DE10138523A1 - Wicklung für eine elektrische Maschine, sowie Verfahren zur Herstellung einer Wicklung für eine elektrische Maschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wicklung mit mehreren Spulen (2, 4) für einen Ständer oder Läufer einer elektrischen Maschine mit Nuten (1). Die Spulen (2, 4) sind jeweils in wenigstens zwei Teilspulen (2a, 2b; 4a, 4b) aufgeteilt, die um wenigstens eine Nut (1) zueinander versetzt angeordnet sind. In einer Nut (1) liegen also mehrere Teilspulenseiten (4a, 2b') von verschiedenen Spulen (4, 2) in Schichten übereinander. Die beiden Teilspulenseiten (2a, 2a') einer Teilspule (2a) liegen in der gleichen Schicht. Das die Wicklung in der Herstellung nicht wesentlich aufwendiger als eine herkömmliche Einschichtwicklung ist, aber hinsichtlich der Oberwellenunterdrückung die Vorteile einer Mehrschichtentwicklung aufweist, wird die Wicklung auch Quasi-Mehrschichtwicklung bzw. - bei zwei Schichten - Quasi-Zweischichtwicklung genannt.

Description

• Die Erfindung betrifft Wicklungen für elektrische Maschinen und insbesondere Wicklungen mit mehreren Spulen für einen genuteten Ständer oder Läufer einer elektrischen Maschine, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Wicklungen.
• Die Ständer und/oder Läufer von elektrischen Maschinen sind im allgemeinen mit einer Wicklung ausgestattet. Die durch diese fließenden Ströme erzeugen ein magnetisches Feld, das sich zum größten Teil über den Luftspalt zwischen Ständer und Läufer hinweg schließt (sog. Luftspaltfeld).
• Die örtliche Verteilung des Luftspaltfeldes wird unter anderem durch die Verteilung der Leiter entlang des Ständers bzw. Läufers, also durch die Wicklungsart, bestimmt. Beispielsweise bei Drehstrommaschinen bildet das Luftspaltfeld i. a. angenähert ein sog. Drehfeld, d. h. eine im Luftspalt fortschreitende Welle mit sinusförmiger Feldverteilung (Grundwellenfeld). Aufgrund der diskreten örtlichen Leiterverteilung (entsprechend der Anordnung der Nuten) entstehen Beiträge zu dem Grundwellenfeld, so daß sich insgesamt eine nicht sinusförmige fortschreitende Feldverteilung ergibt. Diese läßt sich stets durch eine Fourier-Zerlegung in ein Grundwellendrehfeld und eine Summe Harmonischer (Oberwellendrehfelder) mit den Ordnungszahlen ν > 1 zerlegen.
• Zum Energieumsatz trägt nur das Grundwellenfeld bei. Die Oberwellenfelder mit ν > 1 führen zu Verlusten und weiteren unerwünschten Erscheinungen, wie z. B. Geräuschen, Oberwellenmomenten und periodischen Verformungen der Blechpakete. Beim Entwurf einer Wicklung wird daher darauf geachtet, daß die Amplitude der Oberwellenfelder möglichst klein gehalten wird, also das Luftspaltfeld "geglättet" wird.
• Dies kann beispielsweise durch eine Erhöhung der Nutenzahl je Pol und Strang (Lochzahl) erreicht werden, indem z. B. jeweils mehrere Spulen des gleichen Stranges nebeneinander in die Nuten eingesetzt werden. Eine solche Wicklung nennt man auch Mehrlochwicklung. Einen Bereich von nebeneinander liegenden Spulenseiten eines Stranges nennt man Zone. In der DE 198 45 520 A1 ist eine spezielle Mehrlochwicklung offenbart, bei der ein Teil der Windungen jeder Spule in einer benachbarten kleineren, zusätzlichen Nut angeordnet ist.
• Eine weitere Möglichkeit zur Glättung (Unterdrückung von Oberwellen) besteht in der sog. Sehnung der Wicklung, wobei der Abstand zwischen einem positiven und einem negativen Leiter des gleichen Stranges (z. B. zwischen den beiden Spulenseiten einer Spule) nicht genau einer Polteilung (dem in Nuten ausgedrückten Abstand zwischen zwei Magnetpolen) entspricht. Bei einer umlaufenden Maschine mit nur einem Polpaar würden die positiven und negativen Leiter also in einem Winkelabstand von weniger als 180° zueinander liegen, weshalb man im Gegensatz zur ungesehnten Durchmesserwicklung von einer "gesehnten" Wicklung spricht. Die Sehnung geschieht in der Regel, indem die Spulenweite gegenüber der Polteilung um eine oder mehrere Nuten verkleinert wird.
• Hierfür verwendet man meist eine Zweischichtwicklung, bei der die Spulen jeweils derart in Teilspulen aufgeteilt sind, daß in jeder Nut die Spulenseiten von zwei Teilspulen in ebenso vielen Schichten übereinander liegen. Bei einer Zweischichtwicklung liegt jede Teilspule mit einer Seite (Teilspulenseite) in der oberen Schicht und mit der anderen in der unteren Schicht, damit die Teilspulen entlang des Umfangs des Blechpaketes fortschreitend eingesetzt werden können. Häufig wird jede Teilspule als ganze Spule definiert, so daß eine Zweischichtwicklung doppelt so viele Spulen wie eine Einschichtwicklung aufweist. Bei einer ungesehnten Zweischichtwicklung liegen in jeder Nut Teilspulenseiten desselben Wicklungsstranges übereinander, so daß sich noch kein Glättungseffekt ergibt. Führt man aber zusätzlich eine Sehnung der Wicklung ein, indem man die Spulenweite der Spulen um z. B. eine Nut verkürzt, so verschieben sich die Zonen der Oberschicht gegenüber denen der Unterschicht. Hierdurch liegen in einigen Nuten Teilspulenseiten von verschiedenen Wicklungssträngen übereinander, so daß ein Glättungseffekt entsteht (vgl. das Wicklungsschema auf S. 79 in "Fachwissen des Ingenieurs, Elektrotechnik - Elektronik" VEB Fachbuchverlag, Leipzig, 1983; nach der dort gezeigten Wicklung wurde der Oberbegriff des Anspruchs 1 gebildet).
• Im übrigen ist es bekannt, Wicklungen anstatt aus Draht zu wickeln aus Formteilen aufzubauen. Beispielsweise offenbart die DE 197 36 645 A1 eine aus Formteilen aufgebaute Zweischichtwicklung, bei der wie üblich (siehe oben) jede Teilspule mit einer Seite in der Unterschicht und mit der anderen Seite in der Oberschicht liegt. Die DE-Patentschrift 10 06 506 zeigt eine Stabwicklung, bei welcher die Stabseiten in drei Schichten übereinander angeordnet sind, wobei zwei Windungen in den Nuten übereinander liegen und die folgende Windung um eine Nut versetzt untergebracht ist. Im Wickelkopf sind die Stäbe der Wicklung in zwei Schichten angeordnet, so daß jede Windung beim Durchgang des Wickelkopfes aus einer unteren in eine obere Schicht überführt wird.
• Bei den bekannten Mehrschichtwicklungen, insbesondere, wenn sie als Formteilwicklungen ausgeführt sind, sind die Wickelköpfe i. a. relativ ausladend, wie z. B. bei der Wicklung der DE-Patentschrift 10 06 506.
• Die Erfindung stellt eine Wicklung für einen Nuten aufweisenden Ständer oder Läufer einer elektrischen Maschine bereit. Die Wicklung weist mehrere Spulen auf, die jeweils wenigstens zwei Teilspulen umfassen, wobei die Teilspulen um wenigstens eine Nut zueinander versetzt angeordnet sind, so daß in einer Nut Teilspulenseiten von verschiedenen Spulen übereinander liegen. Hierbei liegen die beiden Teilspulenseiten der Teilspulen jeweils in der gleichen Schicht der Wicklung.
• Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Wicklung gerichtet, bei welchem (a) die unterste Schicht durch Einsetzen von Formteilen in die Nuten des Ständers aufgebaut wird, wobei die Formteile nach dem Einsetzen einer ganzen oder eines Teils einer Wicklungslage mit bereits eingesetzten Formteilen oder mit einer Stromzuführung verbunden werden; und (b) die obere Schicht bzw. die oberen Schichten wie in Schritt (a) durch Einsetzen von Formteilen aufgebaut wird bzw. werden, wobei die Formteile gegenüber den entsprechenden Formteilen der darunterliegenden Schicht um eine Nut versetzt eingesetzt werden.
• Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen und der beigefügten beispielhaften Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
• Fig. 1 eine schematische Darstellung der Verteilung der Teilspulen in den Nuten des Ständers oder Läufers, wobei Fig. 1b eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wicklung und Fig. 1a zum besseren Verständnis eine entsprechende Einschichtwicklung zeigt;
• Fig. 2 eine schematische Darstellung der Verteilung der Teilspulen in den Nuten eines Ständers oder Läufers bei im Stand der Technik bekannten Zweischichtwicklungen (Fig. 2a: ungesehnt, Fig. 2b: gesehnt);
• Fig. 3 ein zum besseren Verständnis gezeigtes Wickelschema einer Einschichtwicklung, welches eine Vorstufe zu der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
• Fig. 4 ein Wickelschema einer Wicklung;
• Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines ersten Typs eines L-förmigen Formteils;
• Fig. 6 Schnitte entlang der Linien A-A und B-B in Fig. 5;
• Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Typs eines L-förmigen Formteils;
• Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung mehrerer L-förmiger Formteile;
• Fig. 9 die Ansicht der Fig. 8, mit einem weiteren L- Formteil;
• Fig. 10 die Ansicht der Fig. 9, mit einem noch weiteren L- Formteil;
• Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines Ständer- oder Läuferausschnitts einer elektrischen Maschine mit Nuten, in die L-Formteile eingesetzt sind.
• Fig. 12 einen schematischen Schnitt durch die Nuten und eine schematische Ansicht der Stirnseiten eines bewickelten Ständerkörpers;
• Fig. 13 eine stark schematisch vereinfachte Darstellung eines Kraftfahrzeug-Austriebssystems mit einer als Starter-Generator ausgebildeten elektrischen Maschine.
• In den Figuren sind funktionsgleiche oder -ähnliche Teile zum Teil mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
• Bevor die Figuren näher erläutert werden, folgen zunächst einige Anmerkungen zu den bevorzugten Ausführungsformen. Diese beziehen sich auf Wicklungen für einen Ständer einer Radialfeldmaschine in Innenläuferbauart. Die beschriebenen Wicklungen können aber auch Läuferwicklungen darstellen und sind im übrigen auch für Außenläufermaschinen, sowie für Axialfeld- und Linearmaschinen geeignet.
• Bei den beschriebenen Ausführungsformen sind die Spulen der Wicklung jeweils in zwei oder mehr Teilspulen aufgeteilt, die um wenigstens eine Nut zueinander versetzt angeordnet sind. Die Spulenseiten der Teilspulen - im folgenden auch Teilspulenseiten genannt - liegen in den Nuten also in mehreren Schichten übereinander, bei einer Aufteilung der Spulen in jeweils zwei Teilspulen z. B. in zwei Schichten. Die beiden Teilspulenseiten einer Teilspule liegen hierbei in der gleichen Schicht. Durch die Versetzung der einzelnen Teilspulen zueinander entsteht ein Effekt, der hinsichtlich der Oberwellenunterdrückung einer Sehnung entspricht. Die Zonen der einzelnen Schichten werden nämlich gegeneinander verschoben, was zu einer Glättung der Feldverteilung im Luftspalt und somit zu einer Reduzierung der Amplitude der Oberwellen, insbesondere derjenigen mit niedriger Ordnungszahl, führt. Dies resultiert u. a. in einem verbesserten Wirkungsgrad der elektrischen Maschine. Von einer bekannten Zweischichtwicklung (Fig. 2b) unterscheiden sich die gezeigten Ausführungsformen vor allem dadurch, daß bei letzteren zwischen den beiden Spulenseiten einer Teilspule kein Schichtwechsel erfolgt. Somit ähnelt die aus mehreren Teilspulen aufgebaute Spule einer Spule, die vom Nutgrund bis zum Luftspalt gewickelt ist; sie ist aber zwischendrin z. B. auf halber Höhe um eine oder mehrere Nuten versetzt. Die Herstellung der gezeigten Wicklungen ist also in der Regel nicht wesentlich aufwendiger als die Herstellung einer herkömmlichen Einschichtwicklung, birgt aber hinsichtlich der Oberwellenunterdrückung die Vorteile einer Mehrschichtwicklung. Daher wird die Wicklung auch Quasi- Mehrschichtwicklung bzw. Quasi-Zweischichtwicklung genannt.
• Da bei den gezeigten Quasi-Mehrschichtwicklungen die beiden Spulenseiten einer Teilspule in der gleichen Schicht liegen und daher die Leiter in den Wickelköpfen nicht die Schicht wechseln müssen, ist es möglich, die Leiter in den Wickelköpfen besonders kompakt und platzsparend anzuordnen. Insbesondere bei Formteilwicklungen ist dies von Vorteil, da bei diesen ein Schichtwechsel im Wickelkopf i. a. nur mit ausladenden Wickelköpfen realisiert werden kann.
• Besonders bevorzugt werden alle Teilspulen einer Schicht um die gleiche Anzahl Nuten und in die gleiche Richtung gegenüber der darunter- oder darüberliegenden Schicht versetzt. Dies führt dazu, daß jede Schicht nach dem gleichen Wickelschema aufgebaut ist, das sich in übereinanderliegenden Schichten um wenigstens eine Nut zueinander versetzt wiederholt. Dies vereinfacht die Planung und Herstellung der Wicklung. Bei einer Mehrphasenwicklung hat die gleichartige Versetzung aller Teilspulen einer Schicht zur Folge, daß in einigen oder sogar in allen Nuten Teilspulenseiten von verschiedenen Strängen übereinander liegen.
• Ein weiterer Vorteil der gezeigten Ausführungsbeispiele liegt darin, daß das Wicklungsschema der einzelnen Schichten nicht gesehnt zu sein braucht. Die Spulenweite der Teilspulen kann also der Polteilung entsprechen - sie darf natürlich auch kürzer oder länger sein. Unabhängig von der Spulenweite der Teilspulen entsteht nämlich durch die Versetzung der Schichten gegeneinander eine Art Sehnung der Wicklung, die zu einer Reduzierung des Oberwellenanteils im Luftspaltfeld führt. Bei der bekannten Zweischichtwicklung entsteht eine Verschiebung der Zonen der Oberschicht gegenüber denen der Unterschicht hingegen durch eine Verkürzung der Spulenweiten.
• Bevorzugt umfaßt die Wicklung mehrere überlappende Spulen, d. h. zwischen den beiden Spulenseiten einer Spule liegen jeweils Spulenseiten anderer Spulen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die an die Stirnseiten des Ständers liegenden Wicklungsabschnitte - die sog. Verbindungsleiter - von überlappenden Spulen verschränkt und somit in Lagen angeordnet. Die Wickelköpfe überlappender Spulen werden also nicht gebündelt aneinander vorbeigeführt, sondern die einzelnen Verbindungsleiter ineinander verschränkt. Dies führt zu einem besonders platzsparenden Aufbau des Wickelkopfbereichs. Außerdem kann die Wicklung bei der Herstellung lagenweise aufgebaut werden, d. h. daß eine Wicklungslage vollständig eingesetzt wird, bevor mit dem Einsetzen der nächsten Wicklungslage begonnen wird. Unter einer "Wicklungslage" werden sämtliche Wicklungsabschnitte verstanden, die den gleichen Abstand vom Nutgrund aufweisen. Unter einer "Schicht" werden hingegen alle auf gleicher Höhe vom Nutgrund liegenden Teilspulenseiten verstanden. Eine Schicht umfaßt also so viele Wicklungslagen, wie die in ihr liegenden Teilspulen Windungen haben. Bevorzugt umfassen alle Schichten in etwa gleich viele Wicklungslagen, d. h. alle Teilspulen einer Spule weisen in etwa gleich viele Windungen auf.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Wicklung aus Formteilen aufgebaut. Dies erleichtert den lagenweisen Aufbau der Wicklung. Außerdem lassen sich mit Formteilwicklungen hohe Nut-Füllfaktoren erzielen.
• Besonders bevorzugt werden für den Aufbau der Wicklung zumindest teilweise L-förmige Formteile (L-Formteile) verwendet, wobei jeweils ein Schenkel eines L-Formteils einen in einer Nut liegenden Nutstab und der andere Schenkel einen an einer Stirnseite des Ständers liegenden Verbindungsleiter bildet. Durch Verbinden des Nutstabs eines Formteils mit dem Verbindungsleiter eines anderen Formteils entsteht eine zusammenhängende Wicklung, z. B. eine aus wendelartigen Spulen aufgebaute Wicklung. Hierbei bilden zwei miteinander verbundene L- Formteile jeweils eine Windung einer Spule.
• Die Nutstäbe weisen zwecks Erzielung eines möglichst hohen Füllfaktors bevorzugt einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die Breite im wesentlichen der Nutbreite entspricht. Die Verbindungsleiter haben beispielsweise ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt, sind aber bevorzugt flacher als die Nutstäbe ausgebildet, damit die zu überlappenden Spulen gehörenden Verbindungsleiter in Richtung der Nuttiefe in Lagen angeordnet und somit verschränkt aneinander vorbeigeführt werden können. Besonders bevorzugt sind die Verbindungsleiter um so viel flacher als die Nutstäbe ausgebildet, daß die zu einer Lage von Nutstäben gehörende Lage von Verbindungsleitern nicht höher als ein Nutstab ist. Dadurch können beliebig viele Lagen von ineinander verschränkten Verbindungsleitern in Richtung der Nuttiefe übereinander gesetzt werden, und somit Spülen mit beliebiger Windungszahl aufgebaut werden. Eine wendelförmige Spule wird dann zum Beispiel dadurch gebildet, daß die auf einer Stirnseite gelegenen Verbindungsleiter Nutstäbe der gleichen Lage verbinden und die auf der anderen Stirnseite gelegenen Verbindungsleiter Nutstäbe aus - in Richtung der Nuttiefe - übereinander liegenden Lagen.
• Die gezeigten Quasi-Mehrschichtwicklungen sind aus L- Formteilen aufgebaut. In anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist eine solche Wicklung jedoch aus gewickelten Drahtspulen, aus einzelnen Nutstäben und Verbindungsleitern (I-Formteilen), aus C- oder U-förmigen Formteilen oder aus Formteilen aufgebaut, die zur Zeit des Einsetzens bereits eine oder mehrere vollständige Windungen aufweisen. Die gezeigten Quasi-Mehrschichtwicklungen können ggf. auch dadurch hergestellt werden, daß vollständige Teilspulen oder die gesamte Wicklung als ganzes in die Nuten eingeschoben werden.
• Bevorzugt sind jeweils wenigstens zwei Spulen in Reihe geschaltet, wobei der Strom eine der Spulen wendelförmig nach innen (d. h. beispielsweise in Richtung Luftspalt) durchfließt, und die andere Spule wendelförmig nach außen (d. h. beispielsweise in Richtung Nutgrund). Hierdurch wird erreicht, daß die Anschlüsse der Spulen an eine Stromzuführung entweder beide am Nutgrund oder beide am Luftspalt angeordnet sind, was das Anschließen der Wicklung erleichtert. Sind die Spulen vom Aufbau her gleich, durchfließt der Strom die beiden in Reihe geschalteten Spulen jeweils mit entgegengesetztem Drehsinn.
• Die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen gezeigte Wicklung ist vorzugsweise als Mehrphasenwicklung mit zwei Nuten pro Pol und Strang ausgeführt. Besonders bevorzugt ist der Abstand zwischen den beiden Teilspulenseiten einer Teilspule z. B. um eine Nut kleiner als die Polteilung, so daß die Wickelköpfe kürzer als bei einer "klassischen" Wicklung sind, bei der die Spulenweite genau der Polteilung entspricht. Diese Wickelkopfverkürzung hat den Vorteil, daß sich weniger Spulen überlappen und daher an den Stirnseiten weniger Wickelköpfe aneinander vorbeigeführt werden. Dadurch kann der Wickelkopfbereich raumsparender gestaltet werden.
• Die Wicklungen der gezeigten Ausführungsbeispiele werden bevorzugt lagenweise aus Formteilen hergestellt, wobei die Formteile jeweils nach dem Einsetzen einer ganzen oder eines Teils einer Wicklungslage mit bereits eingesetzten Formteilen oder einer Stromzuführung verbunden werden. Beispielsweise wird die eine Hälfte einer Wicklungslage axial von einer Seite in die Nuten eingesetzt und mit bereits eingesetzten Formteilen verschweißt, und daraufhin die andere Hälfte der Wicklungslage von der anderen Seite eingesetzt und verschweißt. Zunächst wird die unterste oder oberste Schicht aufgebaut, und danach die daran anschließenden Schichten, wobei die Formteile gegenüber den entsprechenden Formteilen der darunter- bzw. darüberliegenden Schicht um eine oder mehrere Nuten versetzt eingesetzt werden. Bevorzugt wird die Wicklung aus L-förmigen Formteilen aufgebaut, die von den Stirnseiten in den Nuten des Ständers eingesetzt und zu einer Wicklung verbunden, insbesondere verschweißt, werden, indem jeweils das freie Ende des Nutstabschenkels eines ersten L-Formteils mit dem Verbindungsleiterschenkel eines von der gegenüberliegenden Stirnseite eingesetzten L-Formteils verbunden wird. Das axiale Einsetzen der Formteile hat den Vorteil, daß die Zahnköpfe gegenüber den Zähnen breiter und damit die Nuten am Luftspalt verengt ausgebildet sein können, was zu einer ver besserten Übertragung des Luftspaltfeldes über den Luftspalt führt.
• Um eine Versetzung der Teilspulen einer Spule zueinander um jeweils eine Nut zu erreichen, sind vorzugsweise die Verbindungsleiterschenkel der Formteile, mit denen die Teilspulen einer Spule verbunden werden, gegenüber den übrigen Formteilen der Spule um einen Nutabstand verkürzt oder verlängert.
• Nun zurückkommend auf die Figuren, zunächst Fig. 2, zeigt diese eine ungesehnte (Fig. 2a) und gesehnte (Fig. 2b) Zweischichtwicklung gemäß dem Stand der Technik in einem schematisierten Querschnitt durch die Nuten 1 des Ständers (Fig. 2b entspricht der Wicklung, die in dem eingangs erwähnten Fachbuch "Fachwissen des Ingenieurs" gezeigt ist). Die beiden Teilspulen 2a, 2b einer Vollspule 2 liegen in benachbarten Nuten und außerdem jeweils mit einer Teilspulenseite 2a, 2b in der Unterschicht und mit der anderen 2a', 2b' in der Oberschicht. Bei der in Fig. 2a gezeigten ungesehnten Zweischichtwicklung liegen in jeder Nut zwei Teilspulenseiten von verschiedenen Spulen 2, 4, aber des gleichen Stranges übereinander. Durch die Verkürzung der Spulenweite aller Teilspulen um eine Nut (Sehnung) wird erreicht, daß in einigen Nuten auch Teilspulenseiten von verschiedenen Strängen übereinander liegen (Fig. 2b, die Spulen der anderen Stränge sind gestrichelt eingezeichnet).
• Dieser bekannten gesehnten Zweischichtwicklung gemäß Fig. 2b gegenübergestellt ist ein Ausführungsbeispiel einer Quasi- Zweischichtwicklung (Fig. 1b). Zum besseren Verständnis zeigt Fig. 1a, wie sich diese Zweischichtwicklung aus einer entsprechenden Einschichtwicklung, hier einer Einschichtwicklung mit zwei Nuten pro Pol und Strang und verkürzten Wickelköpfen, ergibt. Und zwar wird jede Spule 2, 4 in zwei Teilspulen 2a, 2b bzw. 4a, 4b aufgeteilt und die Teilspulen 2a, 4a gegenüber den Teilspulen 2b, 4b um eine Nut versetzt. Die in Fig. 1b gezeigte Wicklung unterscheidet sich daher von der in Fig. 2b gezeigten Wicklung dadurch, daß bei ersterer die beiden Spulenseiten einer Teilspule in der gleichen Schicht liegen. Die Wicklung kann daher nach dem gleichen Prinzip aufgebaut werden wie die in Fig. 1a gezeigte Einschichtwicklung.
• Fig. 3 zeigt wiederum zum leichteren Verständnis ein Beispiel eines Wickelschemas der in Fig. 1a gezeigten Einschichtwicklung. Hierbei handelt es sich um eine im Stern geschaltete Dreiphasenwicklung mit zwei Nuten pro Pol und Strang und einer Spulenweite von 5 Nuten. Zur Übersichtlichkeit ist ein Zweig vom Strang U fett eingezeichnet. Der Zweig umfaßt zwei wendelförmige Spulen 2, 4 mit beispielsweise jeweils 8 Windungen, die durch ein die Nuten mit den Nummern 6 und 12 verbindendes Verbindungsstück 6 in Reihe geschaltet sind. Oberhalb des Wickelschemas ist der Zonenplan für die Wicklung eingezeichnet.
• Fig. 4 zeigt demgegenüber das Wickelschema einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Quasi-Zweischichtwicklung. Auch hierbei handelt es sich um eine Dreiphasenwicklung mit zwei Nuten pro Pol und Strang und einer Spulenweite von fünf. Gegenüber der Wicklung der Fig. 3 sind aber alle Spulen in zwei übereinanderliegende Teilspulen aufgeteilt und diese um eine Nut zueinander versetzt worden. Dadurch entstehen zwei Schichten, deren Zonen um eine Nut gegeneinander versetzt sind, wie aus dem oberhalb des Wickelschemas gezeichneten Zonenplan hervorgeht. Die Teilspulen der Unterschicht 2a, 4a sind im Wickelschema jeweils links eingezeichnet. So wird deutlich, daß alle Teilspulen 2a, 2b mit beiden Spulenseiten 2a, 2a', 2b, 2b' in derselben Schicht liegen. Die beiden Teilspulen 2a, 2b werden jeweils durch ein Verbindungsteil 8 verbunden, welches nur vier Nutabstände überbrückt, während die Verbindungsleiter, aus denen die Teilspulen 2a, 2b aufgebaut sind, jeweils fünf Nutabstände überbrücken. Die Anschlüsse an die Stromzuführung U und den Sternpunkt Y liegen jeweils in der untersten Wicklungslage der Unterschicht, während das der Reihenschaltung der Spulen 2, 4 dienende Verbindungsstück 6 in der obersten Wicklungslage der Oberschicht angeordnet ist.
• Eine Wicklung nach dem Wickelschema der Fig. 4 kann beispielsweise im wesentlichen aus zwei verschiedenen L- Formteiltypen aufgebaut werden, von denen ein Typ dazu ausgebildet ist, eine Verbindung in ein und derselben Wicklungslage zu bilden, während ein zweiter Typ dazu ausgebildet ist, eine Überführung von einer Wicklungslage in die nächste zu bilden.
• Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines L-Formteils 10 vom ersten Typ. Der eine Schenkel 12a des L-Formteils 10 bildet in der fertigen Wicklung einen Nutstab 12, während der andere Schenkel 14a an der Stirnseite des Ständers liegt und in verschiedenen Nuten liegende Nutstäbe 12 derselben Wicklungslage miteinander verbindet.
• Die Verbindungsleiter 14 sind flacher und breiter ausgebildet als die Nutstäbe 12, wie aus den in Fig. 6 dargestellten Querschnittsansichten der beiden Schenkel 12a und 14a ersichtlich ist. Und zwar ist die Breite B des Nutstabs 12a so gewählt, daß der Nutstab in der Breite jeweils eine Nut ausfüllt. Der Verbindungsleiter 14a ist etwa dreimal so breit wie der Nutstab 12a, während seine Höhe h nur etwa ein Drittel der Höhe H des Nutstabs 12a beträgt. Der Leiterquerschnitt ist also in beiden Schenkeln des gezeigten Formteils etwa gleich.
• Das Formteil 10 weist am freien Ende des Nutstabs 12a eine abgeflachte Lasche 16a auf, die auf der in der Zeichnung unten liegenden Seite des Nutstabschenkels 12a liegt. Diese Lasche 16a ist dazu ausgebildet, auf einen Verbindungsbereich 18 am Ende des Verbindungsleiterschenkels 14 eines anderen Formteils aufgesetzt und mit diesem verbunden, z. B. verschweißt, zu werden. Mit Ausnahme dieser beiden schraffiert gezeichneten Verbindungsstellen 18 und 16a ist das Formteil 10 mit einem isolierenden Lack beschichtet.
• Fig. 7 zeigt einen zweiten Typ eines L-Formteils 20, welcher zusammen mit einem L-Formteil vom Typ 1 zur Bildung einer Windung einer wendelförmigen Spule verwendet wird. Das Formteil 20 ist im wesentlichen gleich aufgebaut wie das Formteil 10, mit Ausnahme der abgeflachten Lasche 16b, welche bei Formteil 20 auf der in der Zeichnung oben liegenden Seite des Nutstabschenkels 12b angeordnet ist. Die Lasche 16b ist auch dazu geeignet, auf einen Verbindungsbereich 18 eines anderen Formteils aufgesetzt und mit diesem verschweißt zu werden.
• Anhand der Fig. 8 bis 10 soll nun der lagenweise Aufbau einer Wicklung aus L-Formteilen erläutert werden. Die Formteile sind der Einfachheit halber ohne Ständerkörper und auf einer ebenen Fläche liegend dargestellt. Die in den Fig. 8 bis 12 gezeigte Wicklung ist nach dem Wickelschema der Fig. 4, jedoch spiegelverkehrt hierzu aufgebaut. Fig. 8 zeigt drei L- Formteile 10 vom Typ 1, die jedoch anstatt der Laschen 16a verlängerte Laschen 16c aufweisen. Da die gezeigten Formteile 10 in der in den Nuten zuunterst liegenden Wicklungslage liegen, sind die Laschen 16c nicht zum Verbinden mit anderen Formteilen, sondern zum Anschließen an eine Stromzuführung, z. B. an darunterliegende umlaufende Stromschienen, geeignet. Auf der anderen Stirnseite des Ständers sind die Verbindungsleiter 14a schuppenartig übereinander geschichtet, wobei die Verbindungsstellen 18 stets von oben zugänglich sind, und bilden so eine Verbindungsleiterlage 22. In dieser liegen maximal drei Verbindungsleiter 14a übereinander, so daß die Lage 22 an keiner Stelle höher als die dazugehörige Lage von Nutstäben 12a ist.
• Ist gemäß Fig. 8 in jede zweite Nut ein Formteil 10 eingelegt worden, wird in die übrigen Nuten von der anderen Stirnseite des Ständers her ein Formteil vom Typ 20 eingesetzt (siehe Fig. 9 und 10). Die Lasche 16b eines Formteils 20 kommt hierbei auf dem Verbindungsbereich 18 eines Verbindungsleiter 14a eines Formteils 10 zu liegen und wird anschließend mit diesem z. B. durch Laserschweißen verbunden. Auf diese Weise bildet ein Formteil 20 zusammen mit einem Formteil 10 nach Verschweißung eine vollständige Windung einer wendelförmigen Spule. Da die Lasche 16b eines Formteils 20 - wie vorstehend erwähnt - auf der Höhe der Oberseite des Nutstabs 12b angeordnet ist, kommt der Nutstab 12b eines Formteils 20 in der gleichen Wicklungslage wie die Nutstäbe 12a der Formteile 10 zu liegen, wenn er auf den Verbindungsbereich 18 eines Formteils 10 aufgesetzt wird. Auf der anderen Stirnseite bilden die Verbindungsleiter 14b der Formteile 20 ebenfalls eine schräggeschichtete Verbindungsleiterlage 24, in der die Verbindungsstellen 18 der Formteile 20 jeweils frei von oben zugänglich sind.
• Ist die unterste Wicklungslage vollständig mit Formteilen 10 und 20 aufgefüllt, so wird die nächste Wicklungslage begonnen, indem auf jedes Formteil 10 ein weiteres Formteil 10 aufgelegt wird und dessen abgeflachte Lasche 16a mit dem Verbindungsbereich 18 eines Formteils 20 verbunden wird (nicht dargestellt). Da die Lasche 16a des Formteils 10 auf der Höhe der Unterseite des Nutstabs 12a liegt, wird der durch die schräge Schichtung in der Verbindungsleiterlage 24 geschaffene Höhenversatz an dieser Verbindungsstelle nicht ausgeglichen, sondern dient der Überführung der Wicklung in die nächsthöhere Wicklungslage.
• Werden auf diese Weise noch weitere Wicklungslagen in die Nuten eingesetzt, entstehen mehrere überlappende Spulen mit ebenso vielen Windungen wie Wicklungslagen, deren Verbindungsleiter 14a, 14b ineinander verschränkt angeordnet sind. Ist die erste Schicht vervollständigt, so werden anstatt der Formteile 20 ähnliche (nicht gezeigte) L-Formteile eingesetzt, deren Verbindungsleiterschenkel 8 jedoch um einen Nutabstand gegenüber den Verbindungsleitern 14 verkürzt ist. Hierdurch wird das Wickelschema um eine Nut versetzt.
• Zur Veranschaulichung zeigt Fig. 11 eine Anordnung von Formteilen 10, 20 der untersten Wicklungslage, die hier jedoch in die Nuten 1 eines Ständerkörpers 26 eingesetzt sind. Zwecks Übersichtlichkeit sind nur die beiden äußeren Bleche des Ständerblechpakets 26 gezeigt. Die Nuten 1 sind zum Luftspalt hin verengt ausgebildet.
• Die Versetzung der Teilspulen gegeneinander sowie die Verschränkung der Verbindungsleiter überlappender Spulen ist schematisch in Fig. 12 dargestellt. Diese zeigt in Fig. 12b eine schematische Draufsicht auf die Stirnseite eines bewickelten Ständers, wobei die Stirnflächen der Verbindungsleiter 14b vereinfacht als Linien dargestellt sind. Die verschiedenen Stränge sind durch unterschiedliche Linienarten gekennzeichnet (fett durchgezogen, normal durchgezogen und gestrichelt). In einem Zweig ist die momentane Stromrichtung durch Pfeile gekennzeichnet. In dem darüber in Fig. 12a gezeigten Querschnitt durch die Nuten sind die zu diesem, aus den Spulen 2 und 4 aufgebauten, Zweig gehörenden Nutstäbe 12a, 12b eingezeichnet. Die Wicklung ist aus 8 Wicklungslagen aufgebaut, von denen jeweils vier auf eine Schicht entfallen. Zu jeder Wicklungslage gehört auf der in Fig. 12b gezeigten Stirnseite eine Lage 24-1 bis 24-8 von schuppenartig übereinander geschichteten Verbindungsleitern 14b. Innerhalb einer Verbindungsleiterlage 24 wechseln sich die verschiedenen Stränge jeweils ab. Durch Übereinanderschichtung mehrerer gleicher Lagen 24 und entsprechenden Verbindungen zwischen den Formteilen 10, 20 dieser Lagen entstehen daher wendelförmige Spulen 2, 4, 30, 32, 34 deren Verbindungsleiter 14 ineinander verschränkt sind. In der Unterschicht sind z. B. die Verbindungsleiter 14b der Spule 34a mit denen der Spulen 2a, 30a, 4a, 32a verschränkt.
• Im folgenden wird die Versetzung der Teilspulen 2a, 2b, 4a, 4b anhand des in Fig. 12b fett eingezeichneten Strangs erläutert. Vom Anschluß an eine Stromzuführung bei Punkt A wird der Strang in der Spule 2a über vier Windungen in Richtung Luftspalt geführt. In der vierten Wicklungslage 24-4 sind die Verbindungsleiter 8 um einen Nutabstand kürzer als die Verbindungsleiter 14b, so daß der Strang hier in die um eine Nut verschobene Teilspule 2b der Oberschicht überführt wird. In der obersten Wicklungslage 24-8 wird an die Spule 2b ein besonderes, U-förmiges Formteil, angeschlossen, das aus einem um eine Nut verlängerten Verbindungsleiterabschnitt 6 und zwei Nutstabschenkeln 12a, 12b besteht. Durch dieses Formteil werden die beiden Teilspulen 2b und 4b der Oberschicht in Reihe geschaltet. In der Spule 4b fließt der Strom mit entgegengesetztem Drehsinn in Richtung Nutgrund weiter, wird in der vierten Verbindungsleiterschicht 24-4 durch einen Verbindungsleiter 8 in die um eine Nut versetzte Teilspule 4a überführt und fließt schließlich bei Anschlußpunkt B zum Sternpunkt.
• Bevorzugt handelt es sich bei der elektrischen Maschine der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele um einen kombinierten Starter-Generator eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Besonders bevorzugt handelt es sich um einen sog. Kurbelwellenstarter-Generator, also einen kombinierten Starter und Generator, dessen Läufer direkt auf der Kurbelwelle oder einer Kurbelwellenverlängerung des Verbrennungsmotors sitzt und vorzugsweise permanent und ohne Zwischenübersetzung mit dieser mitdreht. Derartige Kurbelwellenstarter-Generatoren haben eine Leistung im Bereich von 4 kW bis 30 kW, bei einem Mittelklasse-Personenwagen z. B. 10 kW.
• Fig. 13 veranschaulicht ein Kraftfahrzeug-Antriebssystem mit einem derartigen Kurbelwellenstarter-Generator. Und zwar weist das Antriebssystem einen Verbrennungsmotor 38 auf, der Drehmoment über eine Antriebswelle 39 (z. B. die Kurbelwelle), eine Kupplung 40 und weitere (nicht gezeigte) Teile eines Antriebsstrangs auf die Antriebsräder des Fahrzeugs abgibt. Auf der Antriebswelle 39 sitzt eine als Starter und Generator arbeitende elektrische Maschine 41, hier eine Drehstrom- Asynchronmaschine oder eine mit Permanentmagneten ausgerüstete Drehstrom-Synchronmaschine. Sie weist einen direkt auf der Antriebswelle 39 sitzenden und drehfest mit ihr verbundenen Läufer 42 sowie einen z. B. am Gehäuse des Verbrennungsmotors 38 abgestützten Ständer 43 auf, der z. B. mit einer Wicklung gemäß einem der obigen Ausführungsbeispiele ausgestattet ist. Die elektrische Maschine 41 und der Verbrennungsmotor 38 laufen permanent zusammen; das Starten des Verbrennungsmotors 38 erfolgt direkt ohne Übersetzung. Die (hier nicht dargestellte) Wicklung des Ständers 43 wird beispielsweise durch einen Wechselrichter mit elektrischen Strömen und Spannungen frei einstellbarer Amplitude, Phase und Frequenz gespeist.
• Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Wicklungen zeichnen sich durch eine geringe Amplitude der Oberwellen mit niedrigen Ordnungszahlen aus. Zudem erlauben sie einen kompakten Aufbau der Wickelköpfe und sind daher insbesondere für Formteilwicklungen geeignet.

Claims (16)

1. Wicklung für einen Nuten (1) aufweisenden Ständer oder Läufer einer elektrischen Maschine, wobei die Wicklung mehrere Spulen (2, 4) aufweist, die jeweils wenigstens zwei Teilspulen (2a, 2b; 4a, 4b) umfassen, wobei die Teilspulen (2a, 2b; 4a, 4b) um wenigstens eine Nut (1) zueinander versetzt angeordnet sind, so daß in einer Nut (1) Teilspulenseiten (2b', 4a) von verschiedenen Spulen (2, 4) übereinander liegen, dadurch gekennzeichnet, daß hierbei die beiden Teilspulenseiten der Teilspulen (2a, 2a'; 2b, 2b') jeweils in der gleichen Schicht der Wicklung liegen.

2. Wicklung nach Anspruch 1, wobei die Wicklung mehrere überlappende Spulen (2, 4, 30, 32, 34) umfaßt und die an den Stirnseiten des Läufers liegenden Wicklungsabschnitte (14a, 14b) - die sog. Verbindungsleiter (14) - von überlappenden Spulen verschränkt und somit in Lagen (22, 24) angeordnet sind.

3. Wicklung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung aus Formteilen (10, 20) aufgebaut ist.

4. Wicklung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung zumindest teilweise aus L-förmigen Formteilen (10, 20) aufgebaut ist, wobei jeweils ein Schenkel eines L-förmigen Formteils einen in einer Nut liegenden Nutstab (12) und der andere Schenkel einen an einer Stirnseite des Ständers liegenden Verbindungsleiter (14) bildet.

5. Wicklung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleiter (14) flacher ausgebildet sind als die Nutstäbe (12).

6. Wicklung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleiter (14) um so viel flacher als die Nutstäbe (12) ausgebildet sind, daß die zu einer Lage von Nutstäben (12) gehörende Lage (22, 24) von Verbindungsleitern (14) nicht höher als ein Nutstab (12) ist.

7. Wicklung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule (2, 4) dadurch gebildet ist, daß die auf einer Stirnseite des Ständers gelegenen Verbindungsleiter (14a) Nutstäbe (12a, 12b) der gleichen Lage verbinden und die auf der anderen Stirnseite gelegenen Verbindungsleiter (14b) Nutstäbe (12a, 12b) aus - in Richtung der Nuttiefe - übereinanderliegenden Lagen.

8. Wicklung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teilspulen (2a, 2b) einer Spule (2) etwa gleich viele Windungen aufweisen.

9. Wicklung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teilspulen (2a, 4a, 30a, 32a) einer Schicht um die gleiche Anzahl Nuten (1) und in die gleiche Richtung gegenüber den Teilspulen (2b, 4b, 30b, 32b) der darüber- und/oder darunterliegenden Schicht versetzt sind.

10. Wicklung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Spulen (2, 4) in Reihe geschaltet sind, wobei der Strom eine der Spulen (2) wendelförmig nach innen durchfließt, und die andere Spule (4) wendelförmig nach außen.

11. Wicklung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung als Mehrphasenwicklung mit zwei Nuten pro Pol und Strang ausgeführt ist.

12. Wicklung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden Teilspulenseiten (2a, 2a') einer Teilspule (2a) kleiner als die Polteilung ist.

13. verfahren zur Herstellung einer Wicklung nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die unterste Schicht durch Einsetzen von Formteilen (10, 20) in die Nuten (1) des Ständers (26) aufgebaut wird, wobei die Formteile (10, 20) jeweils nach dem Einsetzen einer ganzen oder eines Teils einer Wicklungslage mit bereits eingesetzten Formteilen (10, 20) oder mit einer Stromzuführung verbunden werden;

b) die obere (n) Schicht (en) wie in Schritt (a) durch Einsetzen von Formteilen (10, 20) aufgebaut wird(werden), wobei die Formteile (10, 20) gegenüber den entsprechenden Formteilen (10, 20) der darunterliegenden Schicht um eine oder mehrere Nuten versetzt eingesetzt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten dadurch aufgebaut werden, daß L-förmige Formteile (10, 20) von den Stirnseiten in die Nuten (1) des Ständers (26) eingesetzt und zu einer Wicklung verbunden werden, indem jeweils des freie Ende des Nutstabschenkels (12b) eines ersten Formteils (20) mit dem Verbindungsleiterschenkel (14a) eines von der gegenüberliegenden Stirnseite eingesetzten L-förmigen Formteils (10) verbunden, insbesondere verschweißt, wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilspulen (2a, 2b) einer Spule (2) durch Formteile mit - gegenüber den Formteilen (10, 20), aus denen die Teilspulen (2a, 2b) aufgebaut sind - um einen Nutabstand verkürztem oder verlängertem Verbindungsleiterschenkel (8) in Reihe geschaltet werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13-16, dadurch gekennzeichnet, daß in die oberste Wicklungslage Formteile eingesetzt werden, durch die jeweils zwei Spulen in Reihe geschaltet werden.