DE3320805C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine vielpolige, mehrphasige Synchronmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE-OS 16 38 361).

Bei langsam laufenden Maschinen bzw. Geräten bietet der Di­ rektantrieb ohne Untersetzungsgetriebe erhebliche Vorteile bezüglich Verschleiß, Positionierverhalten und dynamischer Eigenschaften gegenüber einem Antrieb mit Untersetzungsge­ triebe. Bei Geräten mit großem Durchmesser kann bei Direkt­ antrieb die Antriebsmaschine als Ringmotor ausgeführt und direkt in das Gerät bzw. das Hauptlager des Gerätes inte­ griert werden. Dies führt zu vielpoligen Maschinen mit Pol­ zahlen von 30 bis weit über 100 und zu sehr kurzen Anker­ längen. Der Ringmotor soll wegen der Einbauverhältnisse mög­ lichst klein sein, er muß aber trotzdem einen guten Wirkungs­ grad haben und kostengünstig zu fertigen sein. Im Leistungs­ bereich von einigen kW bis zu etwa 100kW bietet die perma­ nenterregte Synchronmaschine zur Erfüllung dieser Forderungen die günstigsten Eigenschaften. Wegen der kurzen Ankerlänge der Ringmotoren können jedoch die Wickelköpfe einen großen Anteil der Kupferverluste verursachen und einen wesentlichen Anteil des Volumens beanspruchen. Die bei herkömmlichen elekt­ rischen Maschinen üblichen Zweischicht- oder Zweietagen­ wicklungen haben relativ große Wickelköpfe, da sich die Spulen im Wickelkopf kreuzen und aneinander vorbeigeführt werden müssen. Aus diesem Grund wurde in der deutschen Offen­ legungsschrift DE 16 38 361 und in der amerikanischen Patent­ schrift US 39 78 356 eine mehrphasige elektrische Synchronma­ schine vorgeschlagen, bei der die Spulen derselben Phase ne­ beneinander angeordnet sind und zwei benachbarte Spulen in der selben Nut liegen. Die Phasen sind zonenweise am Umfang ver­ teilt, wobei zwischen den Zonen ein Abstand, der der Winkelver­ schiebung zwischen den Zonen entspricht, eingefügt wurde. Für eine dreiphasige Wicklung ergibt sich für die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der günstigste Wickelkopf, wie die deutsche Offenlegungsschrift zeigt, insbesondere bei einer symmetrischen Verteilung von drei Wicklungszonen. Die US 3 978 356 zeigt einen ähnlich günstigen Wickelkopf für eine zweiphasige Maschine. Hier werden vorzugsweise vier gleich breite Wicklungszonen mit einem räumlichen Abstand zueinander angeordnet. Die durch die abstandsweise Anordnung der Zonen entstehenden Lücken können jedoch zur Drehmomentbildung in der Synchronmaschine nicht beitragen und führen deshalb zu einer schlechteren Ausnutzung der Maschine.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine vielpolige, mehrphasige Synchronmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, die aufgrund einer guten Ausnutzung und geringer Verluste einen guten Wirkungsgrad aufweist und dabei gleichzei­ tig möglichst klein im Volumen ausgebildet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der gesamte Umfang für Zähne und Spulen gleichmäß­ ig verwendet wird. Damit wird eine bessere Ausnutzung der Ma­ schine und eine einfachere Fertigung erreicht. Durch den regel­ mäßigen Aufbau mit auf dem gesamten Umfang der Maschine sich gleichmäßig ändernder Phasenverschiebung der Zähne gegenüber der Erregung bleiben die Reluktanzmomente trotz extrem kleiner Nutenzahl pro Pol und Strang sehr klein, was bei Positionier­ antrieben wichtig ist. Die in Reihe geschaltenen Spulen eines Wicklungsstranges erhalten durch die erfindungsgemäße Anord­ nung eine Phasenverschiebung bezogen auf die Polteilung der Erregung. Diese Phasenverschiebung wirkt ähnlich, wie die Phasenverschiebung innerhalb der Wicklungszonen konventio­ neller Drehfeldmaschinen. Dies bedeutet, daß die Oberschwin­ gungen in der induzierten Spannung verringert und damit auch die Wechselanteile im durch die Spulenströme hervorgerufenen Drehmoment vorteilhaft verkleinert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung mit vier Spulen pro Zone,

Fig. 2 eine dreiphasige Wicklung mit sechs Zonen und sechs Spulen pro Zone und

Fig. 3 eine konstruktive Ausführung der erfindungsge­ mäßen Wicklungsanordnung.

In der Fig. 1 ist als Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Wick­ lungsanordnung eine Zone mit vier in Reihe geschalteten Spulen der Phase R dargestellt. Die Maschine soll 6 Zonen - je zwei gegen­ überliegende für die Phasen R, S, T - enthalten. Die Gesamtbreite der Zone ist um 1/3 der Erreger-Polteilung breiter gewählt als es 4 Polen der Erreger-Polteilung entspricht. Dadurch ergibt sich zwischen benachbarten Spulen eine kleine Phasenverschiebung. Wegen dieser Phasenverschiebung müssen die Spulen einer Zone in Reihe geschaltet werden. In der gesamten Zone entsteht eine Phasenver­ schiebung von 60° gegenüber der Erreger-Polteilung. Dadurch kann unmittelbar anschließend, im gleichen Abstand die erste Spule für die nächste Phase -T angeordnet werden, denn bei einem Dreiphasensystem ist die Phase -T ebenfalls um 60° gegenüber der Phase +R vorhanden. Der im Stand der Technik vorhandene Abstand zwischen den Zonen ist also in der erfindungsgemäßen Ausführung gleichmäßig über die Zone verteilt. Die Summe der Phasenverschiebungen auf dem gesamten Umfang ergibt in die­ sem Fall den Wert 360°. Dem Wicklungssystem mit 4×6=24 Po­ len steht also eine Erregung mit nur 22 Polen gegenüber.

Die Teilung der Ankerwicklung kann auch kleiner gewählt wer­ den als die Polteilung der Erregung. Dies entspricht einem negativen Abstand zwischen den Zonen. Im Beispiel der Fig. 1 würde die Zonenbreite dann (4-1/6)^∼p betragen und die Erre­ gung müßte dann 26 Pole aufweisen. Negative Abstände zwischen den Zonen sind in den Lösungen des Standes der Technik nicht ausführbar. Die damit erworbene größere Freiheit in der Ge­ staltung der Maschine ist ein weiterer Vorteil der Erfindung.

Durch die gleichmäßige Verteilung der Phasenverschiebung über die Zone wird die Form der Ankerspannung verbessert, da sich durch die Addition der Spannungen verschiedene Zonenfaktoren für Grund- und Oberschwingungen ergeben. Außerdem werden die Reluktanzmomente der Maschine wesentlich verringert, weil auf­ grund der unterschiedlichen Teilungen von Erregung und Anker­ wicklung keine Vorzugsstellungen für den magnetischen Fluß vorhanden sind. Dreiphasige Synchronmaschinen werden bei gleichmäßiger Verteilung des Abstandes am günstigsten wie in Fig. 2 dargestellt, mit sechs gleich großen Zonen Z1 . . . Z6 ausgeführt, so daß die gesamte Wicklungsanordnung 36 Spulen S 1 . . . S 36 aufweist, die jeweils eine Phasenverschiebung von 60° bewirken. Das heißt, die Polpaarzahl der Ankerwicklung ist um ein Polpaar kleiner oder größer als die Polpaarzahl der Er­ regung. Die Ausführung mit sechs Zonen bewirkt auch hier eine Maschine ohne einseitigen magnetischen Zug.

Man kann bei einer dreiphasigen Maschine auch mit drei Zonen auskommen, wenn die Spulenzahl pro Zone ungerade ist. Die Phasenverschiebung zwischen zwei Zonen entspricht 60°, d.h. die Polzahl der Ankerwicklung ist um einen Pol größer oder kleiner als die Polzahl der Erregung. Beispielsweise kann eine Maschine mit 10 Erreger-Polen mit 3 Zonen von je 3 Spulen als Ankerwicklung ausgeführt werden.

Bei zweiphasigen Maschinen sind am Umfang vorzugsweise vier gleiche Zonen vorhanden und die Phasenverschiebung innerhalb einer Zone entspricht einem Phasenwinkel von 90°.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die konstruktive Ausführung einer Maschine. Dargestellt ist ein Ausschnitt aus einer Außenpolmaschine, die vorzugsweise als Außenläufermaschine eingesetzt wird. Die Erregung wird durch Permanentmagnete 1 erzeugt, die auf ein Joch 2 des Läufers aufgesetzt sind und deren Polteilung - anders als in der Figur dargestellt - von der Polteilung des Stators wie vorstehend dargelegt abweichen soll. In Nuten des Ankerblechpaketes 3 des Ständers sind Spulen 4a, 4b, 4c... der Ankerwicklung untergebracht. Die Zähne 5 des Blechpaketes 3 sind mit Polschuhen 6 versehen, welche die Nuten teilweise schließen. Dadurch wird der Induktionsver­ lauf für die Ankerwicklung verbessert und die Ausnutzung der Maschine gesteigert.

Die Erfindung ist nicht auf Ringmotoren begrenzt, sondern kann allgemein bei mehrphasigen Synchronmaschinen mit größeren Pol­ zahlen (etwa ab 8) vorteilhaft angewandt werden. Dabei können permanenterregte und auch elektrisch erregte Maschinen (Motoren oder Generatoren) entsprechend der Erfindung gebaut werden.

Claims (5)

1. Vielpolige, mehrphasige Synchronmaschine, die vorzugsweise durch Permanentmagnete erregt wird, mit einer Ankerwicklung, die aus nebeneinander liegenden Spulen besteht, wobei die aneinander angrenzenden Seiten zweier benachbarter Spulen jeweils in derselben Nut liegen und der Ankerumfang in mehrere Zonen aufgeteilt ist, wobei in jeder Zone nur Spulen des gleichen Wicklungsstranges angeordnet sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Polteilung des Ankers abweichend von der Erregung in der Weise gewählt ist, daß sich über den gesamten Bereich einer Zone eine räumliche Phasenverschiebung ergibt, die dem Phasenwinkel zwischen zwei Wicklungssträngen ent­ spricht, und daß die Ankerspulen einer Zone in Reihe ge­ schaltet sind.

2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dreiphasiger Ausführung sechs gleich große Zonen am Umfang vorhanden sind und die räumliche Phasenverschiebung über den gesamten Bereich einer Zone einem Phasenwinkel von 60° entspricht.

3. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dreiphasiger Ausführung am Umfang drei gleiche Zonen mit einer ungeraden Zahl von Spulen vorgesehen sind und die räum­ liche Phasenverschiebung über den gesamten Bereich einer Zone einem Phasenwinkel von 60° entspricht.

4. Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei zweiphasiger Ausführung am Umfang vier gleiche Zonen vor­ handen sind und die räumliche Phasenverschiebung über den ge­ samten Bereich einer Zone einem Phasenwinkel von 90° entspricht.

5. Synchronmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zähne (5) des Ankerblechpaketes (3) mit Polschuhen (6) versehen sind, welche die Nut teilweise schließen.