabei der Pol ausgebaut werden.In an advantageous embodiment of the embodiment, ferromagnetic sheets are replaced by amagnetic sheets or vice versa for adaptation of the turning flux. The specific type of adaptation depends, of course, on the particular motor to be optimized and results from the winding recalculation. To install the sheets while the pole must be removed.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird dabei zum Einbau der Bleche der Pol abgefräst. Auf diese Weise können auch Bleche eingesetzt werden, für die ursprünglich zwischen Pol und Stator nicht genügend Platz ist.In a further advantageous embodiment, the pole is milled to install the sheets. In this way, sheets can be used for the originally between pole and stator is not enough space.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird zur Anpassung des Wendepolflusses ein Wendepolluftspalt zum Joch hin verändert. Wichtig ist hierbei, dass der Luftspalt zum Joch und nicht zum Anker hin verändert wird, da sonst der Bereich des Wendefeldes breiter wird und das Hauptfeld beeinflusst.In a further advantageous embodiment, a turning air gap is changed towards the yoke to adapt the turning pole flow. It is important that the air gap is changed to the yoke and not to the anchor, otherwise the area of the turning field is wider and affects the main field.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigt:In the following the invention will be described and explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the figures. It shows:

1 eine Wicklung mit ursprünglichem Kupferquerschnitt vor der Optimierung und 1 a winding with original copper cross section before the optimization and

2 eine Wicklung mit erhöhtem Kupferquerschnitt. 2 a winding with increased copper cross-section.

Die Figuren zeigen zwei Wicklungen 1 mit unterschiedlichen Kupferquerschnitten 2 und derart veränderten Isoliermaterialdicken 3, dass der Gesamtquerschnitt unverändert bleibt. Die Wicklung 1 in 1 stellt dabei die ursprüngliche Wicklung 1 mit relativ kleinem Kupferquerschnitt 2 dar, bei der Wicklung 1 in 2 ist der Kupferquerschnitt 2 erfindungsgemäß erhöht und die Isoliermaterialdicke 3 entsprechend reduziert. Die hierdurch erforderliche Anpassung des Wendepolflusses und der Wicklungsgeometrie ergibt sich aus einer Wicklungsneuberechnung für jeden zu optimierenden Gleichstrommotor derart, dass die Kommutierungszeit im Vergleich zu vor der Optimierung unverändert bleibt. Somit können auch die Optimierungspotentiale Verfügbarkeitssteigerung (thermische Belastbarkeit), Reduzierung der Verlustleistung (Energieeffizienz) und Optimierung des Wärmewiderstandes (Kühlung) genutzt werden.The figures show two windings 1 with different copper cross sections 2 and such changed insulating material thicknesses 3 in that the overall cross section remains unchanged. The winding 1 in 1 puts the original winding 1 with relatively small copper cross-section 2 at the winding 1 in 2 is the copper cross section 2 increased according to the invention and the Isoliermaterialdicke 3 reduced accordingly. The adaptation of the turning pole flux and the winding geometry required thereby results from a winding recalculation for each DC motor to be optimized in such a way that the commutation time remains unchanged in comparison to before the optimization. Thus, the optimization potentials increase in availability (thermal capacity), reduction of the power loss (energy efficiency) and optimization of the thermal resistance (cooling) can be used.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Optimierung eines Gleichstrommotors im Rahmen einer Ankerneuwicklung. Um den Gleichstrommotor über die Optimierungspotentiale der bekannten Lösungen hinaus zu optimieren, wird bei einem derartigen Verfahren vorgeschlagen, dass bei den Wicklungen ein Kupferquerschnitt erhöht und eine Isoliermaterialdicke reduziert wird, wobei ein Wendepolfluss und eine Wicklungsgeometrie bei Beibehaltung eines Nutquerschnitts entsprechend einer Wicklungsneuberechnung derart angepasst werden, dass eine Kommutierungszeit im Vergleich zu vor der Optimierung unverändert bleibt.In summary, the invention relates to a method for optimizing a DC motor in the context of a Ankereuwicklung. In order to optimize the DC motor beyond the optimization potentials of the known solutions, it is proposed in such a method that a copper cross-section is increased in the windings and an insulating material thickness is reduced, with a turning pole flux and a winding geometry being adjusted while maintaining a groove cross section corresponding to a winding recalculation, that a commutation time remains unchanged compared to before the optimization.

Claims

Method for optimizing a DC motor in the context of an armature reassembly, characterized in that in the case of the windings ( 1 ) a copper cross section ( 2 ) and an insulating material thickness ( 3 ), wherein a turning pole flux and a winding geometry are adjusted while maintaining a groove cross-section according to a winding recalculation such that a commutation time remains unchanged compared to before the optimization.

Method according to claim 1, wherein ferromagnetic sheets are replaced by nonmagnetic sheets or vice versa for adaptation of the turning pole flux.

A method according to claim 2, wherein the pole is milled for installation of the sheets.

Method according to one of the preceding claims, wherein a tailing air gap is changed to the yoke to adapt the turning flux.