DE10260316A1 - Elektrische Maschine mit Wicklungen aus Litzendraht - Google Patents

Abstract

Elektrische Maschinen und insbesondere Gleichstommaschinen mit Kompensationswicklungen (6) und/oder Wendepolwicklungen sollen wirtschaftlich günstiger gestaltet werden. Hierzu wird vorgeschlagen, dass die Wendepol- und Kompensationswicklungen (6) mit Hilfe von Litzen realisiert werden. Diese ermöglichen bei rechteckigem oder verformbarem Querschnitt einen hohen Nutfüllfaktor und aufgrund ihrer Flexibilität eine geringe Ausladung des Wickelkopfs. Bei Litzenleiter-Wicklungsstäben und -Schaltringen sind die Stromverdrängungseffekte deutlich reduziert. Eine weitere Reduktion stellt sich ein, wenn die Filamente in den Litzen gegeneinander isoliert sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichstrommaschine mit mindestens einer Kompensationswicklung und/oder Wendepolwicklung zum Ausgleich einer Ankerrückwirkung. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung generell elektrische Maschinen mit Läuferwicklungen.
• Bei schwankender Belastung einer Gleichstrommaschine kommt es zu einem veränderlichen Ankerstrom und einem entsprechenden, mehr oder weniger starken Ankerquerfeld. Wendepolwicklungen erzeugen daher ein Wendefeld, das dem Ankerquerfeld entgegengerichtet ist und es somit reduziert. Da das Wendepolfeld nicht in der Lage ist, das gesamte Ankerquerfeld zu erfassen, ist üblicherweise zusätzlich eine Kompensationswicklung in den Hauptpolen untergebracht.
• Gängigerweise werden Wendepol- und Kompensationswicklungen von Gleichstrommaschinen aus Runddraht-, Flachdraht- oder Stabwicklungen (Normal-, Einzel-, Doppelleiter, ...) ausgeführt. Die für die Kompensationswicklungen verwendeten Nutformen sind offen, halb oder ganz geschlossen. An die jeweilige Nutform angepasst ist die Form der einzubringenden Leiter beziehungsweise die Technik, mit der die Leiter in die jeweiligen Nuten eingebracht werden. Bei Wendepolen ist der für die Wicklungen zur Verfügung stehende Raum im allgemeinen unregelmäßig, was häufig eine geringe Nutfüllung zur Folge hat.
• Bei Ausführungen mit Runddrähten ergibt sich durch die unvermeidbaren Zwischenräume zwischen den Runddrähten eine relativ schlechte Nutfüllung. Ein entsprechend niedriger Wirkungsgrad ist die Folge. Bei Ausführungen mit Flachdraht- oder Stabwicklung, die im Bereich der Wickelköpfe aufgrund der Zylinderform der Gleichstrommaschine durchgerundet werden müssen, ergibt sich eine große Wickelkopfausladung. Folge davon ist, dass im Vergleich zu den Abmessungen der Maschine nur ein verhältnismäßig kleines Drehmoment beziehungsweise ein geringer Wirkungsgrad erzielt werden kann.
• Ferner besteht bei elektrischen Maschinen, deren Wicklungen mit Stäben ausgeführt sind, das Problem der Stromverdrängung. Selbst wenn die Stäbe in Teilleiter unterteilt sind, ist die Stromverdrängung zwar deutlich reduziert, aber sie besteht dennoch in den Teilleitern fort. Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine elektrische Maschine und insbesondere eine Gleichstrommaschine vorzuschlagen, deren Wirkungsgrad gegenüber bekannten Maschinen erhöht ist.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Gleichstrommaschine mit mindestens einer Kompensationswicklung und/oder mindestens einer Wendepolwicklung zum Ausgleich einer Ankerrückwirkung, wobei die Wendepol- und/oder Kompensationswicklung aus mindestens einer Litze mit einer Vielzahl an Filamenten gefertigt ist.
• Der Aufbau der Wendepol- und Kompensationswicklungen von Gleichstrommaschinen in Litzentechnik bringt den elektrischen Vorteil einer reduzierten Stromverdrängung in den Leitern. Dadurch, dass die einzelnen Filamente der Litze auch ohne künstlich aufgebrachte Isolierschicht einen natürlichen Oxidfilm auf der Oberfläche besitzen, verfügen sie über eine minimale Isolierung, so dass der Strom gleichmäßiger verteilt in den aus mehreren Litzen bestehenden Leitern fließt. Wenn die einzelnen Filamente der Litze gegeneinander durch geeignetes Isoliermaterial isoliert sind, sinken die Verluste durch Stromverdrängung selbstverständlich weiter.
• Ein weiterer Vorteil der mit Litzentechnologie gefertigten Wendepol- und Kompensationswicklungen besteht darin, dass die Wickelköpfe kleiner gestaltet werden können. Der Grund hier für ist, dass die Litzen gegenüber anderen Spulenmaterialien flexibler sind. Diese Flexibilität ermöglicht einen sehr einfach zu formenden Wickelkopf mit kürzerer Ausladung, so dass beispielsweise bei gleichen Motorabmessungen höhere Drehmomente erzielt werden können.
• Die Flexibilität der Litze ermöglicht auch, den Wickelkopf derart zu gestalten, dass eine bessere Entwärmung möglich ist. So kann der Wickelkopf beispielsweise in Blattform gestaltet werden, die eine vergleichsweise hohe Oberfläche besitzt und damit einen erhöhten Wärmeabtransport garantiert.
• Die für die Kompensationswicklungen verwendeten Litzen können einen rechteckförmigen Querschnitt wie bei Flachdrahtspulen besitzen. Damit ist ebenfalls ein hoher Nutfüllfaktor gewährleistet. Die Litzendrahtspulen erfordern aber nicht im Gegensatz zu Flachdrahtspulen ein Durchrunden der Spulenstirnseiten vor dem Einbau.
• Die Litzendrähte zur Herstellung der Wendepol- und Kompensationswicklungen können auch einen verformbaren Querschnitt besitzen. Falls die Filamente jeder Litze nicht künstlich isoliert sind, ist der Litzenquerschnitt in der Regel auch ohne weiteres verformbar und passt sich während des Wickelns an die Nutform beziehungsweise die bereits in die Nut eingebrachten Litzen an. Ebenso anpassungsfähig sind Litzen, die beispielsweise durch Extrusion in hochflexible Massen zur Isolation eingebettet sind. Dieser umformbare Querschnitt der Litzen ermöglicht grundsätzlich höhere Nutfüllfaktoren und damit bessere elektrische Kennwerte. Insbesondere bei Wendepolwicklungen kann eine gezielte Anpassung an die Gegebenheiten des Wickelraumes vorgenommen werden. Der zu Verfügung stehende Platz zwischen Hauptpolspule und Wendepolkern kann durch die hohe Flexibilität des Litzenleiters besser genutzt werden. Die Ausladung der Spulenwickelköpfe wird kürzer und die Verluste damit kleiner.
• Bei Verwendung von Flachdraht werden üblicherweise Einzelspulen zur Herstellung der Wicklungen benötigt. Im Gegensatz hierzu können bei der Verwendung von flexiblen Litzen Spulengruppen zusammenhängend gewickelt werden. Somit kann auf Schaltverbindungen zwischen Einzelspulen und Spulengruppen verzichtet werden, was zu Kosteneinsparungen führt. Eine weitere Kostenreduzierung kann erreicht werden, indem die Litze direkt auf die Verbindungsstelle zum nächsten Bauteil geführt wird und somit das Anschließen von separaten Leitungen entfällt.
• Anders als bei massiven Leitern ermöglicht der Einsatz von Litzenleitern jeglicher Form ein direktes Einwickeln in die Nuten für die Kompensationswicklungen und um die Wendepolkerne. Auch dies erhöht die Wirtschaftlichkeit erheblich.
• Sind aus elektrischer Sicht geschlossene Nuten erforderlich, so können die Massivstäbe durch Litzenleiter ersetzt werden, die in die Nuten eingefädelt werden. Auch in diesem Fall können die Wendepol- bzw. Kompensationsspulen fortlaufend gewickelt werden, wodurch sich der Aufwand für das Formen des Wickelkopfs erheblich reduziert. Auch das Verbinden der Einzelstäbe miteinander zur Spule entfällt für diesen Fall.
• Erfindungsgemäß wird ferner eine elektrische Maschine mit einem Läufer, in dessen Nuten eine Läuferwicklung eingebracht ist, vorgeschlagen, wobei die Läuferwicklung zumindest teilweise aus Litze, deren Filamente untereinander isoliert sind, hergestellt ist.
• Besonders günstig ist es auch hier, wenn die Läuferwicklung Stäbe umfasst, dass diese aus Litze gefertigt sind, um die Effekte der Stromverdrängung zu reduzieren. Ebenso ist es günstig, die in elektrischen Maschinen zum Verschalten der Wicklung eingesetzten Schaltringe nicht aus massivem Flach- oder Rundmaterial, sondern ebenfalls aus Litze herzustellen. Dadurch ergeben sich sinngemäß die gleichen Vorteile, wie sie oben im Zusammenhang mit Wendepol- und Kompensationsspulen dargelegt wurden, aber auch günstigere Vibrationsverträglichkeit.
• Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
• 1 einen Querschnitt durch einen Teil eines Motors mit Kompensationsspule;
• 2 einen Querschnitt durch eine Wendepolspule gemäß dem Stand der Technik;
• 3 eine erfindungsgemäß mit Litzenleiter ausgeführte Wendespule.
• Die nachfolgend aufgeführten Ausführungsformen stellen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. In der Figur ist ein Ausschnitt des Stators einer Gleichstrommaschine dargestellt. Hauptpole 1 sind über ein Hauptpoljoch 2 magnetisch miteinander gekoppelt. Die Hauptpole 1 werden durch entsprechende Hauptpolspulen 3 erregt. Zwischen den Hauptpolen 1 ist ein Wendepol 4 angeordnet, der wiederum durch eine Wendepolspule 5 erregt wird. Radial unterhalb der Hauptpole 1 und des Wendepols 4 ist dem nicht dargestellten Läufer zugewandt eine Kompensationswicklung 6 vorgesehen. Die Kompensationswicklung 6 ist in Nuten 7, die in dem Hauptpol angeordnet sind, eingewickelt.
• Die Kompensationswicklung 6 besteht aus einer Litzendrahtwicklung, wobei jede Litze einen formbaren Querschnitt besitzt, so dass ein höherer Nutfüllfaktor erzielt werden kann als bei Runddrahtwicklungen. Die Litzendrahtspulen der Kompensationswicklung 6 sind in die teiloffenen Nuten 7 eingeträufelt beziehungsweise direkt eingewickelt. Darüber hinaus sind die Spulen der Kompensationswicklung 6 zusammenhängend gewickelt, so dass Schaltverbindungen entfallen können.
• 2 zeigt schematisch die Anordnung einer Wendepolspule 5 auf einem Wendepolkern 4 gemäß dem Stand der Technik. Der Hauptpolkern 1 und die Hauptpolspule 3 sind in 2 ebenfalls angedeutet. Der Hauptpolkern 1 ist mit dem Wendepolkern 4 über das Joch 2 verbunden.
• Der Raum zwischen der Hauptpolspule 3 und dem Wendepolkern 4 ist möglichst vollständig mit der Wendepolspule 5 zu füllen. Da die Wendepolspule 5 aus Flachdraht gewickelt ist, ergibt sich eine stufenförmige Gestalt der Wendespule 5. In radialer Richtung wird die Wendepolspule 5 durch eine Fixierung 8 am Wendepolkern 4 gehalten.
• Eine erfindungsgemäß verbesserte Wendepolspule 51 ist in 3 dargestellt. Durch die dreieckförmige Gestalt der Wendepolspule 51 ist der Raum zwischen Wendepolkern 4 und Hauptpolspule 3 wesentlich besser ausgenutzt. Der Litzenaufbau der Wendepolspule 51 ermöglicht jegliche beliebige Formgebung. Durch die bessere Ausnutzung des Raumes kann der Wirkungsgrad entsprechend verbessert werden. Auch bei der Ausführungsform gemäß 3 wird die Wendepolspule 51 durch eine Fixierung 8 am Wendepolkern 4 gehalten. Die übrigen Komponenten des Motors sind mit denen aus 2 identisch.
• Zur Gewährleistung hinreichender Festigkeit insbesondere im Wickelkopfbereich sind Zusatzmaßnahmen im Gegensatz zu Flachdrahtwicklungen erforderlich. Zur Erhöhung der Steifigkeit der Wickelköpfe aus Litzendraht werden diese imprägniert. Dies erfolgt beispielsweise mit einem aushärtbaren Kunstharz. Die Imprägnierung der Wendepol- und Kompensationswicklungen nicht nur im Wickelkopfbereich hat darüber hinaus den Vorteil, dass Lufteinschlüsse, die unter Umständen zu Überschlägen führen, beseitigt werden. Ferner verbessert die Imprägnierung den Wärmeabtransport von den Spulen, vor allem im Wickelkopfbereich.

Claims (13)

1. Gleichstrommaschine mit – mindestens einer Kompensationswicklung (6) und/oder mindestens einer Wendepolwicklung zum Ausgleich einer Ankerrückwirkung, dadurch gekennzeichnet , dass – die Kompensationswicklung und/oder die Wendepolwicklung aus mindestens einer Litze mit einer Vielzahl an Filamenten gefertigt ist.
2. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Litze einen rechteckförmigen Querschnitt besitzt.
3. Gleichstrommaschine nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Litze einen umformbaren Querschnitt besitzt.
4. Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Filamente gegeneinander isoliert sind.
5. Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kompensationswicklung (6) und/oder die Wendepolwicklung zusammenhängend gewickelte Spulen umfasst.
6. Gleichstrommaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kompensationswicklung (6) und/oder Wendepolwicklung Litzenleiterstäbe umfasst.
7. Elektrische Maschine mit – einem Läufer, in dessen Nuten eine Läuferwicklung eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Läuferwicklung zumindest teilweise als Litze, deren Filamente untereinander isoliert sind, hergestellt ist.
8. Elektrische Maschine nach Anspruch 8, wobei die Nuten im Läufer geschlossen sind und Stäbe aus Litze, deren Filamente untereinander isoliert sind, in die geschlossenen Nuten eingebracht sind.
9. Elektrische Maschine nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Läuferwicklung mindestens einen Schaltring umfasst, der aus Litze gefertigt ist.
10. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Litze einen rechteckförmigen Querschnitt besitzt.
11. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Litze einen umformbaren Querschnitt besitzt.
12. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Läuferwicklung zusammenhängend gewickelte Spulen umfasst.
13. Elektrische Maschine mit – einer Wicklung zur Erzeugung eines Magnetfelds, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wicklung durch einen Schaltring aus Litze verschaltet ist.