DE10137201A1

DE10137201A1 - Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE10137201A1
Application number: DE2001137201
Authority: DE
Inventors: Joerg Bobzin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2003-02-27

Abstract

Bei der Erfindung handelt es sich um den gezielten Einsatz und die Nutzung mehrerer geometrischer Effekte, bei der Auslegung einer bestimmten Wicklungsart, eines Leiters einer rotierenden Maschine, in Verbindung mit bestimmten konstruktiven Formen dieser Maschine, was zu hocheffektiven, hocheffizienten, kompakten, leicht zu fertigenden und preiswerten Maschinen führt. DOLLAR A Bei der Wicklungsart handelt es sich um eine Luftspaltwicklung mit mindestens teilweise schrägen oder bogenförmig zur Bewegungsrichtung verlaufenden Leitern. DOLLAR A Die konstruktive Form besteht darin, daß die Leiter innerhalb einer rotierenden Maschine, im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung, gezielt gebogen oder gefaltet sind, wobei die Wicklung sich der Achse oder Welle, in Achsrichtung, mindestens einseitig annähert. DOLLAR A Die günstigen geometrischen Effekte, die u. a. zur verbesserten Leiternutzung führen, entstehen durch die konstruktive Form der Biegung oder Faltung mit Achsannäherung der Wicklung und durch die gezielte Verzerrung des herkömmlichen Wickelschemas innerhalb der gebogenen oder gefalteten Form der Wicklung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftspaltwicklung, bestehend aus zweipoligen Luftspulen für rotierende elektrische Maschinen als Motoren oder Generatoren, die einen Luftspalt aufweisen, in dem die Wicklung verläuft, wobei sich das magnetische Feld einer Feldeinrichtung im Luftspalt relativ zur Wicklung bewegt und die Luftspaltwicklung in Form einer Schrägwicklung oder Wicklung mit teilweise schrägen oder evolventen Leitern, als Wellen- oder Schleifenwicklung oder einer Kombination daraus, mit einfacher Leiterführung oder mit Spulen mit Mehrfachwindungen, besteht.
Definition "zweipolige Luftspule": Eine Luftspule, die sich gleichzeitig im Wirkungsbereich beider magnetischer Pole befindet. Das bedeutet, daß jede Spulenseite einer Luftspule sich im Moment der maximalen Energieumsetzung im Wirkungsfeld einer Polart befindet und die Polart der beiden Spulenseiten unterschiedlich ist und sich deren Wirkungen in der Luftspule ergänzen, wobei zur Spulenseite auch die feldfreien Leiterbereiche zwischen benachbarten Polen gleicher Polart gehören (Definition: Spulenseite). Zwei Spulenseiten sind direkt oder durch Leiter, zu einer geschlossenen oder offenen Luftspule, verbunden, deren in Bewegungsrichtung liegender Anteil sehr groß ist, und deshalb als unwirksamer Leiteranteil, oder wenn er außerhalb des Feldes liegt im allgemeinen als Wickelkopf, bezeichnet wird.
Bei der Betrachtung des Verlaufes des Luftspaltes ist im Folgenden immer die Sicht, im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung, gemeint.
Mit dem Begriff "Feldeinrichtung" sind alle Teile der elektrischen Maschine gemeint, die der Erzeugung, Speicherung, Leitung und Begrenzung des magnetischen Feldes innerhalb der Maschine dienen, wobei das luftspaltbegrenzende erste und zweite Körper, luftspaltbegrenzende Körper im Faltbereich der Luftspule, einseitig des Leiters im Faltbereich angebrachte magnetische Pole, die keine direkte gegenüberliegende Luftspaltbegrenzung haben, und Verbindungskörper zwischen erstem und zweiten Körper sein können.
Bekannt sind rotierende elektrische Maschinen aus PCT/EP99/08683, deren Luftspulen sich frei im Luftspalt relativ gegenüber dem magnetischen Feld im Luftspalt bewegen, und dabei um einen Körper im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung gefaltet sind. Diese Maschine ist die optimale konstruktive Form, um mechanische in elektrische Energie und umgekehrt umzusetzen. Jedoch bedeutet es, zwei oder mehr Luftspaltabschnitte mit magnetischen Polen und einer freien Luftspaltwicklung auszustatten, und somit ein erhöhten konstruktiver und materieller Aufwand, sowie eine größere axiale Maschinenlänge und in manchen Ausgestaltungen ein größer Durchmesser.
Weiterhin sind Glockenwicklungen in Microtechnik von der Firma Dr. Faulhaber GmbH. & Co KG bekannt, die als Wellenwicklung mit schräge verlaufenden Leitern und zweipolig aufgebaut sind und entweder frei von Eisen im Luftspalt rotieren und mechanisch kommutiert werden oder einseitig mit einem Eisenrückschluß hinterlegt sind und dabei vorzugsweise innerhalb der Wicklung ein Magnet rotiert, wobei die Spulen elektronisch kommutiert werden.
Aus den VDI-Nachrichten, Dr. F. Faulhaber, "Ein Zwergmotor läßt sich besonders schnell regeln" Nr. 2, 1962, S. 4,5, ist solch eine freie Schrägwicklung im Luftspalt als mechanisch kommutierte Läuferwicklung bekannt. Die Vorteile dieser Schrägwicklung sind die einfache Fertigung und Montage und ihre gute selbsttragende Eigenschaft, sowie deren geringe Masse und hohe Dynamik beim Einsatz als Läuferwicklung.
Nachteile dieser Wicklungen sind der große unwirksame Leiteranteil innerhalb jeder Spule der Wicklung, der hohe Kupferverluste zur Folge hat. Die Ursachen dafür sind einerseits die geringe wirksame Wicklungsfläche (Polfläche) dieser Wicklungsart, die unter 50% der Wicklungsfläche liegt, was kaum bekannt ist, und andererseits der schräge Leiterverlauf zur Bewegungsrichtung. Ein weiterer Nachteil ist, daß der wirksame Leiter dieser Wicklung bei herkömmlichen Maschinen nur durch eine axiale Verlängerung der Maschine oder durch Vergrößerung des Wicklungsdurchmessers erhöht werden kann. Beides erreicht sehr schnell mechanische Grenzen aufgrund der hohen Fliehkräfte im Zusammenhang mit der nur einseitigen Lagerung der mechanisch kommutierten Wicklung, so daß bei diesen Läuferwicklungen nur Leistungen von unter 100 W erreicht werden. Die mit Rückschluß hinterlegten elektronisch kommutierten Luftspulenmaschinen erreichen ihre Leistungsgrenze durch Wärmeprobleme aufgrund der hohen Kupferverluste.
Ein weiterer Nachteil ist, daß in diesen sehr kleinen Micromaschinen, aus fertigungstechnischen Gründen der ganze Luftspaltbereich mit magnetischen Polen ausgestattet wird und der zumeist zweipolige Innenmagnet diametral magnetisiert ist und nicht, wie es effizient wäre nur der aktive Wicklungsbereich. So entstehen zusätzlich hohe Verluste durch sich in ihrer Kraftwirkung gegenseitig aufhebenden Ströme im inaktiven Wicklungsbereich.
Luftspalt-Schrägwicklungen für Scheibenmaschinen wurden aufgrund ihrer geringen Wirksamkeit technisch nicht realisiert. Ihre geringe Wirksamkeit entsteht durch die Anwendung der Schrägwicklung auf die Scheibenmaschine, wobei die aktiven Wicklungsflächen (Polflächen) ungünstig verzerrt werden. Einerseits verkleinert sich die Flächengröße und andererseits sind die verbleibenden wirksamen Spulenbereiche hauptsächlich im achsnahen Bereich zu finden, die aufgrund der geringen Geschwindigkeit dort weniger effektiv bei der Drehmoment- (Motorbetrieb) oder Spannungserzeugung (Generatorbetrieb), sind (Fig. 9/15). Außerdem sind die Kupferverluste dieser Wicklung sehr groß, weil die unwirksamen Leiterbereiche sehr groß sind. Ein zusätzlicher wesentlicher Nachteil ist, daß, zumindest bei zwei- und vierpoligen Maschinen (Fig. 15), die Zweischichtigkeit der Wicklung im achsnahen Bereich verloren geht und ein dicker Wulst entsteht, wobei die durchgängige Zweischichtigkeit ein wesentlicher Grund des Einsatzes dieser Wicklung wäre, wie es bei Glockenläufern und Evolventenwicklungen bei Scheibenläufern der Fall ist.
Erschwerend kommt noch hinzu, daß je nach Wicklungsausführung Stromzu- und Stromableitung nicht beide in Achsnähe verlaufen, sondern eine von ihnen im Umfangsbereich (Fig. 15), was zu hohen Verlusten im Kommutator führen würde, aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeiten und großen Strecken im Umfang.
Evolventenwicklungen für Scheibenmaschinen mit drahtgewickelten Spulen oder aus gedruckten, geätzten oder gestanzten Leiter sind als eisenfreie Spulenläufer mit mechanischer Kommutierung bekannt, die als Luftspulenwicklung ohne Kontakt mit dem Rückschluß arbeitet. Hier werden die Spulenseiten, die unter den verschiedenen Polen im wesentlichen radial verlaufen vorwiegend durch evolvente Leiter im Umfangsbereich und im achsnahen Bereich miteinander verbunden.
Die Nachteile dieser Wicklung bestehen darin, daß die Kupferverluste innerhalb jeder Spule dieser Wicklung sehr groß sind, da die evolventen Leiterbereiche aufgrund ihrer geringen wirksamen Wicklungsfläche (Polfläche) und ihrer großen Schrägung weniger wirksam sind . im Vergleich zu den radial verlaufenden Leitern im mittleren Durchmesserbereich dieser Maschinen und somit meistens vom Feld ganz ausgespart werden, womit in den meisten Fällen über 50% der Maschinenfläche für die wirksame Nutzung verloren geht. Ein weiterer großer Nachteil bei diesem Wicklungsaufbau ist, daß der hochenergetische Umfangsbereich durch die weniger wirksamen oder sogar unwirksamen Leiter, wenn sie vom Feld ausgespart werden, belegt ist, was zudem den Maschinendurchmesser sehr vergrößert. Dies alles setzt die Wirksamkeit und Effizienz der Maschine stark herab und zieht eine Vielzahl von Nachteilen nach sich.
In allen bekannten Maschinen, mit geringem konstruktiven und materiellen Aufwand, schränken die hohen Kupferverluste die gewünschten Maschineneigenschaften stark ein. So wird die Leistung gemindert, der ohmsche und induktive Widerstand steigt, die Anlaufzeitkonstante und elektrische Zeitkonstante steigen bei Spulenläufern, was zu einer geringen Dynamik führt, die Verlustwärme steigt, wodurch die Belastbarkeit der Maschine und die Lebensdauer und ihre mögliche Kompaktheit sinkt. Die Drehmomente bei Motoren und die erzeugten Spannungen bei Generatoren sind gering, die elektromagnetische Verträglichkeit sinkt aufgrund der hohen Induktivität, wodurch auch die Störabstrahlung steigt, die translatorische und rotatorische Masse ist groß, was für batteriebetriebene Anwendungen und für den Einsatz in Fahrzeugen, sowie im Fall von Spulenläufern, von Nachteil ist, und der hohe ohmsche Innenwiderstand mindert die Abgabeleistung des Generators.
Der hohe induktive Widerstand senkt die Bürstenstandzeiten aufgrund des somit verstärkten Bürstenfeuers. Werden die Kupferverluste durch Vielpoligkeit der Maschine herabgesetzt, erhöht das die Wirbelstromverluste innerhalb der Wicklung, aufgrund der vielen Polübergänge, und der Kommutierungsaufwand steigt. Bei herkömmlichen mit einem Rückschluß verbundenen Wicklungen und solchen Wicklungen, die Wickelköpfe besitzen, sind die Polweite mit den Kupferverlusten funktional verknüpft, so daß die Kupferverluste bei großen Polweiten stark steigen, was sich bei Schrägwicklungen durch einen weniger steilen Verlauf zur Bewegungsrichtung bemerkbar macht.
Weiterhin muß aufgrund der schlechten Leiterausnutzung viel Magnetmaterial und Maschinenvolumen aufgewendet werden, um eine bestimmte Leistung zu erreichen.
Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Maschine zu finden, die einerseits die fertigungstechnischen und elektrischen und mechanischen Vorteile der Luftspaltwicklung . insbesondere der freitragenden Schrägwicklung, mit mindestens teilweise schrägen oder evolventen Leitern, nutzt und andererseits geringe Kupferverluste, sowie große Kompaktheit bei geringem konstuktiven und materiellem Aufwand, aufweist, und damit die Effizienz und die Effektivität der Maschine bei geringem Aufwand groß ist. Da der Spulenausnutzungsgrad ξ innerhalb jeder Spule, wobei der Spulenausnutzungsgrad

l_W wirksame Leiterlänge der Spule oder Teilspule, l Gesamtleiterläge der Spule oder Teilspuleein Maß für die Leistungsfähigkeit der Spule oder Teilspule ist und Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit, Effektivität und Effizienz der gesamten Maschine zuläßt, ist dieser zu steigern.
Die Aufgabe der Erfindung ist außerdem, eine Konstruktionsform und Wicklungsart der Luftspaltwicklung zu finden, die einen Einsatz als Scheibenmaschine mit reiner Schrägwicklung ermöglicht, sowie alle beschriebenen Nachteile löst.
Weiterhin ist eine Möglichkeit zu finden, bei der die Schrägung der Leiter zur Bewegungsrichtung und damit die Kupferverluste möglichst unabhängig von der Wahl der Polweite sind und dies mit den vorgenannten Anforderungen in einer Maschine zu vereinen. Weiterhin ist eine Möglichkeit zu finden, bei der die unwirksame Wicklungsfläche sinkt, damit beim Einsatz in Micromaschinen die Verluste in diesem Wicklungsbereich sinken.
Einer Lösung der Aufgabe liegt die folgende Erkenntnis zugrunde, daß es vorteilhaft sein kann, ganz gegen die Gewohnheit der Überlegungen und Konstruktion von Schrägwicklungen in Zylinderform, die erfunden worden sind, um Wickelköpfe zu vermeiden, hier Wickelköpfe in kauf zu nehmen.
Eine erste Lösung der Aufgabe erfolgt einerseits durch eine Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, in dem die trommelförmige Luftspaltwicklung in Achsrichtung mindestens einseitig außerhalb des Luftspaltes als Wickelkopf verläuft und sich dabei der Achse oder Welle annähert, in dem . ihre Leiter, axial gesehen, auf kürzestem Wege als Sekante den Bereich queren.
Die Vorteile liegen darin, daß der Leiter, der in einem Bereich verläuft, der sich der Achse oder Welle annähert (Stirnseite), erheblich kürzer ist, als wenn er schräge und zickzackförmig über den Umfang verläuft. Auch die wirksame Wicklungsfläche (Polfläche) wird nicht, wie zu erwarten wäre, wenn Leiter der einen Ecke der wirksamen Wicklungsfläche (Polfläche) der herkömmlichen Wicklung außerhalb des Magnetfeldbereiches verlaufen, kleiner, sondern die verbleibende wirksame Wicklungsfläche (Polfläche) bei gleicher axialer Wicklungslänge zwar ihre Form ändert, aber die wirksame Wicklungsfläche (Polfläche) dadurch sogar in den meisten Fällen noch steigt. Dies hat für sich genommen schon eine Steigerung des Spulenausnutzungsgrades zur Folge, weil mehr wirksamer Leiter im Feld liegt. Hinzu kommt, daß die Leiter im Luftspalt jetzt steiler zur Bewegungsrichtung verlaufen, was ebenfalls eine wesentliche Steigerung des Spulenausnutzungsgrades zur Folge hat. Hinzu kommt noch bei Glockenwicklungen, daß die Leiterlänge l, trotz gleichbleibender axialer Wicklungslänge C und zusätzlicher Stirnseitenbewicklung, nahezu gleich bleibt und sich in einigen Fällen sogar verkürzt, da sich hier einerseits der steilere Verlauf im zylindrischen Bereich und andererseits der Wegfall der Zickzackform im Umfangsbereich, sowie die verkürzende Wirkung der Achsannäherung der Leiter positiv auswirken.
Alle diese günstigen Verzerrungen der inneren Wicklungsgeometrie, bei gleichbleibenden Außenabmessungen z. B. des zylindrischen Wicklungsteiles, steigern den Spulenausnutzungsgrad ξ und damit alle beschriebenen Maschineneigenschaften erheblich.
Hinzu kommt noch eine Minderung der Verlustströme in den kleiner gewordenen unwirksamen Leiterbereichen.
Hinzu kommt die Erkenntnis, daß die Wicklung im Stirnbereich auch ebenfalls ideal zweischichtig verläuft, wo man eine Anhäufung der Kreuzungen hätte erwarten können, die zu einem dicken Wulst geführt hätten und damit zu einer Leiterverlängerung und zumindest einer Minderung, oder sogar zu einer Aufhebung des Gewinns durch die sekante Leiterführung, wie man es von genuteten Maschinen her kennt und wie es auch zumindest für zwei- und vierpolige herkömmliche Scheibenschrägwicklungen (Fig. 15) der Fall ist.
Eine weitere Erkenntnis ist, daß die Leiter im Stirnbereich gerade verlaufen können und deshalb sehr leicht bei der drahtgewickelten Ausgestaltung zu wickeln sind, so daß die bisherige Wickelmethode für die Einzelleiterwicklung nur geringfügig abgewandelt werden muß und sogar vereinfachend um eine Kante gewickelt werden kann.
So ist fast ein Paradoxon geschaffen, bei dem ein Teil der Wicklung außerhalb des Feldes angesiedelt wird und doch ein erheblicher Gewinn in jeder Hinsicht entsteht. Der ersten Lösung der Aufgabe liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es auch, ganz gegen die Gewohnheit, bei Scheibenwicklungen mit mindestens teilweise schrägen oder evolventen Leitern, die auch erfunden wurden um Wickelköpfe zu vermeiden, vorteilhaft ist, auch hier Wickelköpfe im Umfangsbereich in Kauf zu nehmen, indem die Leiter vom Umfangsbereich ausgehend sich der Achse oder Welle annähern.
Somit erfolgt die erste Lösung der Aufgabe andererseits durch eine Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruches 1, indem die Wicklung in zwei Bereichen verläuft, die sich jeweils der Achse oder Welle annähern, wobei nur der eine Bereich ein Luftspalt ist und der andere ein feldfreier Bereich ist, in dem der Leiter in Achsrichtung gesehen auf kürzestem Weg als Sekante den Bereich quert.
Damit wird die wirksame Wicklungsfläche (Polfläche) und die wirksame Leiterlänge auch hier in sehr günstiger Weise beeinflußt.
Die Verzerrung der Wicklung verläuft dabei in ähnlicher Weise wie in einem zylindrischen Bereich der zuvor beschriebenen ersten Lösung der Aufgabe, wenn ein Teil des Wicklungsschemas abgetrennt wird, was hier, wie auch bei der ersten Lösung der Aufgabe, der Fall ist.
Die Verbesserungen, wie die Vergrößerung der wirksamen Wicklungsfläche (Polfläche), die Verkleinerung der unwirksamen Wicklungs- und ggf. Polfläche und die verbesserte Lage der Leiter zur Bewegungsrichtung, sind bezogen auf die herkömmliche Scheibenwicklung hier noch ausgeprägter, als bei der zuvor beschriebenen Lösung mit der zylindrischer Wicklung, da die Verzerrung des Wickelschemas nicht nur quer zur Bewegungsrichtung, wie im zylindrischen Luftspaltbereich, sondern auch in Bewegungsrichtung geschieht.
Hinzu kommt, daß die wirksame Wicklungsfläche (Polfläche) eine wesentlich bessere energetische Lage mit hoher Geschwindigkeit im Umfangsbereich bekommen. Der Wicklungsteil, der außerhalb des Luftspaltes verläuft, wird um eine sehr schmale Kante eines . Rückschlußkörpers herumgeführt und dessen Leiter verläuft auf dessen zweiter Stirnseite sekantenförmig sich der Achse oder Welle annähernd wie bei der zylindrischen erstgenannten erfinderischen Lösung der Aufgabe. Auch hier wird Leiterlänge eingespart, was z. B. bei Wicklungen mit zuvor evolventen Leitern im Umfangsbereich u. a. zur Folge hat, daß diese jetzt komplett auf eine Sekante der Rückseite des scheibenförmigen ersten Körpers zusammenschrumpfen. Zudem wird auch durch den steileren Verlauf der Spulenseiten im Luftspalt Leiter eingespart.
Ein weiterer Vorteil ist hier, daß bei drahtgewickelten Spulen mit Schrägwicklung der Wickelvorgang sogar noch einfacher auszuführen ist, als bei herkömmlichen Scheibenschrägwicklungen, wenn sie hergestellt werden würden. Bei ihnen müßte im Umfangsbereich immer um Wickelstifte gewickelt werden, was hier entfällt, weil um die Außenkante gewickelt werden kann, was dem Leiter ausreichend Halt beim Wickelvorgang bietet.
Bisher wurde die Aufgabe damit gelöst, daß die Wicklung in der axialen Ausdehnung etwas größer gewählt wurde und dieser zu groß gewählte Wicklungsbereich auf die Stirnseite entfiel und die Leiter dieses Teiles sich dort entsprechend verkürzten.
Durch diese erfinderische Vorgehensweise, der so vorgenommenen Abtrennung eines kurzen Anteiles der Wicklung als Wickelkopf durch die Varianten der ersten Lösung der Aufgabe, bekommt man in jedem Fall eine wesentliche Verbesserung des Spulenausnutzungsgrades.
Einer Weiterbildung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß diese Aufteilung des Wickelschemas mit einer Teilungslinie in Bewegungsrichtung in einen Luftspaltbereich und einen Wickelkopfbereich verschieden groß im Wickelschema gewählt werden kann, beispielsweise 60% des Wickelschemas im verbleibenden Luftspaltbereich angewendet wird und 40% im Wickelkopfbereich, auch wenn die geometrischen Verhältnisse (axiale Wicklungslänge/Wicklungsdurchmesser) völlig anders sind. Mit solch einer gezielten Verzerrung des Wickelschemas kann man die Werte der wirksamen Wicklungsfläche im Luftspalt, der unwirksamen Wicklungsfläche, der Steilheit der Leiter zur Bewegungsrichtung und damit des Spulenausnutzungsgrades ξ, die Effizienz und die Effektivität der Maschine auf engstem Raum noch wesentlich verbessern.
Alle Betrachtungen der erfindungsgemäßen Verbesserungen wurden stellvertretend an der geschlossenen, symmetrischen Schrägwicklung angestellt. Für Wicklung mit mindestens teilweise schrägen und/oder evolventen Leitern in offener oder geschlossener Form gelten alle beschriebenen Verbesserungen in ähnlicher Weise, nur deren Grad ist unterschiedlich. In den Figuren werden ausschließlich eine Wellenwicklungen in symmetrischer geschlossener Form gezeigt. Eine symmetrische, geschlossene Schleifenwicklung würde gleiche Ergebnisse liefern.
Für geschlossene, symmetrische Schrägwicklungen ist beispielsweise zu sagen, daß die wirksame Wicklungsfläche (Polfläche) im Luftspalt sich bei der Aufteilung durch eine Trennungslinie nur von einer Rautenform in eine Abschnittsform von dieser ändert, die bei einer Aufteilung des Wickelschemas von ca. 5% bis 50% für den Luftspaltbereich, bei gleichzeitig 95% bis 50% für den Wickelkopfbereich, im Luftspalt dreieckig ist. Bei einer Aufteilung des Wickelschemas darüber hinaus, also von 50% bis 95% für den Luftspaltbereich bei 50% bis 5% für den Wickelkopfbereich, ist die wirksame Wicklungsfläche (Polfläche) im Luftspalt eine Raute, bei der eine Ecke mehr oder weniger weit abgeschnitten ist, wobei die Raute oder die Rautenabschnittsform in sich der Achse annäherndem Luftspaltbereich eine verzerrte Form annimmt.
Eine Aufteilung des Wickelschemas von ca. 50 bis 95% für den Luftspaltbereich bringt in jedem Fall einen Gewinn. Dahingegen ist eine Aufteilung von unter 50% für den Luftspaltbereich nicht lohnenswert ist, weil sich die wirksame Wicklungsfläche (Polfläche) im Luftspalt drastisch verkleinert und die unwirksame Wicklungsfläche vergrößert, auch wenn die Steilheit der wenigen im wirksamen Bereich verbleibenden Leiter noch steigt.
Eine Wickelschemaaufteilung von 50% für den Luftspaltbereich (erste Zahl bei der Teilungsangabe) und 50% für den Wickelkopfbereich (zweite Zahl bei der Angabe, also 50%/50%-Teilungsverhältnis) bewirkt für einen zylindrische Luftspaltbereich der ersten Lösung der Aufgabe erstaunlicherweise eine gleich große wirksame Wicklungsfläche (Polfläche), wie in der herkömmlichen Zylinderwicklung, bei gleicher axialer Wicklungslänge C, wobei sich die Rautenform in eine Dreiecksform verändert, was im Grunde die halbe Raute, also ein Abschnitt davon ist. Die Leiter verlaufen, ohne daß eine Einbuße in der wirksamen Wicklungsfläche in Kauf genommen werden muß, am steilsten von allen vorteilhaften Wicklungsschemaaufteilungen. Welche Verbesserung des Spulenausnutungsgrades sich daraus ergibt, hängt von der äußeren Wicklungsgeometrie, dem . Verhältnis
d/C Durchmesser/axiale Wicklungslänge
ab, wobei sich beispielsweise eine Steigerung von ca. 3 bis 18% bei zweipoligen, geschlossenen, symmetrischen Schrägwicklungen ergibt. Auch die Gesamtlänge so einer Wicklung bleibt erstaunlicherweise bei einer Wicklungsschemaaufteilung von 50%/50% nahezu gleich groß und sinkt sogar teilweise, was von der Wahl der äußeren Wicklungsgeometrie abhängt.
Eine 50% Aufteilung bedeutet für die zweite konstruktive Lösung der Aufgabe, daß sich die wirksame Wicklungsfläche (Polfläche) wesentlich vergrößert zu einer Form eines Kreisausschnittes, die einen großen Leiterbereich und einen großen Teilbereich der Luftspaltfläche erfaßt, die zu dem noch im hohen Geschwindigkeitsbereich liegen. Auch die unwirksamen Wicklungsflächen im Luftspalt werden drastisch reduziert.
Wird die Wicklungsschemaaufteilung von 50%/50% gesteigert in Richtung 95%/5%, wird die wirksame Wicklungsfläche im Luftspalt sogar noch größer bis zu einem Maximalwert, der sich bei der Wickelschemaaufteilung von ca. 70%/30% einstellt. Ob die benötigte Leiterlänge dabei, im Vergleich zur herkömmlichen Wicklung bei gleicher äußerer Abmessung, geringfügig nur um wenige Prozente gegenüber der herkömmlichen Wicklung ansteigt, gleich bleibt oder sich sogar verkleinert, hängt von der äußeren Wicklungsgeometrie ab.
Mit der Maximierung der wirksamen Wicklungsfläche im Luftspalt ist auch die Minimierung der unwirksamen Wicklungsfläche in diesem Bereich verbunden. Beide Extremwerte ergeben sich sowohl bei sich der Achse annähernden Wicklungsbereichen (in Achsrichtung gesehen), als auch bei zylindrischen Wicklungsbereichen durch die geometrische Gestaltung von

wobei C die axiale bzw. radiale Wicklungslänge, a die halbe axiale bzw. radiale Rautenlänge im Luftspaltbereich quer zur Bewegungsrichtung ist.
Diese Weiterbildung ist besonders vorteilhaft bei Micromaschinen einzusetzen, bei denen die wirksame Wicklungsfläche nicht exakt mit magnetischen Polen belegt wird sondern darüber hinaus mindestens auch noch Randbereiche und meistens sogar die vollständige Wicklungsfläche. Um hierbei neben der vorteilhaften Verzerrung des wirksamen Wicklungsbereiches, die den Spulenausnutzungsgrad erhöht, auch noch Verluste durch kleinere unwirksame Wicklungsflächen im Luftspalt zu sparen, ist diese Aufteilung am günstigsten.
So bekommt man sowohl für eine zylindrische Maschine der ersten Lösung der Aufgabe als auch für z. B. eine scheibenförmige Maschine der ersten Lösung der Aufgabe eine Wickelschemaaufteilung von ca. 70%/30%.
Die maximale wirksame Wicklungsfläche (Polfläche) steigt beispielsweise im zylindrischen Luftspaltbereich so auf 117,2%, wenn die wirksame Wicklungsfläche einer herkömmliche gleicher äußerer Wicklungsgeometrie Maschine 100% entspricht, wohingegen die Steigerung der wirksamen Wicklungsfläche (Polfläche), im sich der Achse oder Welle annähernden Wicklungsbereich, der zweitgenannten ersten Lösung der Aufgabe noch wesentlich größere Werte annimmt, so daß z. B. bei der scheibenförmigen, achtpoligen Wicklung von Fig. 12 die wirksame Wicklungsfläche auf 247% steigt, wenn diejenige der herkömmlichen Wicklung von Fig. 9 gleicher Außenabmessungen 100% entspricht.
Bei einer Wickelschemaaufteilung über 70%/30% (d. h. 70% aufwärts), hinaus nimmt die wirksame Wicklungsfläche im Luftspalt wieder ab und die Steilheit der Leiter in diesem Bereich nimmt ebenfalls weiter ab.
Daraus ergibt sich die Erkenntnis, daß günstige Wicklungsaufteilungen, für beide Varianten der ersten Lösung der Aufgabe bei ≤ 70%/ ≥ 30% liegen, was einem Sekantenwinkel von ≥ 112° bei einer zweipoligen Ausführung entspricht. Allerdings gibt es auch oberhalb dieser Grenze, d. h. > 70%/< 30%, praktikable Lösungen mit noch relativ großer wirksamer Wicklungsfläche, zwar weniger steilen Leitern, aber teilweise trotzdem mit Gesamtleiterlängen, die unter 100% liegen. Solche Leiterverkürzungen kann man bei jeder Wicklungsaufteilung erreichen, wenn die dafür nötige äußere Wicklungsgeometrie zur praktischen Anwendung paßt.
Weiterbildungen bestehen darin, daß Wicklungen mit trommelförmigen, vorzugsweise zylindrischen Anteilen in axialer Richtung beidseitig Wickelköpfe aufweisen, die als Sekante axial gesehen über die jeweilige Stirnseite verlaufen, so daß man den positiven Effekt der sich der Achse oder Welle annähernden Wickelkopfleiter doppelt nutzt, womit man auch eine Verdoppelung der Verbesserungen erwarten könnte, was aber noch darüber hinaus geht. So steigt, bei einer Wicklungsteilung 70%/30% zum Erreichen der maximalen wirksamen Wicklungsfläche (Polfläche) für einen zylindrischen Wicklungsteil, einer Maschine mit einseitiger Achsannäherung der Wicklung, die wirksame Wicklungsfläche (Polfläche) im zylindrischen Teil um 17,2% und der Gesamtspulenausnutzungsgrad ξ_ohne (_ohne ≈⁣ ohne Pole im Stirnbereich) um 16%. Vergleichsweise dazu mit einer Maschine mit einer entsprechenden Wickelschemaaufteilung von 30%/40%/30% mit beidseitiger Achsannäherung, wobei 40% auf den zylindrischen Luftspalt entfällt, steigt die wirksame Wicklungsfläche (Polfläche) um 59% im zylindrischen Teil und der Gesamtspulenausnutzungsgrad und damit die Leistung um 39% bei einem Verhältnis von d/c = 1,11. Allerdings steigt auch die Leiterlänge, bei dieser äußeren Wicklungsgeometrie d/C um ca. 9%, was trotzdem insgesamt eine großer Gewinn ist. Dazu kommt, daß an sich 59% mehr Polfläche aufgrund der gestiegenen wirksamen Wicklungsfläche im Trommelbereich aufgewendet werden muß, was bei Micromaschinen aus besagten Gründen entfällt, wobei nicht nur ein Leistungsgewinn von 39% erreicht wird, sondern darüber hinaus auch noch erhebliche Verluste durch die reduzierte unwirksame Wicklungsfläche (Polfläche) eingespart werden.
Außerdem löst die erfindungsgemäße Wicklung für Wicklungen mit Wickelköpfen mit beidseitiger Achsannäherung den funktionalen Zusammenhang zwischen Polweite und Kupferverlusten, wenn sich die Leiter der Achse stark annähern, womit die Polweite ohne eine nennenswerte Erhöhung der Kupferverluste gewählt werden kann. Zudem wird in allen anderen Fällen dieser nachteilige Zusammenhang abgeschwächt.
Eine zweite Lösungen der Aufgabe nutzt die Erkenntnisse über diese günstigen Verzerrungen im trommelförmigen und im sich der Achse oder Welle annähernden Luftspaltbereich und erfolgt durch eine Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine mit den jeweiligen Merkmalen der Ansprüche 8, 9,10. Mit diesen Maschinen wird eine wesentliche Verbesserung im Sinne der Aufgabe durch die schon beschriebenen Vorteile der gezielten Wicklungsführung und Verzerrung im Luftspalt der ersten und zweiten Lösung der Aufgabe erreicht. Zusätzlich werden Verbesserungen dadurch erreicht, daß auch der sich der Achse oder Welle annähernde Bereich der Wicklung, der bisher außerhalb des Feldes lag, ebenfalls vom Feld möglichst in idealer Weise durchdrungen wird, indem auch diese Leiter im Luftspalt oder einem weiteren Luftspaltabschnitt verlaufen, und der Leiter, der innerhalb einer Spulenseite außerhalb des Feldes verläuft minimal gehalten wird. Weitere Verbesserungen werden durch einen einseitigen Kontakt der Luftspaltwicklung mit dem Rückschluß, d. h. mit einer Grenzfläche des Luftspaltes erreicht, welches zu einer besonders einfachen Fertigung und Konstruktion und geringen Ausdehnung in radialer und axialer Richtung und zu kompakten und robusten Maschinen führt, die somit einen geringen Aufwand erfordern.
Hierbei ist die Anschauung des Luftspaltes im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung und eine Unterteilung des Luftspaltes in unterschiedliche Luftspaltabschnitte, die verschieden zur Achse oder Welle liegen und die gerade oder bogenförmig sein können, hilfreich. Um die unterschiedlichen Fälle der Konstruktion zu beschreiben, wird zwischen unterschiedlichen Kanten, die in Bewegungsrichtung verlaufen, unterschieden. Zum einen handelt es sich dabei in Anspruch 8 um die Stoß- oder Eckkante, in der zwei Grenzflächen jeweils eines Luftspaltabschnittes sich berühren, indem sie sich entweder schneiden oder unter einem Winkel von 180° im Berührungspunkt aneinander stoßen. In beiden Fällen wird erreicht, daß möglichst viel Leiter bei der Biegung oder Faltung um den ersten Körper in Feld liegt, wobei die Eckkante eine besonders kompakte Bauweise und die Stoßkante eine besonders harmonische Feldverteilung und eine gute Stabilität der Wicklung ermöglicht.
Die Verbindungskante in Anspruch 8 bezeichnet den Fall, daß die Grenzflächen mindestens einseitig, im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung gesehen, dicht beieinander liegen, sich aber nicht berühren und somit eine Verbindungskante, die diese Grenzflächen verbindet, ist, an der jede Spulenseite, bei ihrer Biegung oder Faltung um den ersten Körper, den Luftspalt verläßt. Diese Konstruktion ist in manchen Fällen nötig, z. B. wenn, wie in Anspruch 10, Luftspaltabschnitte parallel verlaufen, wobei hierbei die Verbindungskante möglichst abgerundet ist, um den Leiterbereich außerhalb des Luftspaltes im Faltbereich zu minimieren und eine gleichmäßige Feldverteilung zu erreichen.
Bei Weiterbildungen mit mehreren Luftspaltabschnitten ist es vorteilhaft, den Faltbereich bzw. Kantenbereich der Wicklung möglichst mindestens teilweise mit einem Feld auszustatten. Dies erreicht man im Idealfall, indem der Luftspalt auch hier gleichmäßig weiterläuft, was mit dem Einsatz von bogenförmigen, gleichmäßigen Luftspaltabschnitten zu realisieren ist. Eine andere einfach zu fertigende Variante ist, wenn Außenpolflächen im Kantenbereich größer gewählt werden, was im Faltbereich einen ungleichmäßigen Luftspalt ergibt. Eine weitere Variante sind Innenpole, die rechtwinklig zu allen Luftspaltabschnitten magnetisiert sind und so auch im Kantenbereich, der vorzugsweise abgerundet ist.
Bei einer Weiterbildung bildet die Verbindungskante mit mindestens einer angrenzenden Luftspaltgrenzfläche eine gemeinsame Polfläche, die vorzugsweise zur Grenzfläche magnetisiert ist.
Bei einer anderen Weiterbildung bilden benachbarte Luftspaltgrenzflächen über die Stoß- oder Eckkante eine gemeinsame Polfläche.
Bei einer Weiterbildung ist die Wicklung mit der Welle verbunden und rotiert gegenüber den Polen, die auf der Welle gelagert sind. In einer anderen Weiterbildung ist die Wicklung mit der Achse verbunden, wobei die magnetischen Pole rotieren.
Bei einer Weiterbildung verläuft die Wicklung vollständig im Luftspalt und wird vorzugsweise rechtwinklig vom Feld durchdrungen.
Besonders einfach sind bei der zweiten Lösung der Aufgabe Wicklungen innerhalb der elektrischen Maschine konstruktiv und fertigungstechnisch umzusetzen, die um einen Rückschlußkörper herumgewickelt sind und mit diesem im direkten Kontakt stehen. Auch Wicklungen mit beidseitiger Achsannäherung sind so einfach zu fertigen und innerhalb der elektrischen Maschine technisch umzusetzen.
Platzsparend in axialer Richtung sind dabei Maschinen in Scheibenform, wobei zwei sich der Achse oder Welle annähernde Luftspaltabschnitte hierbei entweder parallel verlaufen oder zwei leicht gebogene Luftspaltabschnitte einen linsenförmigen ersten Körper begrenzen, dessen inneren Grenzflächen sich im Umfangsbereich schneiden, wodurch der feldfreie Raum im Umfang minimiert ist.
Platzsparend in radialer Ausdehnung bei großer Effektivität, aufgrund der langen Leiter im hohen Geschwindigkeitsbereich, sind zylindrische Maschinen.
Weiterbildungen mit bogenförmigen Luftspaltabschnitten haben die Vorteile von harmonischer Feldverteilung und bei Luftspaltübergängen von zumindest geminderten Verlusten, aufgrund der Vermeidung von feldfreien Zonen oder nicht idealem Feldverlauf.
Vorteilhaft ist es, bei diesen Weiterbildungen Außenpole rotieren zu lassen, wobei die Wicklung mit dem Rückschlußkörper steht, und für einige Ausführungen eine Hohlwelle zur Leiterführung eingesetzt wird.
Einfach zu realisieren ist eine Weiterbildung in Zylinderform mit einseitiger Achsannäherung, bei der die Luftspaltabschnitte unter einem Winkel von 90° zueinander liegen, und rotierenden Innenpolen. Der Grund dafür ist, daß die so entstehende Glockenform der Wicklung besonders leicht gewickelt werden kann, kleine Abmessungen aufgrund des kleinen Innenpolzylinders hat, raumsparend ist und sehr leicht bei der Fertigung zusammengesteckt werden kann, wobei sie vorzugsweise mit dem Rückschlußzylinder verklebt ist.
Eine Glockenwicklung mit rotierenden Außenpolen hat die Vorteile eines starken Feldes und daß die Wicklung fertigungsfreundlich auf einen Rückschlusszylinder gewickelt werden kann.
Weitere Erkenntnisse, die dieser zweiten Lösung der Aufgabe zugrunde liegen, sind, daß die Leiter im sich der Achse oder Welle annähernden Bereich aufgrund ihrer Zweischichtwicklung ideal im gleichmäßigen Luftspalt verlaufen können, und daß die Leiter in ihrem Sekantenverlauf bei manchen Aufteilungen der Wicklung zwar nur sehr kurze, wirksame Leiterlängen aufweisen, die aber einerseits fast über die gesamte Sekantenbreite wirksam werden und auch noch im Bereich hoher Geschwindigkeit liegen.
Eine besonders große wirksame Wicklungsfläche und Polfläche, bei sehr guter Lage der sekantenförmig verlaufenden Leiter zur Bewegungsrichtung, bekommt man, in diesem sich der Achse oder Welle annähernden Bereich, bei einer Aufteilung des Wickelschemas zu 50% auf diesen Bereich. Hierbei verlaufen die Sekanten bei Zweipolmaschinen mit geschlossener Wicklung achsnah, parallel versetzt zum Durchmesser und sind somit hocheffektiv. Die wirksamen Wicklungsflächen haben für den sekantenförmigen Leiterverlauf hier ihr Maximum, sowie die unwirksamen Wicklungsflächen ihr Minimum, so daß in einem sich der Achse oder Welle annähernden Teilbereich sogar weitaus höhere Spulenausnutzungsgrade erreicht werden als in einem zylindrischen Teilbereich. Die unwirksame Wicklungsfläche reduziert sich hier auf einen schmalen diametral über den Durchmesser verlaufenden Streifen. Auch für Maschinen mit zwei sich der Achse oder Welle annähernden Luftspaltbereichen, erreicht man bei zweipoligen Maschinen dieser Wicklungsart, bei Verwendung von sekantenförmigen Leitern und der 50%/50%-Aufteilung, den steilsten Leiterverlauf zur Bewegungsrichtung und die maximale wirksame Wicklungsfläche. Aufgrund der geraden Leiterverläufe läßt sich die Wicklung besonders leicht herstellen.
Eine weitere Erhöhung der Wirksamkeit bei anderen Aufteilungen als der 50%/50%- Aufteilungen und/oder Polzahlen erreicht man, indem die Leiter im Stirnbereich nicht sekantenförmig, axial gesehen, in den Luftspalt gelegt werden, sondern allgemein V-förmig, wobei das Knie des V's zur Achse zeigt und in Achsnähe liegt, wodurch sich die Wirksamkeit der Leiter wesentlich erhöht und auch die wirksame Wicklungsfläche (Polfläche) sich wesentlich vergrößert und die unwirksame Wicklungsfläche sich verkleinert, was zusätzlich Verluste einspart, was insgesamt den Leistungsanteil dieses Luftspaltbereiches steigert. Dies entspricht einer weiteren Verzerrung des Wickelschemas, wobei nach der Aufteilung z. B. 70%/30%, der Bereich von 30% noch einmal in sich verzerrt wird, um eine höhere Effektivität zu erreichen.
Durch die Erfindung können die verschiedenen Wicklungsteile getrennt voneinander, auf den maximalen Spulenausnutzungsgrad des jeweiligen Bereiches und/oder auf minimale Verluste durch Maximierung der Polfläche und/oder auf minimale Leiterlänge, bei vorgegebenen Rahmenbedingungen optimiert werden, so daß sich insgesamt die maximale Effizienz der Maschine für die jeweilige Anwendung ergibt.
Bei einer Weiterbildung wird die Maschine mit der Luftspaltwicklung als Motor und in einer anderen als Generator betrieben.
Bei einer Weiterbildung ist der Motor mechanisch und bei einer anderen Weiterbildung elektronisch kommutiert, unter dem Einsatz von Sensoren im Wicklungsbereich zur Magnetfeldsensierung, sowie einer Ansteuerelektronik.
Weiterbildungen bestehen darin, daß die Wicklungen zweipolig aufgebaut werden, wobei für sich der Achse oder Welle annähernde Wicklungsbereiche ein Sekantenwinkel der Wicklung von 172° nicht überschritten werden sollte, weil sonst die Zweischichtigkeit der Wicklung im achsnahen Bereich nicht mehr gewährleistet ist und kein Platz für die Durchführung der Achse oder Welle besteht.
Hierbei ist zu bevorzugen, daß nur die wirksamen Polflächen mit rechtwinklig zur Bewegungsrichtung magnetisierten Polen belegt werden. Wenn dies z. B. aus fertigungstechnischen Gründen unmöglich ist und/oder zur Verhinderung von Drehmomentschwankungen und steilen Anstiegszeiten davon abgewichen wird, und deshalb z. B. diametral magnetisierte Pole verwendet werden, die den vollen Luftspalt magnetisieren, ist die Weiterbildung mit der Wicklungsaufteilung für die Maximierung der wirksamen Wicklungsfläche im Luftspalt zu wählen.
Eine Weiterbildung besteht darin, daß bei Wicklungen mit beidseitiger Achsannäherung, die Wicklung in beiden dieser Bereiche ein oder mehrere Stromzu- bzw. Stromableitungen hat. So werden bei einigen Wicklungen uneffektive Leiter, die aufgrund der Rückführung zu der sonst einen (Kommutator-) Seite gespart. Diese Leiter sind auch teilweise nötig, um das volle Wicklungsschema von geschlossenen Wicklung zu nutzen und/oder damit bestimmte Pol- und Spulenzahlen überhaupt sinnvoll eingesetzt werden können. Hierbei wird der Leiter bei Kommutatormaschinen entweder in der Achsnähe zu der einen Kommutatorseite (ggf. durch den Rückschluß) geleitet oder die Maschine hat in diesem sich der Achse oder Welle annäherndem Bereich einen zweiten Kommutator.
Wicklungen mit zwei Kommutatoren und mindestens einen davon im Umfangsbereich wurden früher aus den genannten Gründen eingesetzt, wobei durch die Erfindung im Vergleich dazu die Kommutatorverluste im Umfang aufgrund der kürzeren Strecke und geringeren Geschwindigkeit eingespart werden.
Weiterbildungen bestehen darin, daß Leiter der Wicklung teilweise rechtwinklig (ideal) zur Bewegungsrichtung gelegt werden und mindestens an einem Rand des Luftspaltes schräge oder im achsnahen Bereich evolvent verlaufen. Dies erhöht die unwirksame Wicklungsfläche, die Wirksamkeit der Leiter und damit den Spulenausnutzungsgrad erheblich.
Bei einer Weiterbildung verlaufen die Leiter vom Umfang kommend zunächst radial und dann erst in Achsnähe evolvent oder schräge, was erheblich leistungssteigernd wirkt.
Ein hoher Grad an Effizienz und Effektivität wird für Maschinen der beiden Lösungen der Aufgabe jeweils erreicht, wenn die Leiter in einem trommelförmigen, z. B. zylindrischen Luftspalt, axial verlaufen und die sich überkreuzenden Schrägwicklungen in zwei sich der Achse oder Welle annähernden Bereichen liegen. So kann die Wicklung in einen trommelförmigen, vorzugsweise zylindrischen Umfangsbereich sogar einschichtig verlaufen und im Stirnbereich zweischichtig, was zu einer Feldstärkung im zylindrischen Luftspaltbereich führt, da der Luftspalt hier kürzer gewählt werden kann. Allerdings ist die selbsttragende Stabilität der Wicklung im zylindrischen Bereich somit verloren gegangen, so daß die Wicklung durch geeignetes Füllmaterial, wie z. B. Faserverbundstoff, stabilisiert werden muß. Für Wicklungen mit Eisenhinterlegung ist das Stabilitätsproblem auf einfache Weise gelöst, indem die Wicklung mit dem Rückschluß verklebt oder verbacken wird. Für freie Wicklungen wird vorzugsweise die minimale Anzahl von Kreuzungen gewählt, mit denen noch eine gute Stabilität erreicht wird, wobei mindestens ca. 10% des Wickelschemas auf den trommelförmigen Bereich entfallen sollte.
Bei einer anderen Weiterbildung ist der zuvor beschriebene zylindrische Bereich allgemein trommelförmig, und hat dabei z. B. eine Kegel-, Doppelkegel-, Kugel-, Scheiben-, Ellipsenform oder eine Abschnittsform oder eine Kombinationsform von diesen. Damit erreicht man z. T. höhere Umfangsgeschwindigkeiten, geringere unwirksame Leiterlängen aufgrund der Achsannäherung eine hohe Kompaktheit, eine höhere Stabilität der Wicklung und besser nutzbare Wicklungen, weil scharfe Umlenkungen im Schnitt quer zur Bewegungsrichtungen vermieden werden und eine harmonische Feldverteilung auf diese Weise realisiert werden kann.
Weiterbildungen bestehen darin, mehrpolige Wicklungen zu verwenden, die schon aufgrund der Vielpoligkeit geringere Kupferverluste in einem zylindrischen Luftspaltbereich haben, deren Effizienz, Effektivität und Kompaktheit sich aber durch wenigstens eine Achsannäherung noch wesentlich steigert.
Bei einer Weiterbildung liegt die Wicklung im wesentlichen im Luftspalt oder innerhalb des Luftspaltes mit den Luftspaltabschnitten und bevorzugt auch im Bereich der Leiter, die zwei Spulenseiten miteinander verbinden.
Bei einer anderen Weiterbildung mit mehreren Luftspaltabschnitten verlaufen die Spulenseiten vollkommen im Luftspalt, was dadurch erreicht wird, daß die innere und äußere Grenzfläche vollkommen geschlossen wird, indem mindestens zwei benachbarte Luftspaltabschnitte, von denen mindestens einer bogenförmig ist, mit einer ihrer zum ersten Körper gehörenden Grenzflächen unter einem Winkel von 180° im Berührungspunkt aneinanderstoßen und so eine Stoßkante bilden. Auf diese Weise wird der Leiter auf ideale Weise vom Feld durchdrungen.
In einer Weiterbildung sind die magnetischen Pole Permanentmagnete und in einer anderen Weiterbildung elektromagnetische Pole.
Bei anderen Weiterbildungen wird die Wicklung als drehfelderzeugende Wicklung in Synchron- oder Asynchronmaschinen eingesetzt. In Weiterbildungen davon werden mehrere Wicklungen verschiedener Polzahl in einer Maschine zur Drehzahlveränderung durch Polumschaltung verwendet.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, daß die Wicklung ohne Kommutator mit Wechselstrom (Wechselstrommotor) zur Drehfelderzeugung betrieben wird oder als Generator Wechselstrom erzeugt. Bei einer anderen Weiterbildung bilden zwei Wicklungen in der beschriebenen Maschine, die phasenverdreht zueinander liegen und eine zusätzliche Hilfsphase einen Wechselstrommotor mit Hilfsphase.
Weiterbildungen bestehen darin, daß die Wicklung als freie Kurzschluß- oder Schleifringwicklung oder Gleichstromwicklung mit Kommutator im Sekundärteil von Asynchronmaschinen eingesetzt wird.
Hierbei ergeben sich die gleichen Vorteile, wie schon für elektronisch- und mechanisch kommutierte Maschinen beschrieben, wobei hier der Induktionsvorgang ein anderer ist, auf den sich die Vorteile der Erfindung aber in gleicher Weise positiv auswirken. In diesem Zusammenhang sei auf die gleichzeitig angemeldete Patentanmeldeung "Asynchronmaschine" verwiesen, die weitere Ausgestaltungen der Wicklung innerhalb von der erfundenen Asynchronmaschine enthält.
Weiterbildungen bestehen darin, daß die mindestens eine Wicklung mit mindestens einseitig schrägen oder evolventen Leitern eine offene Wicklung ist, bei der die Leiter nur zeitweise eingeschaltet oder aktiv sind, was vorteilhaft zur effektiven und effizienten Drehfelderzeugung mit elektronischer Kommutierung ist.
Bei Weiterbildungen mit mindestens einer geschlossenen Wicklung ist diese eine Wellen- oder Schleifenwicklung oder eine Kombination aus beidem. Bei der geschlossenen Wicklung sind alle Spulen über den vollen Zeitraum aktiv, was zu einer sehr hohen Leiterausnutzung und Effizienz der Maschine führt.
Bei einer anderen Weiterbildung ist die Wicklung aus einzelnen, geschlossenen, zweipoligen Spulen mit Mehrfachwindungen aufgebaut, die entweder nebeneinander liegend über den Umfang verteilt sind und/oder sich in Bewegungsrichtung überlappen, wobei sie vorteilhaft zur effizienten Drehfelderzeugung dienen und somit geringe Drehmoment- und Spannungsschwankungen für die Maschine ergeben. Hierbei kann die Wicklung aus den einzelnen Spulen auch als Wellen- oder Schleifenwicklung oder als Kombination aus beiden mit allen ihren Ausgestaltungsformen aufgebaut sein.
Bei anderen Weiterbildungen bilden die Leiter selbst rautenförmige, sechseckige, dreieckige oder runde, zweipolige Spulen, die im Vergleich zu herkömmlichen Spulen gleicher Art (d. h. in ebener Scheibenform oder einfacher Zylinderform) eine hohe Effizienz und Effektivität aufweisen.
Luftspaltschrägwicklungen wurden bisher in Scheibenmaschinen gar nicht verwendet und heute in Glockenmaschinen nur in zweipoliger Ausführung in Micromotoren. Durch die große Leistungsfähigkeit dieser erfindungsgemäßen Maschinen werden auch größere und leistungsfähigere Abmessungen erreicht, die dann vorteilhafterweise auch mehrpolig und auch nur, mit Polen im Bereich der wirksamen Wicklungsfläche, in idealer Weise ausgestattet werden. Zur Vermeidung hoher Anstiegszeiten werden die Polflächen im Randbereich der wirksamen Wicklungsfläche mit abgeschwächter Magnetisierung ausgeführt.
Da der gesamte elektrische Maschinenbereich zur Zeit eine Wandlung erfährt, durch die der Wirkungsgrad eine zentrale Rolle spielt, und die erfindungsgemäßen Wicklungen innerhalb der Maschinen eine Synthese bilden aus hohem Wirkungsgrad, einfacher kompakter Konstruktion und kostengünstiger Ausführung, werden diese Maschinen in Zukunft auch für Anwendungsbereich höherer Leistung gebaut.
Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Sie zeigen in:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Weiterbildung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine 2. Weiterbildung,
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch eine 3. Weiterbildung,
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch eine 4. Weiterbildung,
Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch eine 5. Weiterbildung,
Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch eine 6. Weiterbildung,
Fig. 7 einen schematischen Querschnitt durch eine 7. Weiterbildung,
Fig. 8 einen schematischen Querschnitt durch eine 8. Weiterbildung,
Fig. 9 eine Draufsicht einer herkömmlichen ebenen Scheibenwicklung,
Fig. 10 eine Draufsicht auf einen Wicklungsteil einer 9. Weiterbildung,
Fig. 11 eine Draufsicht auf einen Wicklungsteil einer 10. Weiterbildung,
Fig. 12 eine Draufsicht auf einen Wicklungsteil einer 11. Weiterbildung,
Fig. 13 eine Draufsicht auf einen Wicklungsteil einer 12. Weiterbildung,
Fig. 14 eine Draufsicht auf einen Wicklungsteil einer 13. Weiterbildung,
Fig. 15 eine Draufsicht einer herkömmlichen ebenen Scheibenwicklung,
Fig. 16 eine Draufsicht auf einen Wicklungsteil einer 14. Weiterbildung,
Fig. 17 eine Draufsicht auf einen Wicklungsteil einer 15. Weiterbildung,
Fig. 18 eine Abwicklung einer herkömmlichen Trommelwicklung,
Fig. 19 eine Teilwicklung als Abwicklung einer 16. Weiterbildung,
Fig. 20 eine Teilwicklung als Abwicklung einer 17. Weiterbildung,
Fig. 21 eine Teilwicklung als Abwicklung einer 18. Weiterbildung,
Fig. 22 eine Teilwicklung als Abwicklung einer 19. Weiterbildung,
Fig. 23 eine Abwicklung einer herkömmlichen Trommelwicklung,
Fig. 24 eine Teilwicklung als Abwicklung einer 20. Weiterbildung,
Fig. 25 eine Teilwicklung als Abwicklung einer 21. Weiterbildung,
Fig. 26 eine Teilwicklung einer 22. Weiterbildung,
Fig. 27 eine Teilwicklung als Abwicklung einer 23. Weiterbildung,
Fig. 28 eine Teilwicklung einer 24. Weiterbildung,
Fig. 29 eine Teilwicklung einer 25. Weiterbildung.
Gleiche Bauteile haben in allen Figuren gleiche Bezugszahlen.
Die Erfindung wird einerseits anhand einiger konstruktiver Formen von Maschinen im Axialschnitt mit der Lage und Funktion der Wicklung im Zusammenspiel mit der Feldeinrichtung und andererseits anhand von Teilwicklungen, jeweils als axiale Draufsicht oder als Abwicklung dargestellt.
Ein Teil des technischen Fortschritts wird so herausgestellt im Vergleich zu herkömmlichen Wicklungen. Um gute Vergleichswerte zu haben, wurde für die Darstellung beispielhaft eine einheitliche und gebräuchliche Wicklungsart ausgewählt. Hierbei handelt es sich um eine geschlossene, symmetrische, reine Schrägwicklung als Wellenwicklung.
Fig. 1 zeigt einen Gleichstrommotor im Axialschnitt. Die Wicklung 29 ist hier glockenförmig ausgeführt mit einseitiger Wellenannäherung, wobei der Wickelkopf fest mit der in 13 gelagerten Welle 1und über diese mit dem Kommutator 25 verbunden ist. Die Wicklung bewegt sich frei im Luftspalt 4. Das magnetische Feld des magnetischen Poles 27 durchdringt den Umfangsbereich der Wicklung im Luftspalt 4. Fig. 1 ergibt zusammen mit der prinzipiellen Wicklungsansicht entlang der Linie I-I,
in Fig. 10 eine 26. Weiterbildung, wobei der andere Wicklungsteil nicht dargestellt ist,
in Fig. 12 in eine 27. Weiterbildung, wobei der Wicklungsteil nicht dargestellt ist,
in Fig. 21 in eine 28. Weiterbildung, in Verbindung mit der Teilwicklung von Fig. 24 im Zylinderteil.
Fig. 2 zeigt einen Gleichstrommotor im Axialschnitt. Die Wicklung 29 ist glockenförmig ausgeführt mit einseitiger Wellenannäherung, wobei der Wickelkopf in dem, dem Kommutator 25 gegenüberliegenden Stirnbereich, sich der Welle 1 nähert. Das magnetische Feld des magnetischen Poles 27 durchdringt den Umfangsbereich der Wicklung im Luftspalt 4, wobei die Wicklung frei beweglich ist. Fig. 2 ergibt zusammen mit der prinzipiellen Wicklungsansicht entlang der Linie II-II,
in Fig. 11 eine 29. Weiterbildung, wobei der Wicklungsteil nicht dargestellt ist,
in Fig. 13 eine 30. Weiterbildung, wobei der andere Wicklungsteil nicht dargestellt ist,
in Fig. 20 eine 31. Weiterbildung, in Verbindung mit der Teilwicklung von Fig. 24 im Zylinderteil,
in Fig. 22 eine 32. Weiterbildung, in Verbindung mit der Teilwicklung von Fig. 24 im Zylinderteil,
in Fig. 26 eine 33. Weiterbildung, in Verbindung mit der Teilwicklung von Fig. 25 im Zylinderteil,
in Fig. 28 eine 34. Weiterbildung, in Verbindung mit der Teilwicklung von Fig. 27 im Zylinderteil,
in Fig. 29 eine 35. Weiterbildung, in Verbindung mit der Teilwicklung von Fig. 27 im Zylinderteil.
Fig. 3 zeigt einen elektronisch kommutierten Motor im Axialschnitt. Die Wicklung 29 ist glockenförmig ausgeführt mit einseitiger Annäherung an die Welle 1, wobei die Wicklung mit dem Rückschluß 22 außenseitig fest verbunden ist. Im Bereich des Luftspaltes 4' sind Magnetfeldsensoren 17 angebracht, die auf eine Leiterplatte 35 montiert sind. Hier sind zwei Varianten möglich. Bei der ersten stattet der Innenpol nur den zylindrischen Luftspalt 4' mit einem Magnetfeld aus, wobei die Wicklung stirnseitig außerhalb des Feldes als Wickelkopf verläuft. Bei der zweiten Variante verläuft der Stirnbereich der Wicklung im Luftspaltabschnitt 4", wobei der Innenpol entsprechend, vorzugsweise rechtwinklig zu beiden Luftspaltbereichen 4',4", magnetisiert ist, die Ansteuerelektronik ist in einer Weiterbildung auf der Leiterplatte integriert. Fig. 3 ergibt zusammen mit der prinzipiellen Wicklungsansicht entlang der Linie III-III
in Fig. 11 eine 36. Weiterbildung, wobei der andere Wicklungsteil nicht dargestellt ist,
in Fig. 13 eine 37. Weiterbildung, wobei der andere Wicklungsteil nicht dargestellt ist,
in Fig. 20 eine 38. Weiterbildung, in Verbindung Illlt der Teilwicklung von Fig. 24 im Zylinderteil,
in Fig. 22 eine 39. Weiterbildung, in Verbindung mit der Teilwicklung von Fig. 24 im Zylinderteil,
in Fig. 26 eine 40. Weiterbildung, in Verbindung mit der Teilwicklung von Fig. 25 im Zylinderteil,
in Fig. 28 eine 41. Weiterbildung, in Verbindung mit der Teilwicklung von Fig. 27 im Zylinderteil,
in Fig. 29 eine 42. Weiterbildung, in Verbindung mit der Teilwicklung von Fig. 27 im Zylinderteil.
Fig. 4 zeigt das Prinzip einer elektrische Maschine im Axialschnitt, wobei die Wicklung 29 um den inneren Körper 6 (Rückschluß 22) in Zylinderform herumgewickelt ist und sich auf beiden Stirnseiten der Achse 24 nähert. Die Wicklung ist über den Innenzylinder fest mit der Hohlachse verbunden, durch die der Leiter aus der Feldanordnung geführt wird. Die beweglichen magnetischen Pole 27 sind stirnseitig und umfangsseitig außerhalb der Wicklung angebracht und vorzugsweise rechtwinklig zur Luftspaltgrenzfläche magnetisiert. Der Faltbereich 18 mit den Leitern 20 im Bereich der Eckkante 10 ist durch einen ungleichmäßigen Luftspalt begrenzt. Fig. 4 ergibt zusammen mit der prinzipiellen Wicklungsansicht entlang der Linie IV-IV
in Fig. 10 eine 43. Weiterbildung, mit axialen Leitern im Umfangsbereich,
in Fig. 12 eine 44. Weiterbildung, mit axialen Leitern im Umfangsbereich,
in Fig. 21 eine 45. Weiterbildung, mit der Wicklung von Fig. 19 im Umfangsbereich,
und entlang der Linie V-V
in Fig. 11 die 43. Weiterbildung,
in Fig. 13 die 44. Weiterbildung,
in Fig. 20 die 45. Weiterbildung,
in Fig. 22 eine 46. Weiterbildung,
in Fig. 26 eine 47. Weiterbildung, in Verbindung mit einem anderen, ähnlichem 50%igen Wicklungsteil im Bereich der Schnittlinie IV-IV und axialen Leitern im Umfangsbereich (nicht dargestellt).
Fig. 5 zeigt das Prinzip einer elektrische Maschine in Scheibenform im Axialschnitt, bei der die Wicklung 29 um den inneren Körper 6 (Rückschluß 22) in Scheibenform herumgewickelt ist, wobei der Körper 6 auf der Welle 1 in 13 gelagert und die Wicklung im Umfangsbereich durch 21 gehaltert ist. Das Feld der axial magnetisierten Pole 27 durchdringt beide Stirnseiten der Wicklung. Stromzu- und Stromableitung geschieht z. B. bei einem Wechselstromgenerator hier über den Umfangsbereich. Die Pole sind umfangsseitig größer gewählt als der erste Körper 6, so daß noch teilweise der Faltbereich 18 der Wicklung vom Feld durchdrungen wird. Bei einer Varianten ist die Verbindungskante 28 abgerundet. Fig. 5 ergibt zusammen mit der prinzipiellen Wicklungsansicht entlang der Linie VI-VI
in Fig. 10 eine 48. Weiterbildung,
in Fig. 12 eine 49. Weiterbildung,
in Fig. 14 eine 50. Weiterbildung,
in Fig. 26 eine 51. Weiterbildung,
und entlang der Linie VII-VII
in Fig. 11 die 48. Weiterbildung,
in Fig. 13 die 49. Weiterbildung,
in Fig. 16 die 50. Weiterbildung,
in Fig. 26, in geringfügig abgewandelter Form, eine 51. Weiterbildung.
Fig. 6 zeigt das Prinzip einer elektrische Maschine in Scheibenform im Axialschnitt, bei der die Wicklung 29 um den inneren Körper 6 (Rückschluß 22) in Scheibenform herumgewickelt ist, wobei dieser fest mit der hohlen Achse 24 verbunden ist. Das magnetische Feld der Pole 27 durchdringt beide Stirnseiten und den Umfangsbereich der Wicklung, die um die Eckkanten 10 herumgefaltet ist. Die Leiter 20 im Faltbereich liegen in einem ungleichmäßigen Luftspalt und sind vom Feld zweier Luftspaltabschnitte durchdrungen. Fig. 6 ergibt zusammen mit der prinzipiellen Wicklungsansicht entlang der Linie VIII-VIII
in Fig. 10 eine 52. Weiterbildung,
in Fig. 12 eine 53. Weiterbildung,
in Fig. 14 eine 54. Weiterbildung,
in Fig. 21 eine 55. Weiterbildung, in der Leiterführung von Fig. 22
in Fig. 26 in geringfügig abgewandelter Form eine 56. Weiterbildung,
und entlang der Linie IX-IX
in Fig. 11 die 52. Weiterbildung,
in Fig. 13 die 53. Weiterbildung,
in Fig. 16 die 54. Weiterbildung,
in Fig. 22 die 55. Weiterbildung, mit der Wicklung von Fig. 19 im Umfangsbereich,
in Fig. 26 eine 56. Weiterbildung, wobei im Umfangsbereich axiale Leiter verlaufen.
Fig. 7 zeigt ein Prinzip einer elektrische Maschine in Scheibenform im Axialschnitt, bei der die Wicklung 29 um die inneren Körper 6, (Rückschluß 22), herumgewickelt und mit diesem fest verbunden ist, wobei die Wicklung im Umfangsbereich den Luftspalt 4 verläßt und sich als Wickelkopf rückseitig des ersten Körpers 6 der Welle 1 nähert. Die Umfangskante des ersten Körpers ist abgerundet ausgeführt, so daß das Feld des ungleichmäßigen Luftspaltes in diesem Bereich gleichmäßig aufgenommen werden kann, damit keine Sättigungserscheinungen auftreten. Fig. 7 ergibt zusammen mit der prinzipiellen Wicklungsansicht entlang der Linie X-X
in Fig. 10 eine 57. Weiterbildung,
in Fig. 12 eine 58. Weiterbildung, wobei der andere Wicklungsteil nicht dargestellt ist,
in Fig. 14 eine 59. Weiterbildung,
und entlang der Linie XI-XI
in Fig. 11, mit sekanter Leiterführung gemäß Fig. 17, die 57. Weiterbildung,
in Fig. 13, mit sekanter Leiterführung gemäß Fig. 17, die 58. Weiterbildung,
in Fig. 16 die 59. Weiterbildung,
in Fig. 20 eine 60. Weiterbildung, wobei der andere Wicklungsteil nicht dargestellt ist,
in Fig. 28 eine 61. Weiterbildung, wobei der andere Wicklungsteil nicht dargestellt ist.
Fig. 8 zeigt ein Prinzip einer elektrische Maschine in Scheibenform im Axialschnitt, deren Wicklung 29 fest mit dem auf der Welle 1 gelagerten Außenrückschluß 22 verbunden ist. Die magnetischen Innenpole sind auf einen Rückschlußkern aufgebracht, wobei die Pole rechtwinklig zum Luftspalt magnetisiert sind, so daß das Feld auch den Umfangsbereich der Wicklung, die im bogenförmigen Luftspaltabschnitt verläuft, optimal durchdringt. Der Luftspalt ist aus zwei parallel liegenden Luftspaltabschnitten aufgebaut, der durch einen kreisförmigen Luftspaltabschnitt verbunden ist, wobei die Luftspaltabschnitte an den Stoßkanten 10 aneinander stoßen und die Wicklung vollkommen vom Feld in idealer, rechtwinkliger Weise durchdrungen ist. Fig. 8 ergibt zusammen mit der prinzipiellen Wicklungsansicht entlang der Linie XIV-XIV
in Fig. 10 eine 62. Weiterbildung,
in Fig. 12 eine 63. Weiterbildung,
in Fig. 26 in geringfügig abgewandelter Form eine 64. Weiterbildung,
und entlang der Linie XV-XV
in Fig. 11 die 62. Weiterbildung,
in Fig. 13 die 63. Weiterbildung,
in Fig. 26 die 64. Weiterbildung,
und entlang der Linie XII-XII
in Fig. 21, in der Leiterführung von Fig. 22, eine 65. Weiterbildung,
und entlang der Linie XIII-XIII
in Fig. 22 eine 66. Weiterbildung, mit der Wicklung von Fig. 19 im bogenförmigen Luftspaltabschnitt.
Die Fig. 9-29 zeigen ein geschlossenes Wicklungsschema einer Schrägwicklung, welches für verschiedene Polzahlen und Spulenzahlen auf unterschiedliche Konstruktionen in unterschiedlichen Aufteilungen des Wickelschemas angewendet und darüber hinnaus anwendbar ist. Dargestellt sind jeweils die aktiven Wicklungsflächen 32, die Wicklung 29, der Rückschluß 22, der von der Wicklung umgeben ist, teilweise die Bewegungsrichtung ≙ und die fett eingezeichnete Spule 3 oder Teile davon, anhand der die Lage und der Leiterlänge mit der Spule 3 der herkömmlichen Wicklung Fig. 9, 15, 18, 23 verglichen werden kann.
Die aktiven Wicklungsflächen der Fig. 9-17 sind so eingezeichnet, daß sie genau von zwei Spulen eingerahmt werden. Auf diese Weise entsteht in einer Spulenseite der gesamten Wicklung ein Gegenstrom, der aber durch den Gewinn der anderen Spulenseiten weit übertroffen wird. Außerdem läßt sich so ein definierter Vergleich der einzelnen Wicklungen anstellen. Um jeglichen Gegenstrom zu vermeiden kann die Polfläche geringfügig kleiner gewählt werden.
In den Fig. 10-14, 16, 17, 19-22, 24-29 sind jeweils Teilwicklungen als Weiterbildungen zu sehen, die jeweils im Zusammenhang unterschiedlicher konstruktiver Formen in den Fig. 1-8 eingesetzt werden und darüber hinaus noch in andere angesprochene Weiterbildungen eingesetzt werden können.
Die herkömmlichen Wicklungen in den Fig. 9, 15, 18, 23 sind Vergleichswicklungen, deren Werte von wirksamer Wicklungsfläche, Leiterlänge, Spulenausnutzungsgrad als 100% angenommen werden, bei gleichen äußeren geometrischen Abmessungen, der zu vergleichenden Wicklungen.
Fig. 9 zeigt eine Anwendung des herkömmlichen Wickelschemas einer achtpoligen geschlossenen Schrägwicklung auf eine ebene Scheibenform mit ebenem Luftspalt und einem Kommutator. im Radialschnitt. Die aktiven Wicklungsflächen 32 entsprechen den Polflächen. Eingezeichnet sind Teilungslinien 33 des Wickelschemas, wobei die Teilungslinien 33a z. B. für Fig. 12, 13 und 33b z. B. für die Fig. 10, 11 gelten. Sichtbar ist die ungünstige Verzerrung der aktiven, an sich rautenförmigen Wicklungsflächen, die sich noch verschlechtert, wenn die Leiter sich der Achse oder Welle weiter nähern bzw. steiler verlaufen. Vergleichsweise hierzu sind die Fig. 10 bis 13 zu betrachten.
Fig. 10 zeigt eine zweipolige Teilwicklung, eines sich der Welle 1 annähernden Wicklungsabschnittes im Axialsicht, wobei die Wicklungsaufteilung z. B. 50%/50% entspricht und hier 50% der Wicklung zeigt. Bei einer weiteren Achsannäherung verbessern sich die Verhältnisse noch. Vergleichsweise mit Fig. 9 wird hier eine wirksame Wicklungsfläche von 237% erlangt.
Fig. 11 zeigt eine zweipolige Teilwicklung, eines sich der Achse 24 oder Welle 1 annähernden Wicklungsabschnittes im Axialsicht, wobei hier die Wickelschemaaufteilung ebenfalls z. B. einer 50%/50%-Aufteilung entspricht und beispielsweise die andere Teilwicklung zu Fig. 10 ist. Hier wird die gleiche wirksame Wicklungsfläche von 237% erreicht, wobei die gesamte Wicklung der Fig. 10, 11 bei gleichem Durchmesser der Maschine wie in Fig. 9 vergleichsweise eine wirksame Wicklungsfläche von 474% erreicht. Dazu kommen die anderen schon erwähnten Verbesserungen.
Fig. 12 zeigt eine zweipolige Teilwicklung, eines sich der Achse oder Welle annähernden Wicklungsabschnittes mit Kommutator, im Axialsicht, wobei hier die Wickelschemaaufteilung α = C/√2 entsprechend der Maximierung der wirksamen Wicklungsfläche für diesen Bereich gewählt ist, so daß hier ca. 70% des Wickelschemas zu sehen sind. Der gleiche angestellte Vergleich wie in Fig. 10 ergibt hier eine wirksame Wicklungsfläche von 248,9%.
Fig. 13 zeigt eine zweipolige Teilwicklung eines sich der Achse oder Welle annähernden Wicklungsabschnittes im Axialsicht, wobei hier die Wickelschemaaufieilung (ca. 30%) entsprechend der Maximierung der aktiven Wicklungsfläche für den dazugehörigen Luftspaltbereich (z. B. in Fig. 12), der 70% der Wicklung in sich trägt, gewählt wurde. Der gleiche angestellte Vergleich wie in Fig. 11 ergibt hier eine wirksame Wicklungsfläche von 207,8%, was für die gesamte Wicklung von Fig. 12, 13 eine wirksame Wicklungsfläche von 456,7% ergibt.
Fig. 14 zeigt eine vierpolige Teilwicklung, einer sich der Achse oder Welle annähernden Wicklungsabschnitts im Axialsicht, wobei die gezeigte Wicklung 29 einem Teil von 50% eines vierpoligen Wickelschemas entspricht. Vergleichsweise mit Fig. 15 wird hier eine wirksame Fläche von 458,5% erreicht.
Fig. 15 zeigt eine Anwendung einer bekannten, aber nicht gebauten, vierpoligen geschlossenen Schrägwicklung auf eine Scheibenform mit ebenem Luftspalt und Kommutator im Axial- und im Umfangsbereich, in Axialsicht. Die aktiven Wicklungsflächen 32 entsprechen den aktiven Polflächen. Sichtbar ist die ungünstige Verzerrung dieser an sich rautenförmigen Flächen des Wickelschemas bei der Anwendung auf die Scheibenform. Weiterhin ist die ungünstige Wicklungsführung, anhand der fett gezeichneten untereinander verknüpften Spulenseiten einer Spule 3 eingezeichnet, die zu einem dicken Leiterwulst in Achsnähe führen. Vergleichsweise hierzu ist Fig. 14, 16, 17 zu betrachten.
Fig. 16 zeigt eine geschlossene vierpolige Teilwicklung eines sich der Achse oder Welle annähernden Wicklungsabschnitts im Axialsicht, wobei die gezeigte Wicklung 29 einem Teil von 50% des Wickelschemas entspricht. Zusammen z. B. mit Fig. 14 ergibt sich eine vollständige Wicklung. Besonderheit ist hier, daß die Stromzuleitung auf einer Wicklungsseite (Fig. 14) und die Stromableitung auf der anderen Wicklungsseite (Fig. 16) stattfindet, so daß bei einer Motorausführung entweder beidseitig Kommutatoren angebracht sind oder die Wicklungsenden durch den Rückschlußkern 22 auf die Kommutatorseite geführt werden. Es gibt aber auch vierpolige Wicklungen dieser Art, bei denen Stromzu- und Stromableitung einseitig stattfindet, z. B. bei einer Ausführung von 19 Spulen oder von 63 Spulen statt 38, wie hier, was bei der 30, 35, 41 Weiterbildung oder bei einer Anwendung z. B. in Fig. 4, 8 zum Tragen kommt. Hier wird aufgrund der Wicklungsaufteilung 50%/50% die gleiche wirksame Wicklungsfläche von 458,5% wie in Fig. 14 erreicht, so daß sich für die gesamte Wicklung eine wirksame Wicklungsfläche von 917% ergibt.
Fig. 17 zeigt eine Variante der Teilwicklung der Fig. 16, bei der die Leiter segmentförmig verlaufen. Wobei diese Spulenzahl für kommutierte Motoren eher ungeeignet ist, da sie bei der vierpoligen Wicklung eine Stromrückführung in diesen Wicklungsteil nötig macht. Bei anderen Spulenzahlen, wie 19, 63 der vierpoligen Wicklung entfallen diese Leiter. Weiterbildungen im Zusammenhang dieser Figur sind darauf zu beziehen. Die wirksame Wicklungsfläche beträgt hier 187,2% und liegt im hoch energetischen Umfangsbereich.
Fig. 18-21 zeigt eine Wicklungseinheit einer zweifachen Wicklungsaufteilung eines zweipoligen Wickelschemas, wobei diese Teilung prinzipiell z. B. auf die Maschinen in Fig. 4, 6, 8 angewendet werden kann, aber auch auf jede Maschine mit beidseitiger Achsannäherung der Wicklung. Zum Vergleich der herkömmlichen aktiven Wicklungsfläche der Fig. 19, 24, 25, 27 mit denen von herkömmlichen Wicklungen gleicher geometrischer Abmessungen in Fig. 18, 23 ist die herkömmliche aktive Wicklungsfläche mit einer Hälfte gestrichelt in den Figuren angedeutet. Die angegebenen Werte sind für die gezeigten äußeren Abmessungen gültig und variieren mit dieser, so wie es auch bei allen Figuren der Fall ist.
Fig. 18 zeigt eine Abwicklung einer herkömmlichen zweipoligen Wicklung, die als zylindrische Wicklung in Glockenmaschinen eingesetzt wird. Mit ihr ist die Wicklung der Fig. 19-22 zu vergleichen.
Die eingezeichneten Teilungslinien A-A und B-B sind so gewählt, daß ca. 30% der Wicklung jeweils auf die sich der Achse oder Welle annähernden Wicklungsteile fallen und ca. 40% auf den mittleren, z. B. zylindrischen Teil.
Fig. 19 zeigt den mittleren Wicklungsteil, des Wickelschemas von Fig. 18, der vorzugsweise in einem zylindrischen Luftspaltbereich verläuft. Deutlich zu sehen ist die vergrößerte aktive Wicklungsfläche, bei gleich bleibender axialer Länge C, der Maschine und der sehr viel steilere Verlauf zur Bewegungsrichtung der Leiter, gegenüber Fig. 18.
Dieser Wicklungsteil entspricht prinzipiell der zylindrischen Teilwicklung in Fig. 4, der Teilwicklung im Umfangsbereich der Fig. 6 oder der Teilwicklung im bogenförmigen Luftspaltabschnitt im Umfangsbereich der Fig. 8, wobei diese Aufteilung der Fig. 18 am ehesten in der Fig. 4 eingesetzt wird oder in eine freie, selbsttragende Wicklung, bei der die Wickelköpfe außerhalb des Luftspaltes liegen, weil der weitaus effektivste Bereich, der hier gezeigte Teilwicklung ist. So beträgt die aktive Wicklungsfläche hier im Vergleich zu der herkömmlichen in Fig. 18 159%. Der Spulenausnutzungsgrad hat sich hier für diesen Teilbereich auf 238% gesteigert. Der Gesamtspulenausnutzungsgrad ξ_ohne ( _ohne ≈⁣ ohne Pole im Stirnbereich) beträgt bei der Verwendung von Wickelköpfen für die sich der Achse annähernde Wicklung. noch 139%, für die gesamte Wicklung, trotz dem die Leiterlänge 109% beträgt.
Fig. 20 zeigt den von der Trennungslinie B-B abgetrennten unteren Wicklungsteil aus Fig. 18 und den von der Trennungslinie E-E abgetrennten unteren Wicklungsteil aus Fig. 23. Der abgetrennte Wicklungsteil beträgt 30% in Fig. 18. Die Leiter verlaufen als Sekante (mit einem Sekantenwinkel von 112°). Die aktive Wicklungsfläche liegt nur im Umfangsbereich, des sich der Achse oder Welle annähernden Bereiches und ist in einigen Ausgestaltungen mit magnetischen Polen belegt.
Fig. 21 zeigt den von der Trennungslinie B-B oberen abgetrennten Wicklungsteil aus Fig. 18. Die Lage der Leiter und die aktive Wicklungsfläche 32 liegen ähnlich, wie in Fig. 20, wobei in diesem Leiterbereich Stromzu- und Stromableitung liegt, die natürlich auch in den zylindrischen Wicklungsteil z. B. der Fig. 20 gelegt werden kann. Diese Variationsmöglichkeit gilt für alle Figuren.
Fig. 22 zeigt eine Abwandlung des in Fig. 20 gezeigten Wicklungsteiles, wobei hier die sekanten Leiter zu einer V-Form verändert sind, sich somit der Achse oder Welle weiter nähern, steiler verlaufen und die aktive Wicklungsfläche 32 größer ist. Sie steigt von ca. 15% in Fig. 21 auf 29%, im Vergleich zu Fig. 18.
Fig. 23 zeigt eine Abwicklung einer herkömmlichen zylindrischen Wicklung und damit das Wickelschema einer zweipoligen Wicklung. Eingezeichnet sind verschiedene Teilungslinien, wobei die Teilungslinie D-D für die Wicklung in Fig. 24, 20 in Variation 22, die Teilungslinie E-E in Fig. 25, 26 und die Teilungslinie F-F für die Wicklung in Fig. 27, 28 in Variation 29 gelten.
Fig. 24 zeigt die Teilwicklung oberhalb der Trennungslinie D-D des Wickelschemas von Fig. 23. Die Aufteilung entspricht der Aufteilungsbedingung α = C/√2 für die maximale aktive Wicklungsfläche in Fig. 24, die 117,2% einnimmt, im Vergleich zu Fig. 23. Auch der steilere Verlauf zur Bewegungsrichtung v ist gut sichtbar. Möglichkeiten der Ausgestaltung des unteren abgetrennten Wicklungsteiles entlang der Linie E-E sind in Fig. 20, 22 zu sehen. Diese Wicklungsaufteilung ist beispielsweise für die Maschine in Fig. 1, 2, 3 hervorragend geeignet, wobei die stirnseitigen Leiterbereiche, der aktiven Wicklungsflächen entsprechend, mit magnetischen Polen. je nach Ausgestaltung, versehen sind oder nicht. Der Spulenausnutzungsgrad ξ dieses trommelförmigen Teilbereiches erreicht einen Wert von ξ_T = 149% (_T ≈⁣ Trommelbereich) Der Gesamtspulenausnutzungsgrad in Fig. 24, 20 beträgt ohne Nutzung durch Extrapole in Fig. 24, ca. ξ_ohne = 116%.
Fig. 25 zeigt die Teilwicklung oberhalb der Teilungslinie D-D des Wickelschemas von Fig. 23. Hier handelt es sich um eine 50%/50%-Teilung, so daß 50% des Wickelschemas sich in diesem Abschnitt befindet. Die wirksame Wicklungsfläche 32, in diesem Bereich allein, ist nahezu gleich groß, wie die der herkömmlichen Wicklung in Fig. 23, bei gleichen äußeren geometrischen Abmessungen d/C. Der Spulenausnutzungsgrad dieses Teilbereiches erreicht einen sehr hohen Wert von ξ_T = 163%.
Fig. 26 zeigt die Teilwicklung unterhalb der Teilungslinie D-D der Abwicklung von Fig. 23. Hier ist z. B. ein zu Fig. 25 passende 50%-Teil der Wicklung zu sehen, der in einem sich der Achse oder Welle annähernden Bereich verläuft. Die Leiter verlaufen als Sekante über diesen Bereich in unmittelbarer Achsnähe, parallel zum Durchmesser versetzt. Die wirksamen Wicklungsflächen 32 sind sehr groß im Vergleich zu den anderen Wicklungsaufteilungen in Fig. 20 (30% Wicklungsteil) und in Fig. 29 (25%-Wicklungteil) und betragen hier 50% der herkömmlichen Wicklung in Fig. 23. Die Leiter verlaufen sehr steil zur Bewegungsrichtung und sind damit sehr effektiv. Der Spulenausnutzungsgrad dieses Teilbereiches erreicht damit den sehr hohen Wert von ξ_s= 234% (_s ≈⁣ Stirnbereich) im Vergleich zur herkömmlichen Wicklung in Fig. 23. Die gesamte Leiterlänge l_ges der Wicklung oder der Spule ist bei der Wicklung von Fig. 25, 26 sogar noch 3% kürzer, als die der herkömmlichen Wicklung in Fig. 23. Selbst wenn der Wicklungsteil von Fig. 26 nicht mit Polen belegt wird, ist der Gesamtspulenausnutzungsgrad ξ_ohne der Wicklung von Fig. 25, 26 noch ca. 114%. So ist diese Wicklung, sowohl für die Maschine in Fig. 1, 2 aber auch für die in Fig. 3 mit Stirnpolen geeignet.
Fig. 27 Zeigt die Wicklungsaufteilung oberhalb der Teilungslinie F-F des Wickelschemas in Fig. 23. Hier handelt es sich um eine ca. 75%/25%-Teilung, wobei ca. 75% auf diesen Bereich entfällt. Die aktive Wicklungsfläche 32 hat vergleichsweise zu der in Fig. 24 etwas abgenommen (ca. 116%), ist aber immer noch erheblich größer, als die der herkömmlichen Wicklung in Fig. 23. Ähnlich ist es auch mit der Steilheit der Leiter zur Bewegungsrichtung. Die Gesamtleiterlänge l_{g es} in Verbindung mit Fig. 28 ist gegenüber der herkömmlichen Wicklung nur geringfügig gestiegen (ca. 2%). Der Spulenausnutzungsgrad beträgt in diesem Wicklungsteil ca. ξ_T = 138%.
Fig. 28 zeigt die Teilwicklung unterhalb der Teilungslinie F-F in Fig. 23. 25% des Wickelschemas entfallen auf diesen Bereich. Die Wicklungsaufteilung der Fig. 27, 28 ist besonders für die Maschinen in Fig. 1, 2, 3 geeignet, wobei sie im Prinzip die Wicklung der Schnitte entlang der Linie I-I, II-II, III-III zeigen. Der Gesamtspulenausnutzungsgrad in Fig. 26, 27 beträgt auch ohne Nutzung durch Extrapole in Fig. 28 hier ca. ξ_ohne = 113,8%, so daß auch dies eine praktikable Lösung ist. Damit diese Ausgestaltung wirklich zu den gewünschten Resultaten führt, ist es notwendig, daß der Faltbereich der Wicklung auch vom Feld durchdrungen wird, da sich somit die Leiterverkürzung, der hier umfangsnahen, Sekante allein durch die Faltung aufgehoben wird. Dies ist bei Wicklungsaufteilungen, bei denen die Sekanten mehr in Achsnähe verlaufen, wesentlich günstiger und deshalb sind diese Aufteilungen, auch aus diesem Grund, zu bevorzugen.
Fig. 29 Zeigt eine Abwandlung des Wicklungsteiles in Fig. 28, in ähnlicher Weise, wie Fig. 22 zeigt. Teilenummern in den Figuren 1 Welle
2 Gehäuse
3 Spule (offen, geschlossen)
4 Luftspalt
4',4" Luftspaltabschnitte des Luftspaltes 4
6 1ter Körper der Feldeinrichtung (bildet eine Grenzfläche des Luftspaltes 4)
7 2ter Körper der Feldeinrichtung (bildet die andere Grenzfläche des Luftspaltes 4)
10 Kante des 1ten Körpers (liegt in Bewegungsrichtung und ist eine Stoßkante oder Eckkante)
13 Lager
17 elektronischer Sensor
18 Faltbereich
20 Leiter im Faltbereich
22 Rückschluß
21 Spulenhalterung
24 Achse
25 Kollektor
26 Schleifkontakte
27 magnetischer Pol
28 Verbindungskante
29 Wicklung
32 wirksame Spulenfläche (aktive Polfläche)
33 Teilungslinie
35 Leiterplatte

Claims

1. Luftspaltwicklung, mit mindestens teilweise schräge oder bogenförmig zur Bewegungsrichtung liegenden Spulenseiten, wobei die Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine verläuft, die aus einem Luftspalt (4) besteht, der von einer Feldeinrichtung begrenzt ist, die aus mindestens zwei voneinander beabstandeten Körpern (6, 7) besteht, wobei jeweils ein erster Körper (6) zu einem zweiten Körper (7) benachbart angeordnet ist und wobei mindestens zu einer der einander zugewandten Seiten des ersten und zweiten Körpers magnetische Pole (27) gehören, die senkrecht zum Luftspalt magnetisiert sind und sich quer zu einer Bewegungsrichtung im wesentlichen über den vollen Luftspalt und jeweils im Ganzen oder in Teilpole unterteilt erstrecken und die vorzugsweise mit Rückschlußmaterial hinterlegt sind, die in Bewegungsrichtung wechseln und deren Feld im wesentlichen gradlinig, innerhalb des Polflächenbereiches jedes Poles, von einer Grenzfläche des Luftspaltes (4) zur gegenüberliegenden Grenzfläche verläuft und zu der gegenüberliegenden Grenzfläche entweder auch magnetische Pole gehören oder die mindestens vorwiegend aus Rückschlußmaterial besteht, und die mindestens eine Luftspaltwicklung (29) mit zweipoligen Luftspulen (3), die sich jeweils im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung gleichmäßig mindestens von einem der Luftspaltbegrenzenden Körper der Feldeinrichtung beabstandet im Luftspalt (4) erstreckt, und dabei jede Spulenseite jeder Luftspule die Bewegungsrichtung quert, und am äußeren Rand des Luftspaltes (4) mit einer anderen Spulenseite direkt oder über vorwiegend unwirksame Leiter oder Wickelkopfleiter zu jeweils einer Luftspule (3) verbunden ist und die Luftspaltwicklung, relativ zum magnetischen Feld der Feldeinrichtung, um eine Achse (24) oder Welle (1) rotiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspaltwicklung (29) trommelförmig um die Achse (24) oder Welle (1) verläuft, und daß die Spulenseiten, im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung, mindestens einseitig außerhalb des Luftspaltes durch in Achsrichtung gesehen gerade, sich der Achse oder Welle annähernde Wickelkopfleiter, die als Sekante verlaufend, auf kürzestem Weg zu einer Luftspule (3) verbunden sind, so daß die Wickelkopfleiter Kreisabschnitte des achsnächsten benachbarten Körpers der Feldeinrichtung abzeichnen.

2. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1, dadurch . gekennzeichnet, daß der trommelförmige Luftspalt, im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung, parallel zur Achse oder Welle verläuft.

3. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt, im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung, sich der Achse oder Welle einseitig annähert und die Leiter im Umfangsbereich den Luftspalt verlassen, um den Umfang eines vorzugsweise scheibenförmigen Körpers (6) der Feldeinrichtung verlaufen und von da aus sich axial gesehen der Achse oder Welle nähernd, als Sekante auf der dem Luftspalt abgewendeten Seite, über den ersten Körper (6) verlaufen und Kreisabschnitte des Körpers abzeichnen.

4. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Wickelköpfe, im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung gesehen, beidseitig außerhalb des Luftspaltes sich der Achse oder Welle annähernd verlaufen.

5. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Wicklung (29) fest mit einer Grenzfläche des Luftspaltes, die vorzugsweise aus lamelliertem Rückschlußmaterial besteht, verbunden ist und zusammen mit dem dazugehörigen ersten oder zweiten Körper (6, 7) relativ zum jeweiligen im Luftspalt gegenüberliegenden anderen Körpern (6, 7) der Feldeinrichtung, zu dessen Grenzfläche mindestens teilweise magnetische Pole gehören, um die Achse oder Welle rotiert.

6. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Wicklung gleichmäßig beabstandet vom ersten und zweiten Körper (6, 7) der Feldeinrichtung verläuft und relativ zu beiden Körpern rotiert, die vorzugsweise fest miteinander verbunden sind.

7. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß magnetische Pole (27) beidseitig der Wicklung (29) angebracht sind.

8. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegiff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die mindestens eine Luftspaltwicklung (29) fest mit einer Grenzfläche des Luftspaltes, die vorzugsweise aus lamelliertem Rückschlußmaterial besteht, verbunden ist und zusammen mit dem dazugehörigen ersten oder zweiten Körper (6, 7) relativ zum jeweiligen im Luftspalt gegenüberliegenden anderen Körper (6, 7) der Feldeinrichtung um die Achse oder Welle rotiert
und daß der Luftspalt (4), im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung, aus mindestens zwei benachbarten Luftspaltabschnitten (4',4". . .) besteht, die mit einer ihrer Luftspaltgrenzflächen, die zum ersten Körper (6) gehören, sich berührend entweder so aneinanderstoßen, daß die beiden Grenzflächen sich entweder im Berührungspunkt schneiden und so eine Eckkante (10) bilden, oder die beiden Grenzflächen auf Stoß unter einem Winkel von 180° aneinanderstoßen und so irr Berührungspunkt eine Stoßkante (10) bilden oder sich mindestens einseitig so weit nähern, daß sie durch eine kurze Verbindungskante (28) des gemeinsam begrenzten ersten Körpers verbunden sind, und daß jede Spulenseite jeder Luftspule (3) der mindestens einen Wicklung durch den Luftspalt mit seinen Luftspaltabschnitten verläuft, wobei sie an jeder Stoß- oder Eckkante (10) oder Verbindungskante (28) ihre geometrische Form ändert und dabei ein oder mehrere Biegungen und/oder Faltungen um den ersten Körper (6) vollzieht und jede Spulenseite im wesentlichen im Luftspalt (4) verläuft, wobei der einzelne Luftspaltabschnitt vorzugsweise gerade oder bogenförmig ist und sich mindestens einer der Luftspaltabschnitte der Achse oder Welle nähert.

9. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegiff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die mindestens eine Luftspaltwicklung (29) fest mit einer Grenzfläche des Luftspaltes, die vorzugsweise aus lamelliertem Rückschlußmaterial besteht, verbunden ist und zusammen mit dem dazugehörigen ersten oder zweiten Körper (6, 7) relativ zum jeweiligen im Luftspalt gegenüberliegenden anderen Körper (6, 7) der Feldeinrichtung um die Achse oder Welle rotiert
und daß der Luftspalt (4), im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung, ein bogenförmiger Luftspalt (4) ist, wobei der Luftspalt innenseitig vom ersten Körper (6) und außenseitig vom zweiten Körper (7) begrenzt ist, und daß in dem Luftspalt (4) sich jede Spulenseite jeder Luftspule (3) der mindestens einen Wicklung (29) im wesentlichen in der vollen Bogenlänge erstreckt, und jede Spulenseite vorzugsweise im wesentlichen in dem Luftspalt (4) verläuft.

10. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Luftspaltabschnitte (4',4"), im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung, parallel zueinander liegen und daß deren inneren Grenzflächen, einen gleichmäßig schmalen, scheibenförmigen ersten Körper (6) begrenzen.

11. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei benachbarte Luftspaltabschnitte (4',4"), im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung, gerade sind und unter einem Winkel von vorzugsweise 90° zueinander liegen, wobei sie sich entweder an einer ihrer zum ersten Körper (6) gehörenden Grenzflächen schneiden, was eine Eckkante (10) bildet, oder mit ihren inneren Grenzflächen mindestens einseitig so weit nähern, daß sie durch eine kurze Verbindungskante (28) des gemeinsam begrenzten ersten Körpers verbunden sind, wobei die Verbindungskante vorzugsweise abgerundet ist.

12. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung, der Luftspalt (4) aus mindestens drei Luftspaltabschnitten (4', 4",4''') besteht, wobei mindestens zwei benachbarte Luftspaltabschnitte (4',4"), im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung, gerade sind und unter einem Winkel von vorzugsweise 90° zueinander liegen, wobei sie sich entweder an einer ihrer zum ersten Körper (6) gehörenden Grenzflächen schneiden, was eine Eckkante (10) bildet, oder mit ihren inneren Grenzflächen mindestens einseitig so weit nähern, daß sie durch eine kurze Verbindungskante (28) des gemeinsam begrenzten ersten Körpers verbunden sind, wobei die Verbindungskante vorzugsweise abgerundet ist.

13. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 8 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (4) im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung aus mindestens zwei benachbarten Luftspaltabschnitten (4',4". . .) besteht, die sich an einer ihrer zum ersten Körper (6) gehörenden Grenzflächen im Berührungspunkt spitzwinklig schneiden, was eine Eckkante (10) des ersten Körpers bildet, die vorzugsweise abgerundet ist, wobei der erste Körper, der mindestens in diesem Bereich ein sehr dünner und insgesamt ein schmaler langgestreckter Körper von ungleichmäßiger Dicke ist, und die in der Eckkante (10) sich schneidenden Grenzflächen mindestens vorwiegend aus Rückschlußmaterial bestehen und wobei die magnetischen Pole (27) zur Luftspaltgrenzfläche des zweiten Körpers gehören.

14. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (20) des Faltbereichs (18) jeder Luftspule (3) der Wicklung (29) zu einem großen Teil vom Feld durchdrungen sind, indem in diesem Teil des Faltbereiches mindestens ein gleichmäßiger und/oder ungleichmäßiger Luftspaltabschnitt mit . jeweils einseitig angebrachten magnetischen Polen den Leiter begrenzt und vorzugsweise die Verbindungskante (28) mit mindestens einer zum ersten Körper (6) gehörenden Grenzfläche der Luftspaltabschnitte eine Polfläche gleicher Polarität oder eine Rückschlußfläche bildet oder die magnetischen Teilpole über die gemeinsame Stoß- oder Eckkante (10) hinaus oder mit einer Verbindungskante (28) einen gemeinsamen durchgehenden Pol, der rechtwinklig zu seiner Luftspaltgrenzfläche oder Oberfläche magnetisiert ist, oder eine Rückschlußfläche bilden.

15. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung die Feldeinrichtung von einem Gehäuse (2) umgeben ist oder selbst das Gehäuse oder Teile des Gehäuses ist, und daß entweder die mindestens eine Wicklung (29) mit der Welle (1) oder Achse (24) fest verbunden ist, wobei die Feldeinrichtung ganz oder in Teilen direkt und/oder über ein Gehäuse (2) gelagert ist, oder daß die mindestens eine Wicklung (29) direkt und/oder über eine Spulenhalterung (21) und/oder über ein Gehäuse (2) und/oder über einen Rückschlußkörper der Feldeinrichtung auf der Welle (1) oder Achse (24) gelagert ist und der Körper der Feldeinrichtung der gegenüberliegenden Grenzfläche dabei mit der Welle oder Achse fest verbunden ist.

16. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Pole mindestens innerhalb der Wicklung (29) angebracht sind und zu dem achsnächsten ersten Körper (6) der Feldeinrichtung gehören.

17. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Pole mindestens außerhalb der Wicklung angebracht sind und zum zweiten Körper (7) oder zu einem mit diesem fest verbundenen Körper der Feldeinrichtung gehören.

18. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Wicklung (29) eine offene Wicklung, bei der nur ein Teil aller Leiter einer Maschine zur Zeit aktiviert ist oder eine geschlossene Wicklung ist, bei der alle Leiter gleichzeitig aktiviert sind.

19. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Wicklung eine symmetrische und vorzugsweise eine Schrägwicklung ist.

20. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter einer zweipoligen Wicklung im sich der Achse (24) oder Welle (1) annähernden Bereich parallel zum Durchmesser verlaufen und in Achsrichtung gesehen einen Sekantenwinkel von ca. ≤ 172° einnehmen.

21. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Wickelschema längs einer Linie in Bewegungsrichtung in zwei Bereiche zu gleichen Teilen 50%/50% aufgeteilt ist, die auf die geometrischen äußeren Abmessungen der Wicklung angewendet sind.

22. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die 50%/50%-Teilung eines zweipoligen, geschlossenen, symmetrischen Wickelschemas einer Schrägwicklung auf eine konstruktive Form angewendet ist, bei der in Achsrichtung gesehen die Leiter in mindestens einem sich der Achse oder Welle annäherndem Bereich als Sekante verlaufen und einen Sekantenwinkel von ca. 161° einnehmen.

23. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Wickelschema längs einer Teilungslinie (33) in Bewegungsrichtung in zwei unterschiedliche Teile aufgeteilt ist, von denen ein Teil von ca. 51%- 70% in einem Luftspaltbereich liegt.

24. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ausgestaltung mit einem zylindrischen Luftspaltbereich mit einer zweipoligen, geschlossenen Schrägwicklung der Leiter in Achsrichtung gesehen in einem sich der Achse (24) oder Welle (1) annähernden Bereich ein Sekantenwinkel a von ca. 112° ≤ α ≤ 161° einnimmt.

25. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 19 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung des Wickelschemas durch eine Teilungslinie (33) im Bereich der Maximierung der wirksamen Wicklungsfläche (Polfläche) (32) geschieht, für die die Teilungsvorschrift α = C/√2 lautet, was einer Aufteilung von ca. 70%/30% entspricht.

26. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Wickelschema längs einer Teilungslinie (33) in Bewegungsrichtung in zwei Bereiche, von vorzugsweise jeweils 50%, aufgeteilt ist und jeweils auf eine sich der Achse (24) oder Welle (1) annähernden Wicklungsbereich entfällt, wobei deren Enden im Umfangsbereich mit axial oder axial projeziert verlautenden Leitern, im trommelförmigen, vorzugsweise zylindrischen Bereich, verbunden sind und die Leiter im Umfangsbereich vorzugsweise einschichtig liegen.

27. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Wickelschema längs einer Linie in Bewegungsrichtung in drei Bereiche aufgeteilt ist und auf eine trommelförmige Wicklung (29) angewendet ist, die zwei sich der Achse (24) oder Welle (1) annähernde Bereiche, auf die die beiden äußeren Wicklungsteile entfallen, und einen vorzugsweise zylindrischen Bereich, auf den der mittlere Wicklungsteil entfällt, hat.

28. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Wicklung in einem magnetischen Feld mit einer Polzahl von 2 bis 12 verläuft.

29. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter im zylindrischen Bereich teilweise axial und teilweise schräge und/oder im sich der Achse (24) oder Welle (1) annähernden Bereichoder Bereichen in Achsrichtung gesehen radial und/oder schräge und/oder evolvent verlaufen.

30. Luftspaltwicklung innerhalb einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung in einer mechanisch- oder elektronisch kommutierten, synchron arbeitenden elektrischen Maschine oder als Kurzschluß- oder Schleifringwicklung in einer mindestens teilweise asynchron arbeitenden Maschine oder als drehfelderzeugende Wicklung in einer synchron oder asynchon arbeitenden Maschine verwendet wird.