DE19507489A1 - Verbesserte Anordnung für elektrische Maschinen mit Fremderregung - Google Patents

Description

Es ist üblich, elektrische Maschinen mit fremd- oder permanenterregtem Läufer und mehrphasig gespeistem Stator z. B. dreiphasig mit sechs Polen und Nuten pro magnetischer Periode auszustatten und die Wicklung einer Phase auf jeweils drei Pole gleichzeitig aufzulegen. In diesem Fall werden die einzelnen Phasen um magnetisch 120° versetzt aufgebracht. Mit den oben beschriebenen Polen, die dann im Abstand 360/6 = 60° mag. angebracht sind, liegen die Phasen in den Positionen 0°, 60° (= 240°, bei Vorzeichentausch dieser Phase), 120° etc.

Nachteilig ist jedoch, daß besonders bei kleinen und/oder langsamlaufenden Maschinen mit kurzer Statorlänge bzw. kurzem Blechpaket ein schlechter Wirkungsgrad durch hohe Kupferverluste entsteht. Die hohe Zahl an Polen und Nuten und die überlappenden Wicklungen sind notwendig, um durch die Fluß-Summenbildung der drei durch die Wicklung umfaßten Statorpole der Verlauf der in der Wicklung insgesamt induzierten Spannung zu glätten, um so beispielsweise einen angenäherten Sinusverlauf in den Phasen zu erreichen. Da eine Windung stets drei Pole und zwei Nuten einschließt und damit entsprechend lang sein muß, ist dessen Innenwiderstand entsprechend hoch. Die einzelnen Phasenwicklungen müssen außerhalb des Statorpakets zudem aneinander vorbeilaufen, da eine Überschneidung nicht möglich ist. Dies resultiert in einem sog. Wickelkopf. Dieser Wickelkopf wird durch Verwendung der gängigen Einlegetechnik noch vergrößert, da sonst das Einlegen in die Nuten nicht möglich ist. Innerhalb dieses Wickelkopfes liegen die Wicklungen aller Phasen kompakt aneinander, so daß bei höheren Spannungen oder Flankensteilheiten der Phasenzuführungen (z. B. bei Umrichtern) die Isolation der verwendeten Kupferlackdrähte zudem problematisch wird.

Für langsamlaufende Antriebe optimierte Maschinen müssen daher in erster Linie die Wicklungsverluste minimieren, um höhere Wirkungsgrade zu erreichen. Ein gangbarer Weg ist, die einzelnen Betriebsphasen auf speziell dafür ausgelegte Polgruppen mit kompakt ausgeführten Statorpolen zu konzentrieren, wie bei den sog. Bruchlochmaschinen (vgl. EPPS 0159005, elektrisch gesteuerter Elektromotor). Hier ist innerhalb einer Polgruppe, bestehend aus einer gewissen Anzahl von einzelnen Statorpolen, eine gleiche Anzahl von Läuferpolen zugeordnet. Innerhalb einer Polgruppe ist nur noch die Wicklung einer Phase zu finden. Am Ende einer Gruppe wird im Beispiel der Dreiphasenmaschine ein magnetischer 120°-Versatz eingeführt, um die Polgruppe der nächsten Phase einzuleiten.

Nachteilig ist bei dieser Maschine zunächst, daß sie nur teilweise ausgenutzt wird; als Erklärung darf dienen, daß z. B. in den Nulldurchgängen der Bestromung einer Phase die zugehörigen Statorpolgruppen inklusive den darüber befindlichen Läuferpolen nicht für die Drehmomentbildung ausgenutzt werden können. Dadurch ist ein erheblicher Mehreinsatz von Magnetmaterial bei permanenterregten Maschinen nötig. Durch den unsymmetrischen Aufbau ist zudem auch die Geräuschentwicklung der Maschine meist ein Problem. Bei äußerer Krafteinwirkung, Fertigungstoleranzen oder Verschleiß wie z. B. Lagerspiel ändert sich aus dem gleichen Grunde bereits das Eigenrastverhalten oder Selbsthaltemoment der Maschine.

Nachteilig ist bei den beschriebenen und auch anderen Maschinentypen weiterhin, daß die Statorpolüberdeckung und somit die Größe der Läuferpole nicht nennenswert unter 180° magnetisch reduziert werden kann, ohne die maximalen Daten der Maschine zu beeinträchtigen, da sonst der maximale Fluß in den Statorpolen merklich verringert wird.

Diese Probleme werden durch Patentanspruch 1 gelöst.

Die notwendige Größe der Läuferpole kann ohne nennenswerte Flußreduktionen auf die Größe der in der neuen Anordnung verkleinerten Statorpole reduziert werden, um insbesondere bei permanenterregten Maschinen den Einsatz von Magnetmaterial verringern zu können. Desweiteren kann durch die beschriebene Art der Bewicklung der Wirkungsgrad der Maschine erhöht werden. Insbesondere langsamlaufende oder kleine elektrische Maschinen des betreffenden Typs können mit Hilfe der neuen Anordnung Vorteile der bisher bekannten Ausführungsformen kombinieren. Zu diesen Vorteilen zählen beispielsweise hoher Wirkungsgrad, hohe Antriebskräfte bzw. Drehmomente, mechanische und elektrische Unempfindlichkeit, geringes Gewicht kleine Abmessungen, gute Maschinenausnutzung, einfache und günstige Herstellung etc.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 Beispielhafte Polanordnung einer dreiphasigen Linearmaschine nach Patentanspruch 1

Fig. 2 Verbesserte Polanordnung.

Jede Phase beansprucht in der beschriebenen Maschinenausführung nur das Minimum eines einzelnen Statorpols pro magnetischer Periode, wie aus Fig. 1 ersichtlich. Die vorzusehende Läuferpolbreite muß zur Erzeugung maximalen Flusses im Statorpol etwa ebenso breit sein. Da aber nur zwei Läuferpole zur Anwendung kommen, sind die Polbereiche entsprechend schmal. Dadurch wird der Einsatz von Magnetmaterial bei permanenterregten Maschinen erheblich verringert. Durch die symmetrische Konstruktion, die die Phasen gleichmäßig auf die Maschine verteilt, ist die Empfindlichkeit gegenüber Toleranzen und die Geräuschentwicklung ähnlich gering wie bei konventionellen Maschinen.

Da jeder Statorpol nur eine Wicklung trägt, können letztere bei Bedarf optimal vorgefertigt und anschließend einzeln aufgebracht werden.

Die einzelnen Statorpole sind kompakt ausgeführt, die darauf befindlichen Wicklungen hinsichtlich der Windungslängen so kurz wie möglich; der Wicklungskopf kann äußerst klein gehalten werden, so daß bei geringem Gewicht und kleiner Bauform der Wirkungsgrad der Maschine hoch ist.

Die Maschine kann mit bestimmten Ausgestaltungen der Läuferpole hinsichtlich seiner Betriebseigenschaften weiterhin beeinflußt werden. Fig. 2 zeigt beispielhaft eine einfache Schränkung der Läuferpole, um unter Beibehaltung der maximalen Leistungsdaten die elektrischen Verläufe der Phasenspeisungen anzupassen und das Eigenrastmoment der Maschine zu verringern.

Claims (1)

1. Elektrische Maschine mit fremd-, vorzugsweise permanenterregtem Läufer und mehrphasig gespeistem Stator bzw. umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß das Statorfeld pro magnetischer Periode eine zur Anzahl der Phasen identische Zahl von Statorpolen mit einer Einzelpolbewicklung aufweist, d. h. ein Statorpol ist nur mit der Wicklung jeweils einer Phase versehen, während das Läuferfeld definitionsgemäß aus einem Polpaar pro magnetischer Periode aufgebaut ist.