Comparison of an induction machine with both conventionally distributed and fractional-slot concentrated stator windings

Abstract

The desired high energy conversion efficiencies over a complete operating torque and speed range combined with the recent increase in cost of rare-earth magnets have brought forth a renewed interest in the induction machine (IM) as a possible alternative to the rare-earth permanent magnet (PM) machine. Fractional-slot concentrated windings (FSCWs) allow significant cost reduction of a machine by reducing copper volume and manufacturing time. However, this type of winding is generally discussed in the context of brushless PM machines. The higher harmonic content of FSCWs is generally understood to be a significant drawback for such designs. We aim to substantiate this understanding by comparing the performances of a baseline IM with a conventional, distributed winding to machines with FSCWs.

Zusammenfassung

Der hohe und auch stark schwankende Magnetpreis von Seltenerdmagneten führt vermehrt zum Wunsch, Rotoren von Permanentmagnet-erregten Motoren mit Zahnspulenwicklungen im Ständer durch solche von Asynchronmaschinen zu ersetzen (Käfigläufer). Diese Kombination soll bei nahezu gleich guter Leistungsdichte, aufgrund des reduzierten Kupfervolumens und kürzerer Fertigungszeit, die Herstellungskosten wesentlich senken. Im Vergleich mit verteilten Wicklungen weisen Zahnspulenwicklungen einen erhöhten Anteil an Oberwellen auf, was allgemein als Nachteil für eine mögliche Realisierung von Asynchronmaschinen mit einer derartigen Ständerwicklung gesehen wird. Mit dieser Veröffentlichung soll dieses Verständnis durch einen systematischen Vergleich zweier Asynchronmaschinen, einer mit einer verteilten Ständerwicklung und einer mit einer Ständerwicklung in Zahnspulentechnik, aufgearbeitet und anschaulich herausgearbeitet werden.