DE102004044986A1

DE102004044986A1 - Permanenterregte Synchronmaschine mit Flachdrahtwicklungen

Info

Publication number: DE102004044986A1
Application number: DE102004044986A
Authority: DE
Inventors: Klaus Georg; Albrecht Storath; Holger Schunk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2006-04-06
Also published as: US7646131B2; JP4624421B2; WO2006029992A1; US20080036323A1; JP2008514173A

Abstract

Um eine erhöhte Kupferfüllung in Nuten (4) einer permanenterregten Synchronmaschine (2) zu schaffen, wird eine gattungsgemäße Maschine vorgeschlagen, mit einem Stator (1), der parallelflankige Nuten (4) aufweist, die mit einem Wicklungssystem aus Flachdrähten (5) versehen sind, wobei die Flachdrähte (5) jeweils einen Zahn (3) umfassen und als Zahnspule (6) ausgeführt ist, wobei die Flachdrähte (5) hochkant gewickelt sind, so dass jeweils die schmalere Seite des Flachdrahtes (5) zum Zahn (3) weist und jede Zahnspule (6) zumindest zwei Lagen Flachdrähte (5) aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem Stator, der parallelflankige Nuten aufweist, die mit Flachdrahtwicklungen versehen sind, wobei die Flachdrahtwicklung jeweils einen Zahn umfasst und als Zahnspule ausgeführt ist.
Um Stromverdrängungseffekte und damit die Wärmeeintrag in die elektrische Maschine zu reduzieren, ist es bekannt, die Spulen aus einem verdrillten oder verseilten Leiterbündel aus einzelnen Runddrähte zu wickeln. Nachteilig dabei ist der erhöhte Fertigungsaufwand und die Reduzierung des Kupferfüllfaktors in der Nut der elektrischen Maschine.
Die Spule kann um oben genannte Nachteile zu vermeiden auch aus Kupferpressseil hergestellt werden, was aber erhöhte Kosten der Spule zur Folge hat.

Aus der EP 1 255 344 A1 ist eine Spulenanordnung bekannt, die aus Flachdraht aufgebaut ist.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine permanenterregte Synchronmaschine zu schaffen, die mit reduzierten Herstellungsaufwand einen erhöhten Kupferfüllfaktor aufweist bei gleichzeitig einem vergleichsweise niedrigem Zusatzverlustfaktor.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, dass die Flachdrähte hochkant gewickelt sind, so dass jeweils die schmalere Seite des Flachdrahtes zum Zahn weist und jede Zahnspule zumindest zwei Lagen Flachdrähten aufweist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Flachdrahtes orientiert sich der Wicklungsquerschnitt insbesondere in Richtung der Nutbreite und nur minimal in Richtung der Nuthöhe. Dadurch reduziert sich der Stromverdrängungseffekt, was die Zusatzverluste gegenüber anderen Wicklungsanordnungen wesentlich verringert. Insbesondere können derartige Zahnspulen bei in Richtung der Statorbohrung weisende offenen Nuten mit parallelflankigen Nutenpaaren eingesetzt werden, was eine erhebliche Erleichterung der Bestückung des Stators durch Zahnspulen verursacht.

Bei koaxial aufgebauten Statoren, werden die Zahnspulen von außen auf ein Sternpaket gesetzt und anschließend in einem Jochrücken positioniert.

Die dabei jeweils verwendeten Flachdrähte können mit Biegeradien verarbeitet werden, die unterhalb der in den Drahtnormen angegebenen zulässigen Bereiche liegen.

Ein erfindungsgemäßer Aufbau ist insbesondere für Statoren von Torquemotoren geeignet, da dort u.a. erhöhte Anforderungen an die Kompaktheit dieses Motors gestellt werden.

Für die Montage der permanenterregten Synchronmaschine ist es vorteilhaft, wenn die Zahnspulen vorab auf Trägern positioniert oder gewickelt werden.

Die Zahnspulen mit oder ohne Träger werden von der Statorbohrung oder bei einem zweigeteilten Stator von außen auf den Zähnen positioniert und in einem Jochrücken fixiert.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Detailausschnitt der Flachdrahtwicklung,
2 eine mit Flachdraht aufgebaute Zahnspule,
3 Querschnitt einer elektrischen Maschine mit erfindungsgemäßer Wicklung,
4 prinzipielle Reihenschaltung,
5 perspektivische Darstellung eines Trägers.
1 zeigt eine Detailansicht eines Stators 1 einer elektrischen Maschine. Diese Detailansicht zeigt einen Zahn 3 mit benachbarten Nuten 4, die parallelflankig ausgeführt sind. In den Nuten 4 sind die übereinander und nebeneinander angeordneten Flachdrähte 5 dargestellt. Eine derartig aufgebaute Zahnspule 6 ist so gewickelt, dass die unmittelbar am Zahn 3 befindliche Wicklungslage 7 sich vom Nutgrund 8 radial zur Statorbohrung erstreckt und sich auch die zweite Lage vom Nutgrund 8 zur Statorbohrung erstreckt. Die nebeneinanderliegenden Wicklungslagen 7 der Flachdrähte 5 in einer Nut sind elektrisch sowohl in Reihe als auch parallel schaltbar. Dadurch lassen sich mit einer Flachdrahtabmessung zwei verschiedene Windungszahlen realisieren. Bei Parallelschaltung, wie z.B. in 2 prinzipiell dargestellt, ist eine Teilleiterisolierung 20 nicht unbedingt erforderlich, da die Flachdrähte 5 lackisoliert ausgeführt sind.
Eine derartige Zahnspule 6 wie beispielhaft in 2 gezeigt, ist vorteilhafterweise mit Biegeradien verarbeitet, die unterhalb des in den Drahtnormen beschriebenen zulässigen Bereichs liegen. Im Bereich der Nuten 4 weist die Zahnspule 6 eine Hauptisolierung 11 gegenüber dem Eisenblech 12 des Stators 1 auf. Anfang 9 und Ende 10 der Zahnspule 6 gestatten eine Bestromung dieser Zahnspule 6 mit elektrisch parallelgeschalteten Flachdrähten 5. Die Flachdrähte 5 weisen bedarfsweise eine Riffelung 21 oder sonstige Bearbeitung auf, die eine Verarbeitung z.B. das Wickeln der Zahnspule 6 erleichtern. Zu weiteren Fixierung der Zahnspule 6 werden kabelbinderähnliche Mittel 22 eingesetzt.
Falls die Zahnspule 6 auf einen Träger 23 gewickelt ist, kann zumindest auf der dem Zahn 3 zugewandten Seite auf die Haupt isolierung 11 verzichtet werden, da dann das Material des Trägers 23 bereits diese Funktion übernimmt bzw. beinhaltet.
3 zeigt den Aufbau einer elektrischen Maschine, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine 2, bei der der Stator 1 Zähne 3 mit paarweise parallelflankigen Nuten 4 und den jeweils dazwischen liegenden trapezförmig gestalteten unbewickelten Zähnen 13 aufweist. Der Stator 1 ist in ein Gehäuse 16 eingesetzt. Im oder am Gehäuse 16 sind vorteilhafterweise nicht näher dargestellte Mittel zur Kühlung der Synchronmaschine 2 vorgesehen. Dies sind u.a. Kühlrippen zur Luftkühlung oder im Gehäuse 16 befindliche mäander- oder wendelförmig angeordnete Kühlkanäle zur Flüssigkeitskühlung. Am Rotor 14 befinden sich an der Umfangsfläche Permanentmagnete 15, die durch geeignete Mittel z.B. eine Bandage 17 gehalten werden. Der Rotor 14 selbst weist Mittel zur Kühlung, z.B. Kühlkanäle 18 auf.
Der Rotor 14 ist beispielsweise auf einer Spindel 19 positioniert, die einen Teil einer nicht näher dargestellten Produktions- oder Werkzeugmaschine bildet.
4 zeigt eine Zahnspule 6, deren Flachdrähte 6 wie prinzipiell dargestellt, über eine Verbindung 23 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Aufgrund der nunmehr zwischen den Lagen herrschenden Spannungsdifferenzen sind Teilleiterisolierungen 20 notwendig.
5 zeigt beispielhaft einen Träger 23 in perspektivischer Darstellung, der mit Flachdrähten 5 versehen werden kann. Dabei übernimmt die Innenseite 24 des Trägers 23 die Hauptisolation zwischen den Flachdrähten 5 und dem Zahn 3.

Claims

Permanenterregte Synchronmaschine (2) mit einem Stator (1), der parallelflankige Nuten (4) aufweist, die mit einem Wicklungssystem aus Flachdrähten (5) versehen sind, wobei die Flachdrähte (5) jeweils einen Zahn (3) umfassen und als Zahnspule (6) ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdrähte (5) hochkant gewickelt sind, so dass jeweils die schmalere Seite des Flachdrahtes (5) zum Zahn (3) weist und jede Zahnspule (6) zumindest zwei Lagen Flachdrähten (5) aufweist.
Permanenterregte Synchronmaschine (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachdraht jeder Lage vom Nutgrund aus gewickelt ist.
Permanenterregte Synchronmaschine (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich jeder zweite Zahn (3) eine Zahnspule (6) aufweist, so dass die Nuten (4) jeweils von einer Zahnspulenhälfte belegt sind und sich eine Abfolge von unbewickelten und bewickelten Zähnen (3, 13) ergibt.
Permanenterregte Synchronmaschine (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (1) koaxial aufgebaut ist.
Permanenterregte Synchronmaschine (2) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnspulen (6) zumindest im Bereich der Nutenabschnitte im Stator (1) eine Hauptisolierung (11) aufweisen.
Permanenterregte Synchronmaschine (2) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnspule (6) auf einen Träger (23) gewickelt ist, so dass die Zahnspule (6) zusammen mit dem Träger (23) an dem Zahn (3) positionierbar ist.
Permanenterregte Synchronmaschine (2) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdrähte (5) einer Zahnspule (6) elektrisch parallel oder in Reihe schaltbar sind.