Die zunehmenden Ansprüche an den Wirkungsgrad elektrischer Maschinen sind beim Entwurf nicht immer leicht zu erfüllen. Das erfordert, alternative Entwurfsansätze wie z. B. kombinierte Stern-Dreieck-Wicklungen zu untersuchen. Diese Wicklungskonfiguration wurde vor über 100 Jahren vorgeschlagen, rückt aber erst in letzter Zeit in den Fokus. Es handelt sich dabei um eine quasi-sechssträngige Wicklung mit einer, im Vergleich zu einer Standardwicklung in Stern- oder Dreieckschaltung, verbesserten Durchflutungskurve. Diese Arbeit liefert Beiträge zu den Auswirkungen der Kombinationsschaltung auf verschiedene Typen elektrischer Maschinen, wobei die Verluste im Mittelpunkt stehen.
Zunächst werden bekannte analytische Berechnungsansätze, insbesondere für Runddrahtwicklungen, erweitert und ergänzt. Dabei zeigt sich, dass der Gruppenwicklungsfaktor der Grundwelle um etwa 3,5 % über dem der Standardwicklung mit gleicher Nut- und Polpaarzahl liegt, während gleichzeitig der Oberwellengehalt der Durchflutung sinkt. Diese beiden Eigenschaften bilden die Grundlage aller erreichbaren Vorteile.
Am Beispiel einer 4 kW-Käfigläuferasynchronmaschine wird eine deutliche Verlustreduktion v. a. im Teillastbetrieb erreicht. Dabei reduziert die Kombinationsschaltung Sondereffekte von Maschinen kleiner Leistung, wie den anteilig hohen Magnetisierungsstrom und die hohen Zusatzverluste, sodass die positiven Auswirkungen besonders stark zutage treten. Messungen nach der Norm DIN 60034-2 bestätigen diese analytisch gewonnenen Erwartungen.
Bei einer stromrichterbetriebenen 7,5 kW-Synchronreluktanzmaschine und einer netzanlauffähigen permanentmagneterregten 2,83 kW-Synchronmaschine zeigen Finite-Elemente-Simulationen Steigerungen der Induktivitäten der d- und q-Achse und des Drehmoments durch die kombinierte Wicklung auf, welche von den jeweiligen Strömen abhängen. Umgekehrt sinken bei gleichem Drehmoment die Stromwärme- oder Ummagnetisierungsverluste, was bei Stromrichterspeisung durch die Wahl einer entsprechenden Strategie beeinflusst werden kann. Für beide Maschinen sind in Normen keine Einzelverlustmessverfahren angegeben. Hier werden Belastungs- und Leerlaufversuche sowie, im Fall der Synchronreluktanzmaschine, ein Auslaufversuch vorgeschlagen, um die Verlustanteile zu trennen.
Abschließend wird der Frage nachgegangen, ob sich Kombinationsschaltungen auch bei Maschinen mit Hairpinwicklungen vorteilhaft einsetzen lassen. Solche Maschinen werden typischerweise in elektrischen Straßenfahrzeugen genutzt, sodass eine Steigerung der Leistungsdichte aufgrund geringerer Verluste attraktiv wäre. Trotz Herausforderungen wie einer eingeschränkten Wahl der Windungszahlen sind die Eigenschaften der Durchflutungskurven verschiedener vorstellbarer Wicklungskonfigurationen vielversprechend. Finite-Elemente-Simulationen eines Beispielmotors zeigen allerdings, dass im Dreieck zirkulierende Stromoberschwingungen die Vorteile zunichte machen. Problematisch ist dabei neben einem höheren Stromeffektivwert die Stromverdrängung, was mit analytischen Berechnungen unterfüttert wird.
Insgesamt ergeben sich bei mäßig ausgenutzten Maschinen mit Runddrahtwicklungen Wirkungsgradsteigerungen von teilweise mehr als einem Prozentpunkt, sodass dort ein Einsatz der kombinierten Wicklung zu empfehlen ist. Höher ausgenutzte Maschinen mit massiven Leitern scheiden dagegen aufgrund starker unerwünschter Nebeneffekte als Einsatzgebiet aus.