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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer Wicklung für eine elektrische
Maschine.
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Hintergrund der Erfindung
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Für den Leistungsumsatz
in elektrischen Maschinen ist das Produkt aus der in einer Wicklung
induzierten Spannung und dem gleichzeitig in der Wicklung fließenden Strom
entscheidend. Die Kurvenformen der induzierten Spannung und des
fließenden
Stromes müssen „zueinander
passen”.
Bei Gleichstrommaschinen wird durch die Wirkung eines Kommutators
zum Beispiel eine Gleichspannung „induziert”. Für eine konstante Leistung muss
daher auch ein Gleichstrom fließen.
Ein Wechselstrom würde
hier zu einer verschwindenden mittleren Leistung führen. Bei
Wechselstrommaschinen muss ein Wechselstrom fließen.
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Für die Umsetzung
zeitgemäßer Steuerungs-
und Regelungsstrategien, zum Beispiel einer „feldorientierten Regelung”, von „Direct
Torque Control” oder
dergleichen, und für
den Einsatz von Standard-Wechselrichtern sind eine sinusförmige induzierte
Spannung und ein sinusförmiger
Strom Voraussetzung. Für
die Form der induzierten Spannung sind die räumliche Anordnung der Wicklung
sowie die Form des magnetischen Feldes im Luftspalt der elektrischen
Maschine, nämlich
der Bereich zwischen Ständer
und Läufer,
ausschlaggebend. Wird das magnetische Feld durch dieselbe Wicklung
erzeugt, deren induzierte Spannung hier betrachtet wird, ist die Wicklungsverteilung
auch für
die Feldform zuständig. Wird
das magnetische Feld mit einer anderen Quelle erzeugt, zum Beispiel
einem Permanentmagnet, spielen die Form und die Anordnung des Permanentmagneten
die wichtigste Rolle bei der Feldform.
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Allgemein
betrachtet, ist die Form des magnetischen Feldes beliebig. Da magnetische
Pole immer im Paar auftreten müssen,
ist die Feldform jedoch in jedem Fall periodisch. Daher lässt sie
sich immer mit Hilfe einer Fourier-Reihe in eine Summe aus einzelnen
Sinus- oder Kosinusfunktionen verschiedener Frequenzen zerlegen.
Für eine
sinusförmige induzierte
Spannung wäre
eine aus einer einzigen Sinusform bestehende Feldverteilung ideal.
Ein solches Feld nennt man Grundwellenfeld. Die räumliche Anordnung
der Wicklung hätte
dann lediglich darauf Einfluss, in welchem Maß dieses Feld eine Spannung induziert,
d. h. wie hoch die induzierte Spannung ist.
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Eine
einfache Spule, deren Weite genau eine Polteilung beträgt, umfasst
das komplette Feld; die maximale Wirkung wird erreicht. Eine Spule
bezeichnet einen Teil einer Wicklung, bestehend aus n Windungen
eines oder mehrerer parallel geschalteter Drähte oder Stäbe. Umgekehrt ist also die
Wicklung eine Gruppierung von Spulen. Die Spule wird charakterisiert
durch ihre Weite, das ist der Abstand zwischen den beiden Spulenseiten.
Die maximale Wirkung wird quantifiziert über den Wicklungsfaktor, der im
Fall des oben genannten Grundwellenfeldes seinen Maximalwert 1 hat.
Dieser Faktor wird für
jede einzelne Sinusfunktion der Feldform angegeben. Sind mehrere
Spulen nebeneinander angeordnet, können diese nicht alle gleichzeitig
das gesamt Feld umfassen. Daher ist in diesem Fall der Wicklungsfaktor
kleiner als 1, die induzierte Spannung ist etwas geringer.
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Wenn
also ein reines Grundwellenfeld vorliegt, ist eine einfache Spule
mit einer Weite gleich der Polteilung die beste Wahl. Das Grundwellenfeld induziert
eine rein sinusförmige
Spannung, die sogenannte Grundschwingung. Praktisch liegt jedoch
nie ein Grundwellenfeld vor, sondern ein Feld, das aus einer Vielzahl
von sinusförmigen
Funktionen zusammengesetzt ist. Diese induzieren wiederum eine Vielzahl
von sinusförmigen
Spannungen. Da aber für
den Energieumsatz in der elektrischen Maschine nur die Grundschwingung
entscheidend ist, muss die Wicklung so gewählt werden, dass alle anderen
Anteile des magnetischen Feldes außer dem Grundwellenfeld nach
Möglichkeit
keine oder nur geringe Spannung induzieren, d. h. die Wicklungsfaktoren
für alle Feldwellen
außer
der Grundwelle möglichst
Null sind.
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Praktisch
ist es so, dass bei einem angenommenen rechteckförmigen Verlauf des magnetischen Feldes
im Luftspalt dieses Feld nach einer Zerlegung in eine Reihe nach
Fourier neben der Grundwelle noch sogenannte Oberwellen mit allen
ungeraden Ordnungszahlen, d. h. 3, 5, 7, 9, ... enthält, deren
Amplituden jedoch mit dem Kehrwert der Ordnungszahl abnehmen, d.
h. 1/3, 1/5, 1/7, 1/9, etc. Für
dreiphasige Systeme in Sternschaltung sind die Ordnungszahlen, die
Vielfache von drei sind, ohne Belang. Entscheidend für die Wahl
der Anordnung der Wicklung sind damit die verbleibenden Ordnungszahlen
mit relativ großen
Amplituden, d. h. vor allem 5. und 7.
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Allgemein
kann feststellt werden, dass eine sinusförmige Verteilung der Wicklung
optimal wäre, jedoch
praktisch nicht zu realisieren ist. Den Kompromiss bildet daher
die Aufteilung der oben beschriebenen einfachen Durchmesserspule
in möglichst
viele nebeneinander angeordnete Einzelspulen. Ein Maß für diese
Aufteilung ist die Zahl q, welche die Anzahl der Spulen pro Pol
des magnetischen Feldes und Strang einer elektrischen Maschine quantifiziert.
Mit Strang wird hierbei eine Zusammenschaltung von Wicklungsteilen
bezeichnet, die an Klemmen der Maschine geführt sind, d. h. an die von
außen
eine Spannung geschaltet werde kann.
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Bei
Motoren mit kleinem Durchmesser der Bohrung oder des Läufers (bei „normalen” Drehzahlen
um 3000 U/min sind dies Maschinen kleiner Leistung) sind der Vielzahl
der nebeneinander angeordneten Einzelspulen aufgrund der Feinheit
der Geometrie, die technologisch noch handhabbar ist, Grenzen gesetzt.
Bei der Bohrung handelt es sich um den Innendurchmesser des Ständerblechpaketes
einer rotierenden Maschine. Er entspricht bei kleinen Luftspaltweiten
etwa dem Durchmesser des Läufers. Die
Grenzen bilden einerseits die Zähne,
die aufgrund der Sprödigkeit
des Materials und der Beeinflussung der Eigenschaften des Materials
an den Bearbeitungsrändern
(Stanzränder)
eine Mindestbreite nicht unterschreiten dürfen und andererseits Nuten, die
auch nicht beliebig schmal sein können, da das Verhältnis zwischen
in den Nuten untergebrachtem Kupfer der Spulen und dem für die notwendige
Isolation und dem zwangsläufigen
Freiraum zwischen den Einzeldrähten
der Wicklung verbrauchten Platz immer ungünstiger wird. In den Nuten
ist jeweils ein Spulen-Volumen gebildet, nämlich ein räumlicher Bereich, in welchem
eine oder mehrere der Nut zugeordnete Spulen angeordnet sind.
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Der
Anzahl der Nuten, die an einem bestimmten Umfang untergebracht werden
können, sind
praktische Grenzen gesetzt. Der Unterschied, was die Unterdrückung neben
der Grundwelle auftretender Oberwellen angeht, bei einer angeordneten Spule
oder der Aufteilung in zwei Spulen ist jedoch enorm.
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Bei
Maschinen mit kleinem Durchmesser kann aus den oben ausgeführten Gründen nur schlecht
oder mit stark erhöhtem
technologischen Aufwand eine sinusförmige Klemmenspannung erzeugt
werden. Der Schritt von einer Nut pro Pol und Strang, also q = 1
zu q = 2 kann entscheidend sind, beinhaltet er doch die Verdopplung
der gesamten Nutzahl. Bei einer Nut pro Pol und Strang, d. h. der Anordnung
einer einzigen Spule, ist der Verlauf der induzierten Spannung bestenfalls
trapezförmig.
Dies wird einerseits ausgenutzt, indem gezielt nicht mit einer sinusförmigen Spannung
sondern trapez- oder rechteckförmigen
Strömen
gespeist wird. Solche elektrischen Maschinen werden als Bürstenlose Gleichstrommotoren
bezeichnet, erfordern aber andere Ansteuer- und Regelverfahren,
als die oben genannten Motoren. Für anspruchsvollere Regel- und Positionierungsaufgaben
sind sie nicht geeignet. Auch der Einsatz an Standardwechselrichtern
ist nicht möglich.
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Andererseits
werden oft baugleiche Maschinen für sinusförmige Speisung angeboten, wobei
erhöhte
Verluste in Kauf genommen werden, indem die Typenschildleistung
entsprechend reduziert wird bzw. bei gleicher Leistung die Kühlung verstärkt werden
muss.
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Der
trapezförmige
Verlauf kann nur durch eine Anpassung der magnetischen Feldform
verbessert werden, zum Beispiel bei der mittels Permanentmagnet
erregten Maschine durch entsprechende Anordnung der Magnete, die
aber aufwändigere
Technologien bei der Rotorherstellung erfordert. Die einfachste
Form der Befestigung der Magnete auf der Rotoroberfläche bietet
für die
Beeinflussung der Feldform keine ausreichenden Möglichkeiten. Weiterhin werden
für kleine
Maschinen sogenannte Luftspaltwicklungen eingesetzt. Hierbei sind
die Wicklungen gar nicht in Nuten untergebracht sondern direkt am
Luftspalt. Dies hat aber hinsichtlich der erreichbaren Magnetfeldstärken im
Luftspalt und der Wärmeabführung der
Wicklung auch Nachteile.
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Eine
weitere Alternative, die sich hinsichtlich ihrer Ausführung auch
wesentlich von den bisherigen unterscheidet, sind die sogenannten
Zahnspulenwicklungen. Hierbei entspricht die Spulenweite genau dem
Abstand zweier benachbarter Nuten. Diese Wicklungsart ist zwar technologisch
sehr günstig,
da einfache Spulen automatisch gewickelt werden können und
durch simples Aufstecken eingebracht werden. Genau dieses Aufstecken
verlangt aber auch die Ausführung
offener Nuten, die hinsichtlich des Magnetfeldverlaufes im Luftspalt
zu starken Verzerrungen desselben führen. Diese wiederum führen zu großen zusätzlichen
Verlusten im Rotor, besonders bei höheren Drehzahlen der Maschine.
Deshalb sind solche Zahnspulenwicklungen insbesondere bei Torque-Motoren
im Einsatz, die hohe Drehmomente bei geringen Drehzahlen liefern
sollen.
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Soll
nun eine Nutzahl pro Pol und Strang von zum Beispiel q = 1,5 realisiert
werden, muss zwangsläufig
eine Bruchlochwicklung zum Einsatz kommen. Diese kann aber bei herkömm licher
Nutanordnung nur als Zweischichtwicklung verwirklicht werden, d.
h. in jeder Nut sind zwei Spulenseiten untergebracht. Da diese auch
von unterschiedlichen Strängen
sein können,
ist ein entsprechender Mehraufwand an Isolation nötig, der
diese Wicklung bei kleinen Maschinen praktisch aus wirtschaftlicher
Sicht nicht ausführbar
macht. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung
einer Drehstrom-Bruchlochwicklung 1 mit mehreren Nuten 2.
Die Anzahl der Nuten 2 pro Pol und Strang beträgt 1.5 wie
dies bei der Nutzung von Zweischichtwicklung bei gleichmäßiger Nutung
für eine
Maschine mit drei Strängen
und einem Polpaar des Magnetfeldes realisiert wird. Es werden drei
Spulen verwendet, die alle eine Weite von 4τN (τN – Nutteilung)
pro Strang aufweisen.
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Das
Dokument
EP 1 578 000
A2 offenbart einen Stator für einen Elektromotor mit einem
Statorkern. Der Stator weist eine Anzahl Statorzähne und zwischen den Statorzähnen liegende
Statornute auf, wobei die Statornuten zum Aufnehmen von Statorwicklungen
ausgebildet sind. Die Statornuten sind mit unterschiedlichen Tiefen
ausgebildet, um die Anteile der Statorwicklungen einer Phase beziehungsweise
mehrerer Phasen des Elektromotors aufzunehmen.
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Das
Dokument
DE 16 38 361
A offenbart eine mehrphasige elektrische Synchronmaschine. Bei
der bekannten Synchronmaschine sind die Phasenwicklungen auf Nuten
entlang eines Bohrungsumfangs verteilt, wobei die Nuten unterschiedliche Querschnitte
aufweisen.
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Aus
dem Dokument
DE 199
51 762 A1 ist ein dreiphasiger Synchronmotor bekannt, welcher
einen Permanentmagnete aufweisenden Rotor sowie einen Stator umfaßt, in dessen
zentrale Bohrung der Rotor angeordnet ist. Entlang des inneren Umfangs
des Stators sind Schlitze angeordnet, in denen Spulenwicklungen
untergebracht sind. In einer Ausführungsform weisen die Schlitze
unterschiedliche Querschnittsflächen
auf.
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Das
Dokument
JP 08126239
A (Abstract) beschreibt einen Anker mit einer Ankerwicklung.
Die Ankerwicklung ist in Nuten angeordnet, welche entlang eines äußeren Umfangs
des Ankers verteilt sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Anordnung mit einer Wicklung für eine elektrische
Maschine mit einer Anzahl von n (n = 1, 2, ...) Strängen zu schaffen,
die unter Aufrechterhaltung gewünschter elektrischer
Eigenschaften auf ökonomische
Weise gebildet ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Anordnung nach dem unabhängigen
Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist eine
Anordnung mit einer Wicklung für
eine elektrische Maschine mit einer Anzahl von n Strängen (n
= 1, 2, ...) geschaffen, wobei die Wicklung Nuten und über die
Nuten verteilte Spulen aufweist, die Nuten mindestens eine Nut mit einem
ersten Spulen-Volumen
sowie mindestens eine Nut mit einem zweiten Spulen-Volumen, welches
von dem ersten Spulen-Volumen verschieden ist, umfassen und mittels
der über
die Nuten verteilten Spulen für
alle Nuten ein im wesentlichen gleicher Nutfüllfaktor gebildet ist.
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Mit
einer solchen Anordnung werden materialsparend im wesentlichen gleich
gute elektrische Eigenschaften wie bei der bekannten Zweischicht-Bruchlochwickung
erreicht. Die Spulen der Wicklung sind unter Bildung von Spulengruppen
zu mindestens einem Strang/Wicklungsstrang verschaltet (Strangwicklung).
Die Nutzahl kann gering gehalten werden. Neben der Platzproblematik
hat eine kleine Nutzahl vor allem bei Antrieben mit höherer Drehzahl
den Vorteil, dass die Zusatzverluste durch die Nutung klein sind,
da die Ordnungszahl der Nutharmonischen entsprechend niedrig ist.
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Im
Unterschied zur Zahnspulenwicklung kann mit der erfindungsgemäßen Anordnung
problemlos eine geschlossene Nutform realisiert werden, die die
zweite Voraussetzung zur Minimierung der Zusatzverluste durch Nutung
ist.
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Die
bei mittels Permanentmagnet erregten Maschinen wichtigen Rastmomente
können
ohne Beeinträchtigung
oder Verminderung der Freiheitsgrade auch bei der vorgeschlagenen
Anordnung nach Methoden und Verfahren minimiert werden, wie sie
als solche bekannt sind.
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Die
Anordnung hat bezogen auf eine jeweilige Mittellinie für mindestens
eine der Nuten ein Abstand zu einer benachbarten Nut auf einer Seite
sich von einem Abstand zu einer Nut auf einer gegenüberliegenden
Seite unterscheidet.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
kann vorsehen, dass bezogen auf die jeweilige Mittellinie für alle Nuten
ein Abstand zu einer benachbarten Nut auf einer Seite gleich einem
Abstand zu einer Nut auf einer gegenüberliegenden Seite ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass im Spule-Volumen zumindest einer der Nuten genau eine Spule
und im Spule-Volumen zumindest einer anderen der Nuten mehrere Spulen
angeordnet sind.
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Zweckmäßig sieht
eine Fortbildung der Erfindung vor, dass die Nuten als eine alternierende
Folge der Nut mit dem ersten Spulen-Volumen und der Nut mit dem
zweiten Spulen-Volumen
gebildet sind.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass mit den
Nuten eine Teilfolge von Nuten gebildet ist, die Nuten mit dem ersten
Spulen-Volumen und Nuten mit dem zweiten Spulen-Volumen umfasst
und die sich innerhalb zweier korrespondierender Pole eines Magnetfeldes
der Anzahl von n Strängen
n-mal wiederholt.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass die Nuten gemäß einer die folgenden Nutkonfigurationen
angeordnet ist: symmetrische Nutkonfiguration und asymmetrische
Nutkonfiguration. Eine symmetrische Konfiguration ist gebildet,
wenn ein der Wicklung zugeordnetes, rotierendes Grundwellenfeld
an zugeordneten Klemmen einer elektrischen Maschine ein symmetrisches
n-phasiges System erzeugt und umgekehrt.
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Eine
zweckmäßige Weiterbildung
der Erfindung sieht vor, dass die Wicklung eine Bruchlochwicklung
ist, die vorzugsweise als eine Drehstrom-Bruchlochwicklung gebildet
ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Wicklung eine Ganzlochwicklung
ist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
kann vorsehen, dass das erste Spulen-Volumen einem Mehrfachen des
zweite Spulen-Volumen entspricht.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Nuten in einem der folgenden Bauteile gebildet sind: Stator
und Rotor. In beiden Ausgestaltungen ergeben sich die Vorteile der
Erfindung.
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Zweckmäßig sieht
eine Fortbildung der Erfindung vor, dass bei der Wicklung mindestens
zwei korrespondierenden Pole eines Magnetfeldes gebildet sind, wobei
die Nutzahl pro Pol 1.5 beträgt.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass die Wicklung frei von Zweischichtwicklungen
ist.
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Eine
zweckmäßige Weiterbildung
der Erfindung sieht vor, dass die Wicklung in einer der folgenden
elektrischen Maschinen gebildet ist: Permanentmagnet-Motor, elektrisch
erregte Synchronmaschine und elektrisch erregte Asynchronmaschine.
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Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf Figuren der Zeichnung näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Anordnung mit einer Drehstrom-Bruchlochwicklung nach
dem Stand der Technik;
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2 eine
schematische Darstellung einer Anordnung mit einer Drehstrom-Bruchlochwicklung;
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3 eine
Schnittdarstellung einer Maschine mit der Drehstrom-Bruchlochwicklung
aus 2;
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4 eine
Schnittdarstellung einer mittels Permanentmagnet erregten Synchronmaschine
mit der Drehstrom-Bruchlochwicklung aus 2;
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5 eine
Tabelle mit Werten für
nach der klassischen Theorie berechnete Wicklungsfaktoren für die Drehstrom-Bruchlochwicklung
aus 2;
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6 eine
grafische Darstellung eines mit Hilfe der Methode der finiten Elemente
(numerisch) ermittelten Verlaufes der induzierten Spannung eines Stranges
sowie eine mit einer Fourier-Analyse ermittelte Grundschwingung
dieses Verlaufes;
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7 eine
grafische Darstellung für
eine Verteilung von Nuten mit gleichmäßiger Nutteilung;
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8 eine
grafische Darstellung für
eine Verteilung von Nuten mit ungleichmäßiger Nutteilung; und
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9 eine
grafische Darstellung für
Torque = f(k) für
die Verteilung von Nuten 70 aus 7 (durchgezogene
Linie) und die Verteilung von Nuten 80 aus 8 (gestrichelte
Linie).
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von 2 bis 9 näher erläutert. Hierbei
werden für gleiche
Merkmale dieselben Bezugszeichen verwendet.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einer Drehstrom-Bruchlochwicklung 20 mit
Nuten 21. Die Anzahl der Nuten 21 pro Pol und
Strang beträgt
1.5. Eine Wicklung 22 ist als Einschichtwicklung mit zwei
gleichen Spulen 23, 24 realisiert. Unter einem
von zwei magnetischen Polen 25 befindet sich zwei Spulenseiten
in einer Nut, und unter dem anderen der zwei magnetischen Polen 26 jeweils
in getrennten Nuten. Um einen Nutfüllfaktor im wesentlichen gleich
bilden, muss die Nut, die beide Spulenseiten enthält, etwa
die doppelte Querschnittsfläche
der Nuten haben, die jeweils nur eine Spulenseite enthalten.
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3 zeigt
eine Schnittdarstellung einer elektrischen Maschine 30 unter
Verwendung der Drehstrom-Bruchlochwicklung 20 aus 2 im
Ständer
für eine
elektrische Maschine mit einem Polpaar. Es sind insgesamt neun Nuten 21 gebildet.
Stränge sind
mit den Buchstaben A, B und C bezeichnet. Ein Wicklungssinn wird
durch das dem Buchstaben der Stränge
vorangestellte Vorzeichen verdeutlicht.
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4 zeigt
eine Schnittdarstellung einer mittels Permanentmagnet erregten Synchronmaschine 40 unter
Verwendung der Drehstrom-Bruchlochwicklung 20 aus 2 im
Ständer
mit q = 1,5 für
eine Maschine mit zwei Polpaaren. Es sind achtzehn Nuten 21 gebildet.
Die Wicklungsverteilung erfolgt analog zu der in 3,
aber mit einer 4-poligen Wicklung.
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5 zeigt
eine Tabelle mit Werten für
nach der klassischen Theorie berechnete Wicklungsfaktoren für die Drehstrom-Bruchlochwicklung 20 in 2 mit
q = 1,5 im Vergleich zu der Drehstromwicklung mit einer Nut pro
Pol und Strang (einfachste Variante einer Drehstromwicklung) und
der für
kleine Maschinen üblichen
Variante mit q = 2 (zwei Nuten pro Pol und Strang)
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6 zeigt
eine grafische Darstellung eines mit Hilfe der Methode der finiten
Elemente (numerisch) ermittelten Verlaufes der induzierten Spannung (EMK)
eines Stranges (durchgezogene Linie) sowie eine mit einer Fourier-Analyse
ermittelte Grundschwingung dieses Verlaufes (gestrichelte Linie)
für die
Synchronmaschine 40 nach 4. Es ist
gut zu erkennen, das der numerisch ermittelte Verlauf sogar besser
ist, d. h. weniger Oberschwingungen enthält, als mit Hilfe der klassisch-analytisch
ermittelten Wicklungsfaktoren angenommen werden konnte.
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Die
durch die Wicklungskonfiguration bedingte Größen- und Querschnittsverteilung
der Nuten lässt
noch Freiheitsgrade bezüglich
der Nutverteilung (Variation der Nutteilung) und der Gestaltung
der Zahnköpfe
zu.
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7 zeigt
eine grafische Darstellung für eine
Verteilung von Nuten 70 bei konstant gehaltener Nutteilung,
bei der bezogen auf eine jeweilige Mittellinie 27 der Nuten 21 ein
Abstand zwischen benachbarten Nuten über die gesamte Verteilung
der Nuten 70 gleich ist. Bleibt zusätzlich auch die Nutschlitzbreite,
nämlich
die Breite der Öffnung
der Nuten 21 zum Luftspalt hin, konstant, wird automatisch
eine konstante Breite der Zahnköpfe
erhalten. Bedingt durch die konstante Nutteilung variiert die Breite
der Zähne, was
eine unterschiedliche magnetische Belastung (magnetische Flussdichte – magnetische
Spannungsabfall) derselben verursacht. Soll diese magnetische Belastung
vereinheitlicht werden, d. h. das Verhältnis Zahnbreite zu Nutteilung
soll entlang des Luftspaltumfanges in etwa gleich bleiben, dann
muss die Nutteilung variiert werden.
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8 zeigt
eine grafische Darstellung für eine
Verteilung von Nuten 80 mit ungleichmäßiger Nutteilung, bei der bezogen
auf die jeweilige Mittellinie 27 der Nuten 21 die
Abstände
zwischen benachbarten Nuten über
die Verteilung der Nuten 80 mindestens zwei unterschiedliche
Abstände
umfassen.
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Die
in den 7 und 8 vorgestellten Varianten wurden
hinsichtlich der Rastmomente untersucht, die bei mittels Permanentmagnet
erregten Synchronmaschinen mit wirtschaftlicher Oberflächenmontage
der Magneten zwangsläufig
auftreten. Das Ergebnis ist in 9 gezeigt,
welche eine grafische Darstellung für Torque = f(k) für die Verteilung von
Nuten 70 aus 7 (durchgezogene Linie) und die
Verteilung von Nuten 80 aus 8 (gestrichelte Linie)
zeigt. Hierbei bezeichnen Torque das Drehmoment bezogen auf die
Maschinenlänge
und k das Verhältnis
von Magnetbreite zu Polbreite, beispielsweise gilt bei k = 0.5:
Magnetbreite = halbe Polbreite. Die Variante mit konstanter Nutteilung
und somit konstanter Zahnkopfbreite gemäß 7 bietet
das größere Optimierungspotenzial,
da für
bestimmte Magnetbreiten k·τp minimale
Rastmomente erzielt werden können.
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Die
vorangehenden Erläuterungen
beziehen sich auf eine Drehstrombruchlochwicklung. Die Erfindung
kann jedoch auch bei Bruchlochwicklungen genutzt werden, die nicht
als Drehstrom-Variante ausgeführt
sind. Drehstrom bedeutet im allgemeinen ein dreiphasiges System.
Maschinen können
aber auch N-phasig (N – 1,
2, 5, ...) gebaut sein. Eine Wicklung für Systeme, bei denen es auf
eine Sinusförmigkeit der
induzierten Spannung ankommt, ist im Fall des 1-phasigen Systems
beispielsweise ein Permanentmagnetgenerator.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten
Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung
sein.