DE102006024520B4 - Anordnung mit einer Wicklung für eine elektrische Maschine - Google Patents

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Abstract

Anordnung mit einer Strangwicklung für eine elektrische Maschine mit einer Anzahl von n Strängen (n = 1, 2, ...), wobei
– die Strangwicklung 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, und
– dass 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.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer Wicklung für eine elektrische Maschine.
  • Hintergrund der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 4τNN – Nutteilung) pro Strang aufweisen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform kann vorsehen, dass das erste Spulen-Volumen einem Mehrfachen des zweite Spulen-Volumen entspricht.
  • 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.
  • 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.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Wicklung frei von Zweischichtwicklungen ist.
  • 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.
  • Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einer Drehstrom-Bruchlochwicklung nach dem Stand der Technik;
  • 2 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einer Drehstrom-Bruchlochwicklung;
  • 3 eine Schnittdarstellung einer Maschine mit der Drehstrom-Bruchlochwicklung aus 2;
  • 4 eine Schnittdarstellung einer mittels Permanentmagnet erregten Synchronmaschine mit der Drehstrom-Bruchlochwicklung aus 2;
  • 5 eine Tabelle mit Werten für nach der klassischen Theorie berechnete Wicklungsfaktoren für die Drehstrom-Bruchlochwicklung aus 2;
  • 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;
  • 7 eine grafische Darstellung für eine Verteilung von Nuten mit gleichmäßiger Nutteilung;
  • 8 eine grafische Darstellung für eine Verteilung von Nuten mit ungleichmäßiger Nutteilung; und
  • 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).
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von 2 bis 9 näher erläutert. Hierbei werden für gleiche Merkmale dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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)
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (13)

  1. Anordnung mit einer Strangwicklung für eine elektrische Maschine mit einer Anzahl von n Strängen (n = 1, 2, ...), wobei – die Strangwicklung 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, und – dass 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.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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.
  3. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Spulen-Volumen zumindest einer der Nuten genau eine Spule und im Spulen-Volumen zumindest einer anderen der Nuten mehrere Spulen angeordnet sind.
  4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten als eine alternierende Folge der Nut mit dem ersten Spulen-Volumen und der Nut mit dem zweiten Spulen-Volumen gebildet sind.
  5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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.
  6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten gemäß einer die folgenden Nutkonfigurationen angeordnet ist: symmetrische Nutkonfiguration und asymmetrische Nutkonfiguration.
  7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strangwicklung eine Bruchlochwicklung ist.
  8. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchlochwicklung eine Drehstrom-Bruchlochwicklung ist.
  9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spulen-Volumen einem Mehrfachen des zweite Spulen-Volumen entspricht.
  10. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten in einem der folgenden Bauteile gebildet sind: Stator und Rotor.
  11. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Strangwicklung die mindestens zwei korrespondierenden Pole des Magnetfeldes gebildet sind, wobei die Nutzahl pro Pol 1.5 beträgt.
  12. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strangwicklung frei von Zweischichtwicklungen ist.
  13. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strangwicklung in einer der folgenden elektrischen Maschinen gebildet ist: Permanentmagnet-Motor, elektrisch erregte Synchronmaschine und elektrisch erregte Asynchronmaschine.
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