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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen Asynchronmotor, mit einem Lamellenkörper und einer dem Lamellenkörper zugeordneten, mehrphasigen Wicklung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer mehrphasigen Wicklung für einen Lamellenkörper.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 103 15 361 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Wicklungen und Wicklungsverschaltungen bekannt. Bei dem bekannten Verfahren werden mehrere Verfahrensschritte durchlaufen. In Drahtelemente wird eine den Nutfüllfaktor erhöhende Querschnittsprofilierung eingeprägt. Dann werden Schränkwerkzeuge mit den geprägten Drahtelementen zur Ausbildung der Wicklung, mit geprägten Drahtelementen zur Ausbildung eines integrierten Sternpunktes und mit geprägten Drahtelementen zur Bestromung der Wicklung bestückt. Dann erfolgt ein Verschränken der geprägten Drahtelemente in den Schrankwerkzeugen in Endbereichen der Drahtelemente. Ferner wird eine Verschaltung des integrierten Sternpunktes durch thermisches Fügen oder Kaltkontaktierungstechnik der Drahtelemente für den integrierten Sternpunkt mit einem Verschaltungsring an einer Innenseite eines erzeugten Wickelkopfes ausgebildet.
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Bei der aus der
DE 103 15 361 A1 bekannten Ausgestaltung wird eine dreiphasige Wicklung mit einer Aufteilung der Wicklung von 120° ausgestaltet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 haben den Vorteil, dass vorteilhafte Wicklungen realisiert werden können. Speziell besteht der Vorteil, dass in Bezug auf ein vorgegebenes Bauvolumen ein größeres Drehmoment erzielt werden kann. Insbesondere kann eine homogene Zonenwicklung mit 60° für eine dreiphasige Wicklung realisiert werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen elektrischen Maschine und des im Anspruch 13 angegebenen Verfahrens möglich.
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Die elektrische Maschine kann speziell bei Lenkantrieben für Fahrzeuge oder für Stellantriebe in Fahrzeugen zum Einsatz kommen. Hierbei kann die elektrische Maschine als Niederspannungsmotor ausgestaltet sein, der mit einer Betriebsspannung bis maximal 50 V betrieben wird. Beispielsweise kann ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs eine Spannung von 12 V bereitstellen. Denkbar ist auch ein Bordnetz mit einer Spannung von 42 V. Bei solch einer als Niederspannungsmotor ausgestalteten elektrischen Maschine kann insbesondere eine dreiphasige Wicklung ausgestaltet werden, die einen hohen Nutfüllfaktor realisiert. Auf Grund des erzielbaren hohen Nutfüllfaktors können die Bauvolumina der Wicklungen reduziert werden. Als Verbindungstechnik für die Ausgestaltung der Wicklung können thermische Fügeverfahren, beispielsweise Widerstandsschweißen, Laserstrahlschweißen, Elektronenstahlschweißen oder Löten, zum Einsatz kommen. Neben stoffschlüssigen Fügeverfahren kann auch ein Warmpressen oder eine kalte Kontaktierungstechnik, beispielsweise das Vernieten oder Verkrimpen, zum Einsatz kommen.
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Vorteilhaft ist es, dass der Verbindungsabschnitt des Verbindungselements innen an dem Wickelkopf entlang geführt ist. Ferner ist es vorteilhaft, dass der Verbindungsabschnitt als gebogener Verbindungsabschnitt ausgestaltet ist. Hierdurch ist eine kompakte Ausgestaltung möglich. Ferner kann durch den innen angeordneten Verbindungsabschnitt ein an der Außenseite gleichmäßig geformter Wickelkopf geformt werden. Hierdurch ist der Bauraum optimiert. Ferner kann durch die gebogene Ausgestaltung des Verbindungsabschnitts ein verbleibender Innendurchmesser des Lamellenpakets optimiert werden.
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Vorteilhaft ist es, dass der Lamellenkörper eine Längsachse aufweist und dass der Verbindungsabschnitt bezüglich der Längsachse gebogen ist. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass ein Krümmungsradius des gebogenen Verbindungsabschnitts durch einen Abstand des Verbindungsabschnitts zu der Längsachse gegeben ist. Der Verbindungsabschnitt kann beispielsweise teilkreisförmig gebogen sein. Hierdurch ist ein Bauraum zur Anordnung eines zumindest näherungsweise zylinderförmigen oder stufenzylinderförmigen Bauteils im Inneren des Lamellenkörpers optimiert.
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In vorteilhafter Weise sind die geraden Drahtabschnitte der Bügelelemente und/oder die geraden Drahtabschnitte des Verbindungselements zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Lamellenkörpers durch den Lamellenkörper geführt. Bei der Herstellung der mehrphasigen Wicklung für den Lamellenkörper können die Drahtabschnitte der Bügelelemente zusammen und somit gleichzeitig mit den Drahtabschnitten des Verbindungselements in entsprechende Ausnehmungen des Lamellenkörpers eingeführt werden. Hierbei erfolgt die Fügung entlang der Längsachse des Lamellenkörpers. Durch eine geeignete Umsteckvorrichtung ist somit eine automatisierte Zusammenfügung der vorbereiteten Wicklung mit dem verschaltungsseitigen Wickelkopf in den Lamellenkörper möglich.
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Das Verbindungselement kann in vorteilhafter Weise als einstückiges Verbindungselement ausgestaltet sein. Speziell kann das einstückige Verbindungselement aus einem Drahtstück ausgestaltet sein, wobei das Drahtstück zumindest durch Biegen und/oder Prägen und/oder Verschränken ausgestaltet ist. Entsprechend kann jedes der Bügelelemente aus einem Drahtstück ausgestaltet und zumindest durch Biegen, Prägen und/oder Verschränken ausgestaltet werden.
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Alternativ ist es auch möglich, dass der Verbindungsabschnitt des Verbindungselements als Verbindungsstück ausgestaltet ist, das einerseits mit dem Ende des Drahtabschnitts und andererseits mit dem Ende des zweiten Drahtabschnitts verbunden ist. Speziell eignet sich hierbei eine stoffschlüssige Verbindung.
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Ferner ist es vorteilhaft, dass der Wickelkopf eine Zonenwicklung entsprechend einem Wickelschema mit einer Zonenaufteilung von 60° aufweist. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass drei Verbindungselemente vorgesehen sind. Durch die Zonenaufteilung von 60° kann eine Leistungsdichte verbessert werden. Bei der verbesserten Leistungsdichte ist in Bezug auf ein gegebenes Bauvolumen ein erhöhtes Drehmoment möglich. Hierbei ermöglicht eine Zonenaufteilung von 60° beispielsweise im Vergleich zu einer Zonenaufteilung von 120° eine Änderung des Grundwellenwickelfaktors in der Form, dass bei gleicher elektrischer Eingangsleistung und vergleichbarer mechanischer Ausgangsleistung die Paketlänge der Aktivteile der elektrischen Maschine verkürzt werden kann. In Bezug auf einen gleichbleibenden Durchmesser wird hierdurch die Leistungsdichte verbessert.
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Vorteilhaft ist es auch, dass zumindest ein Sternpunktelement vorgesehen ist, das einen zumindest im Wesentlichen geraden, durch das Lamellenpaket geführten Drahtabschnitt und ein Ende aufweist, und dass das Ende des Sternpunktelements nach innen gewinkelt und auf einen geschlossenen oder offenen Verbindungsring geführt ist. Außerdem ist es vorteilhaft, dass zumindest ein Anschlusselement vorgesehen ist, das einen zumindest im Wesentlichen geraden, durch das Lamellenpaket geführten Drahtabschnitt und ein Ende aufweist, und dass das Ende des Anschlusselements zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Lamellenpakets orientiert ist. Die Verschaltung des Sternpunkts kann hierbei automatisiert erfolgen. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine mehrphasige Wicklung hergestellt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
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1 einen Lamellenkörper und eine mehrphasige Wicklung für eine elektrische Maschine in einer schematischen Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 ein Verbindungselement der in 1 dargestellten Wicklung der elektrischen Maschine entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 das in 2 dargestellte Verbindungselement aus der in 2 mit III bezeichneten Blickrichtung;
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4 die in 1 teilweise dargestellte elektrische Maschine entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel und
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5 ein Wickelschema für eine Wicklung einer elektrischen Maschine entsprechend einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt Teile einer elektrischen Maschine 1 in einer schematischen Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel. Hierbei sind ein Lamellenkörper 2 und eine dem Lamellenkörper 2 zugeordnete, mehrphasige Wicklung 3 der elektrischen Maschine 1 dargestellt. Die elektrische Maschine 1 kann insbesondere als Asynchronmotor ausgestaltet sein. Hierbei kann die elektrische Maschine 1 für Spannungen von maximal 50 V, das heißt als Niederspannungsmotor, ausgestaltet sein. Die elektrische Maschine 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Der Lamellenkörper 2 weist eine Längsachse 4 auf, die in der 1 senkrecht zur Zeichenebene orientiert ist. Die Wicklung 3 weist mehrere Bügelelemente 5 auf. Jedes der Bügelelemente 5 weist jeweils zwei durch den Lamellenkörper geführte Drahtabschnitte 6, 7 auf. Die Drahtabschnitte 6, 7 sind über einen gebogenen Kopfabschnitt 8 miteinander verbunden. Die Drahtabschnitte 6, 7 sind gerade ausgestaltet, wobei diese parallel zu der Längsachse 4 durch geeignete Ausnehmungen in dem Lamellenkörper 2 geführt sind. Der Kopfabschnitt 8 ist an einer Stirnseite 9 des Lamellenkörpers 2 angeordnet. An einer weiteren, von der Stirnseite 9 abgewandten Stirnseite des Lamellenkörpers 2 sind die Drahtabschnitte 6, 7 der einzelnen Bügelelemente 5 auf geeignete Weise miteinander verbunden, wobei diese Verbindungen auf einem Wickelschema basieren, wie es beispielsweise anhand der 5 beschrieben ist.
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Der Drahtabschnitt 6 ist an einer Innenseite 10 des Lamellenkörpers 2 angeordnet, während der Drahtabschnitt 7 an einer Außenseite 11 des Lamellenkörpers 2 angeordnet ist. Außerdem sind die Drahtabschnitte 6, 7, die zu einem Bügelelement 5 gehören, in einer Umfangsrichtung 12 verschränkt. Im Ergebnis wird beispielsweise der in der 1 veranschaulichte Wickelkopf 15 durch die einzelnen Kopfabschnitte 8 der mehreren Bügelelemente 5 gebildet. Zur Vereinfachung der Darstellung ist hierbei nur das Bügelelement 5 mit den Drahtabschnitten 6, 7 und dem Kopfabschnitt 8 gekennzeichnet.
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Außerdem sind drei Anschlusselemente 16, 17, 18 vorgesehen, die aus geraden, durch das Lamellenpaket 2 parallel zu der Längsachse 4 geführten Drahtabschnitten und jeweils einem Ende gebildet sind, wobei die Enden in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls parallel zu der Längsachse 4 orientiert sind. An den Enden ist eine elektrische Kontaktierung der Anschlusselemente 16, 17, 18 möglich. Hierbei können die Enden auch über eine Steckverbindung kontaktiert werden.
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Im Bereich der Innenseite 10 des Lamellenkörpers 2 ist ein offener Verbindungsring 19 angeordnet. Ferner sind Sternpunktelemente 20, 21, 22 vorgesehen, die jeweils einen geraden, durch den Lamellenkörper 2 parallel zu der Längsachse 4 geführten Drahtabschnitt und jeweils ein Ende 23, 24, 24 aufweisen. Die Enden 23, 24, 25 der Sternpunktelemente 20, 21, 22 sind hierbei nach innen gewinkelt auf den Verbindungsring 19 geführt. Hierbei kann ein Winkel von 90° vorgegeben sein. Die Enden 23, 24, 25 sind beispielsweise mittels eines thermischen Verbindungsverfahrens mit dem Verbindungsring 19 verbunden.
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Außerdem sind Verbindungselemente 26, 27, 28 vorgesehen. Die Ausgestaltung des Verbindungselements 26 ist anhand der 2 in weiterem Detail beschrieben. Die Verbindungselemente 27, 28 sind entsprechend dem Verbindungselement 26 ausgestaltet.
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2 zeigt das Verbindungselement 26 der elektrischen Maschine 1 in einer schematischen Darstellung. Das Verbindungselement 26 weist einen ersten Drahtabschnitt 29 und einen zweiten Drahtabschnitt 30 auf. Ferner ist ein Verbindungsabschnitt 31 vorgesehen, der die Drahtabschnitte 29, 30 verbindet. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Verbindungselement 26 aus einem Drahtstück ausgestaltet. Die Ausgestaltung erfolgt hierbei durch Biegen und Prägen. Dadurch ist das Verbindungselement 26 einstückig ausgestaltet. Die Drahtabschnitte 29, 30 sind so geprägt, dass diese einen vorgegebenen Querschnitt, insbesondere einen keilförmigen Querschnitt, aufweisen. Entsprechend können auch die Drahtabschnitte 6, 7 des Bügelelements 5, die Drahtabschnitte der Anschlusselemente 16, 17, 18 und die Drahtabschnitte der Sternpunktelemente 20, 21, 22 geprägt sein.
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3 zeigt das in 2 dargestellte Verbindungselement 26 aus der mit III bezeichneten Blickrichtung. Hierbei ist in der 3 die Lage der Längsachse 4 in Bezug auf das montierte Verbindungselement 26 veranschaulicht. Die Drahtabschnitte 29, 30 verlaufen parallel zu der Längsachse 4. Der Verbindungsabschnitt 31 liegt zumindest im Wesentlichen in einer Ebene, die von der Längsachse 4 senkrecht durchstoßen wird. Außerdem ist der Verbindungsabschnitt 31 gebogen ausgestaltet. Hierbei ist ein Krümmungsradius 32 vorgegeben, der durch den Abstand des Verbindungsabschnitts 31 zu der Längsachse 4 bestimmt ist. Bezüglich der Längsachse 4 ist der Verbindungsabschnitt 31 dadurch zumindest näherungsweise teilkreisförmig ausgestaltet.
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Der Verbindungsabschnitt 31 ist in dem ersten Ausführungsbeispiel, das in der 1 dargestellt ist, im Bereich der Innenseite 10 an der Wicklung 3 entlang geführt. Hierbei ist die Krümmung des Verbindungsabschnitts 31 an die Krümmung des Wickelkopfs 15 und somit an die Krümmung der Innenseite 10 angepasst. Hierdurch ergibt sich eine optimierte Geometrie.
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4 zeigt die 1 dargestellte elektrische Maschine 1 in einer teilweisen Darstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Verbindungsabschnitt 31 des Verbindungselements 26 durch ein Verbindungsstück 31 ausgestaltet, das einerseits mit einem Ende 29' des ersten Drahtstücks 29 und andererseits mit einem Ende 30' des zweiten Drahtabschnitts 30 verbunden ist. Der Verbindungsabschnitt 31 des Verbindungselements 26 bildet hierbei mit den weiteren Verbindungsabschnitten der Verbindungselemente 27, 28 einen mehrfach unterteilten Innenring. Die Verbindungen können durch Schweißen ausgestaltet sein. Der Sternpunkt ist in diesem Ausführungsbeispiel durch verlängerte Enden 23, 24, 25 der Sternpunktelemente 20, 21, 22 und den Verbindungsring 19 gebildet. Die Sternpunktelemente 20, 21, 22 können hierbei durch U-Bügelelemente gebildet werden. Hierdurch wird die Anzahl der benötigten Bauteile weiter verringert.
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5 zeigt ein Wickelschema für eine Wicklung 3 einer elektrischen Maschine 1 entsprechend einer möglichen Ausgestaltung. Hierbei sind bei dieser Ausgestaltung 36 Nuten in dem Lamellenkörper 2 vorgesehen, die mit den Zahlen 1 bis 36 versehen sind. Der Lamellenkörper 2 kann allerdings auch eine andere Anzahl an Nuten aufweisen. Beispielsweise kann die Anzahl der Nuten (Nutzahl) auch 48, 60 oder 72 sein. An die Anschlusselemente 16, 17, 18 sind die Spannungen U1, V1, W1 entsprechend den drei Phasen eines dreiphasigen Wechselstroms anlegbar. Die entsprechenden Bezugspotentiale U2, V2, W2 sind entsprechend der Sternpunktschaltung über die Sternpunktelemente 20, 21, 22 auf den Verbindungsring 19 geführt und zusammengeschaltet. Ferner sind die Verbindungselemente 26, 27, 28 vorgesehen. Es ist anzumerken, dass ein rechter Rand 33 des Wickelschemas mit einem linken Rand 34 zusammengeführt ist. Im Ergebnis ergibt sich ein Wickelkopf 15 mit einer Zonenwicklung entsprechend dem Wickelschema mit einer Zonenaufteilung von 60°.
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Somit kann ein hoher Nutfüllfaktor erzielt werden. Außerdem ist eine automatisierbare Herstellung der Wicklung 3 und somit der elektrischen Maschine 1 möglich. Der Sternpunkt ist über den Verbindungsring 19 in die elektrische Maschine 1 integriert, wobei die Herstellung automatisierbar ist. Hierbei ergibt sich eine kompakte, Bauvolumen minimierte Sternpunktanordnung. Speziell kann die homogene Zonenwicklung mit 60° für einen dreiphasigen Asynchronmotor 1 zum Einsatz kommen.
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Innerhalb der Wicklung 3 sind die Drahtabschnitte 29, 30 des Verbindungselements 26 durch mehrere Kopfabschnitte 8 der Bügelelemente 5 voneinander beabstandet. Der Verbindungsabschnitt 31 überbrückt diesen Abstand, wobei der Verbindungsabschnitt 31 an dem Wickelkopf 15 entlang geführt ist, so dass sich eine kompakte Ausgestaltung ergibt. Somit kann eine Verkürzung der Verschaltung erzielt werden, wobei die Verschaltung bei der Formung des Wickelkopfs 15 ausgestaltet werden kann und somit in den Wickelkopf 15 integriert ist. Entsprechend ist auch die Sternpunktanordnung in den Wickelkopf 15 integriert.
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Speziell kann auf diese Weise ein durch den Lamellenkörper 2 mit der Wicklung 3 gebildeten Drehstromstator mit hohem Füllgrad gebildet werden, der ein homogenes Wickelschema mit einer Zonenaufteilung von 60° aufweist.
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Bei der Herstellung des Lamellenkörpers 2 mit der Wicklung 3 besteht der Vorteil, dass auf einheitliche Bauteile entsprechend einem Baukastensystem zurückgegriffen werden kann. Speziell kann eine Vielzahl von Bügelelementen 5, Anschlusselementen 16, 17, 18, Sternpunktelementen 20, 21, 22 und Verbindungselementen 26, 27, 28 vorgefertigt werden, die in benötigter Anzahl zur Herstellung eines Wickelkopfs 15 zusammengefügt werden. Die Sternpunktelemente 20, 21, 22 können hierbei bereits eine Kröpfung aufweisen.
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Bei der Herstellung können in einem ersten Arbeitsgang alle Elemente 5, 16, 17, 18, 20, 21, 22, 26, 27, 28 in einer Einrichtung zum Wickelformen positioniert werden. Speziell werden die Sternpunktelemente 20, 21, 22 und die als Phasenanschlüsse dienenden Anschlusselemente 16, 17, 18 an entsprechenden Positionen in die Wickelform eingesteckt.
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Durch ein Verschränken der Wickelschablonen zueinander wird dann eine kompakte Ausformung des Wickelkopfs 15 erzielt. Hierbei ergibt sich die in den 1 und 4 veranschaulichte Verschränkung der Bügelelemente 5 des Wickelkopfs 15. Mittels einer Übersetzeinrichtung wird der so geformte Drahtkäfig in den Lamellenkörper 2 eingefügt. Der Lamellenkörper 2 kann beispielsweise als Lamellenpaket ausgestaltet sein, bei dem die einzelnen Lamellen untereinander papierisoliert oder pulverbeschichtet sind. Die Verschränkung auf der Gegenseite ergibt dann den Wickelschritt. Nach dem Verbinden der einzelnen Elemente, was beispielsweise durch Schweißen oder Löten erfolgen kann, wird die Kontaktierung der Sternpunktelemente 20, 21, 22 mit ihren Enden 23, 24, 25 an dem Verbindungsring 19 hergestellt.
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Somit kann in vorteilhafter Weise eine elektrische Maschine 1, insbesondere ein Asynchronmotor für einen Niederspannungsbereich, hergestellt werden. Spezielle Anwendungen sind ein Lenkungsantrieb, ein Lüfter, ein Hydraulikantrieb oder ein Stellantrieb für ein Kraftfahrzeug. Allerdings sind auch andere Antriebe als Anwendung denkbar, beispielsweise Fahrantriebe für Gabelstapler.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10315361 A1 [0002, 0003]
