-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spule für eine Elektromaschine. Die Erfindung betrifft ferner einen Spulenträgerkörper für eine solche Spule sowie eine mit einer solchen Spule versehene Elektromaschine.
-
STAND DER TECHNIK
-
Elektromaschinen werden für vielfältige Zwecke eingesetzt. Beispielsweise werden Synchronmaschinen, die sowohl in einem Motormodus als auch in einem Generatormodus betrieben werden können, in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen eingesetzt. Bei solchen Elektromaschinen kann dadurch, dass ein geeigneter elektrischer Strom durch geeignet angeordnete Drähte bewirkt wird, ein veränderliches Magnetfeld erzeugt werden, mit Hilfe dessen ein in einem Stator angeordneter Rotor in eine Rotationsbewegung versetzt werden kann. Der Draht kann hierbei in Wicklungen auf einem Trägerkörper angeordnet sein und somit eine Spule bilden. Mehrere solcher Spulen können entlang eines kreisförmigen Innenumfangs eines Stators angeordnet sein, um das benötigte veränderliche, auf den Rotor wirkende Magnetfeld zu erzeugen. Aufgrund der Kreisform, entlang derer die Vielzahl von Spulen angeordnet ist, hat jede einzelne Spule hierbei vorzugsweise eine keilartig verjüngende Außengeometrie, so dass die radial nach innen und außen weisenden Stirnflächen der Spulen ebenfalls einen annähernd kreisförmigen Innen- bzw. Außenumfang bilden und gleichzeitig möglichst viel metallisches Material im Kern der Spule eingesetzt werden kann, um so unerwünschte Hohlräume, die einen von der Spule erzeugten magnetischen Fluss reduzieren könnten, zu vermeiden.
-
Bei herkömmlich für Elektromaschinen verwendeten Spulen wurde beobachtet, dass es zu Problemen bei der Anordnung von Drahtwicklungen auf einem Spulenträgerkörper kommen kann.
-
Aus den Dokumenten
DE 20 204 507 U1 ,
DE 696 36 590 T2 ,
US 2010/0 275 436 A1 und WO 2009/ 041 172 A2 sind Spulenträgerkörper mit Breitseiten bekannt, die jeweils in einer Ebene angeordnet sind, die zu der Axialrichtung einen Winkel einschließt.
-
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
-
Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung können helfen, solche Probleme zu vermeiden.
-
Es wurde erkannt, dass diese Probleme unter anderem durch die Wahl der Geometrie des Spulenträgerkörpers bedingt sein können. Bei herkömmlichen Spulen weist der Spulenträgerkörper eine sich in einer Axialrichtung keilartig verjüngende Außengeometrie auf. Die Axialrichtung soll hierbei als diejenige Richtung verstanden werden, die im Wesentlichen senkrecht zu den Ebenen steht, in denen die Drahtwicklungen auf dem Spulenträgerkörper angeordnet sind. Mit anderen Worten steht die Axialrichtung im Allgemeinen orthogonal zu der Stirnfläche der Spule und entspricht in einem in der Elektromaschine eingebauten Zustand im Wesentlichen der Radialrichtung innerhalb der Elektromaschine. Die Außengeometrie des Spulenträgerkörpers weist hierbei zwei entgegengesetzt angeordnete Längsseiten auf, die in Ebenen angeordnet sind, die zu der Axialrichtung jeweils einen Winkel α > 0 einschließen, so dass sich eine keilstumpfartig verjüngende Außengeometrie ergibt. Quer zu den Längsseiten weist der Spulenträgerkörper jeweils an den Enden der Längsseiten entgegengesetzte Breitseiten auf. Bei herkömmlichen Spulenträgerkörpern sind diese Breitseiten eben und parallel zueinander.
-
Es wurde nun erkannt, dass es aufgrund der herkömmlich für den Spulenträgerkörper gewählten Geometrie nicht möglich sein kann, den Draht auf dem Spulenträgerkörper derart aufzuwickeln, dass sich eine für die Erzeugung des gewünschten Magnetfelds optimale Anordnung des Drahtes ergibt. Insbesondere wurde beobachtet, dass bei der herkömmlichen Geometrie des Spulenträgerkörpers der Draht entlang der Breitseiten enger gewickelt liegt als entlang der Längsseiten.
-
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Breitseiten des Spulenträgerkörpers derart auszubilden, dass sie jeweils zwei in der Axialrichtung hintereinander angeordnete Teilbereiche aufweisen, wobei ein erster Teilbereich in einer Ebene angeordnet ist, die zu der Axialrichtung einen positiven Winkel β > 0 einschließt, und wobei ein zweiter Teilbereich in einer Ebene angeordnet ist, die zu der Axialrichtung einen negativen Winkel γ < 0 einschließt.
-
Anders ausgedrückt liegt eine Idee der Erfindung darin, die Breitseiten des Spulenträgerkörpers nicht eben und über die gesamte Breite parallel zueinander auszubilden, sondern die Breitseiten in wenigstens zwei Teilbereiche zu unterteilen, die zueinander in einem Winkel angeordnet sind. Jeder der Teilbereiche ist dabei auch in einem von 0 verschiedenen Winkel zu der oben definierten Axialrichtung angeordnet, das heißt er ragt von der angrenzenden Längsseite quer in einem von 90° verschiedenen Winkel ab. Wieder anders ausgedrückt bilden die beiden Teilbereiche einer Breitseite eine sattelartige Struktur, ähnlich wie bei einem Satteldach.
-
Es wurde erkannt, dass eine derart zweiteilig sattelartig ausgebildete Breitseitengeometrie dazu beitragen kann, einen Draht insbesondere im Bereich der angrenzenden Längsseiten enger um den Spulenträgerkörper wickeln zu können. Insbesondere die Bereiche des Drahtes, die sich entlang der Längsseiten des Spulenträgerkörpers erstrecken, tragen bei einem Einsatz der Spule in einer Elektromaschine hauptsächlich zur Erzeugung des gewünschten antreibenden Magnetfeldes bei. Um für die gewünschte Magnetfeldkomponente eine möglichst große Stärke erreichen zu können, wird angestrebt, die Drahtwicklungen daher insbesondere im Bereich der Längsseiten des Spulenträgerkörpers möglichst eng wickeln zu können.
-
Ein Maß für die Dichte der Drahtwicklungen ist hierbei der sogenannte Füllfaktor. Als Füllfaktor bezeichnet man in der Spulenwickeltechnik das Verhältnis der effektiven Querschnittsfläche der (Kupfer-) Leiter zur theoretisch maximalen Querschnittsfläche des verfügbaren Wickelfensters, z. B. in einem Elektromotor, Transformator, oder Relais. Bei gegebener Geometrie wird ein möglichst großer Füllfaktor angestrebt, um Kupferverluste möglichst zu minimieren. Bei Runddraht wird der Querschnitt nicht voll ausgenutzt und daher ist der Füllfaktor auf ein theoretisches Maximum von ca. 78 % (≈ π/4) beschränkt. Wicklungs- und Drahtisolation sowie Drahteinführung können den Füllfaktor weiter verschlechtern. Mit anderen Worten gibt der Füllfaktor ein reziprokes Maß dafür an, wie viel Hohlräume zwischen den Drahtwicklungen verbleiben. Je höher der Füllfaktor ist, desto höher kann die Stromdichte des durch die Drahtwicklungen geführten Stromes eingestellt werden, so dass eine entsprechend höhere Magnetfeldstärke generiert werden kann.
-
Es kann daher als Ziel angesehen werden, die Anordnung der Drahtwicklungen insbesondere im Bereich der Längsseiten zur Maximierung des Füllfaktors zu optimieren.
-
Es wurde erkannt, dass dadurch, dass die Breitseiten nicht wie herkömmlich parallel zu der Axialrichtung, sondern in einem Winkel zu der Axialrichtung angeordnet werden, erreicht werden kann, dass der Draht insbesondere im Bereich der Längsseiten des Spulenträgerkörpers enger gewickelt werden kann, als dies bei herkömmlichen Spulen möglich war. Allerdings wurde auch beobachtet, dass eine solche Anordnung der Breitseiten in einem Winkel zur Axialrichtung dazu führt, dass sich die gesamte Baugröße der Spule signifikant vergrößern kann. Es wird daher vorgeschlagen, die Breitseiten in jeweils zwei Teilbereiche zu unterteilen, wobei beide Teilbereiche in einem Winkel zur Axialrichtung angeordnet sind, jedoch mit unterschiedlichen Winkelvorzeichen. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der Draht einerseits eng gewickelt werden kann und andererseits die durch die winklige Anordnung der Breitseiten hervorgerufene Vergrößerung des Bauraumes in Grenzen gehalten werden kann.
-
Prinzipiell können die beiden Teilbereiche der Breitseiten unterschiedlich groß sein und in unterschiedlichen Winkeln β, γ angeordnet sein. Es kann jedoch bevorzugt sein, die beiden Winkel β, γ betragsmäßig gleich groß zu wählen, das heißt β = -γ. In diesem Zusammenhang kann es auch vorteilhaft sein, die beiden Teilbereiche der Breitseiten gleich groß zu wählen bzw. die Länge der beiden Teilbereiche entlang der Axialrichtung gleich groß zu wählen. Auf diese Weise kann sich eine symmetrische sattelartige Breitseitenstruktur ergeben, was sich vorteilhaft auf die Dichte der Drahtwicklungen, die Einfachheit, mit der der Draht auf den Spulenträgerkörper gewickelt werden kann, und/oder die Baugröße der resultierenden Spule auswirken kann.
-
Es kann weiterhin bevorzugt sein, die Winkel β, γ betragsmäßig gleich groß oder größer zu wählen als den Winkel α, unter dem die Längsseiten zur Axialrichtung angeordnet sind, d.h. β ≥ α und -γ ≥ α. Besonders vorteilhaft kann es hierbei sein, die Winkel β, γ betragsmäßig gleich groß wie den Winkel α zu wählen, d.h. β = -γ = α. Wenn die Winkel α, β, γ betragsmäßig alle gleich groß sind, kann der Draht sowohl im Bereich der Längsseiten als auch im Bereich der Breitseiten überall in gleicher Weise, das heißt, gleich eng, um den Spulenträgerkörper gewickelt werden, so dass entlang des gesamten Umfangs des Spulenträgerkörpers eine nahezu ideale Drahtwicklung mit nahezu idealem Füllfaktor erreicht werden kann. Werden die Winkel β, γ betragsmäßig größer als der Winkel α gewählt, kann dies zwar dazu führen, dass der Draht nur im Bereich der Längsseiten nahezu optimal eng angeordnet werden kann und im Bereich der Breitseiten nur eine sub-optimale Anordnung erreicht werden kann. Da die Breitseiten jedoch für die Erzeugung des gewünschten Magnetfeldes von untergeordneter Relevanz sind, kann hier eventuell auf eine optimale Drahtwicklung verzichtet werden.
-
Die Teilbereiche der Breitseiten sind vorzugsweise derart in Winkeln zur Axialrichtung angeordnet, dass sich Breitseiten mit einer konvexen Geometrie ergeben. Dies kann sowohl für die Einfachheit, mit der der Draht um den Spulenträgerkörper gewickelt werden kann, wie auch für eine homogen enge Wicklung des Drahtes vorteilhaft sein.
-
Der Spulenträgerkörper kann mit Kunststoff ausgebildet sein. Ein solcher Spulenträgerkörper kann einfach beispielsweise im Spritzgussverfahren hergestellt werden. An den Längs- und Querseiten des Spulenträgerkörpers können Rillen vorgesehen sein, die eine Führung des auf den Spulenträgerkörper zu wickelnden Drahtes unterstützen können. Die Rillen können hierbei Abmessungen aufweisen, die in etwa den Abmessungen des Drahtes entsprechen. Der Spulenträgerkörper kann im Querschnitt eine im Wesentlichen rechteckige bzw. aufgrund der schräg angeordneten Breitseiten-Teilbereiche leicht sechseckige Außengeometrie aufweisen und im Zentrum eine große durchgehende Ausnehmung aufweisen, in die ein magnetisierbarer Metallkern eingebracht werden kann.
-
An den Stirnseiten kann der Spulenträgerkörper jeweils eine Verbreiterung aufweisen. Derartige Verbreiterungen können helfen, zu verhindem, dass die Drahtwicklungen sich entlang der Axialrichtung verschieben können und schlimmstenfalls von dem Spulenträgerkörper herunterrutschen.
-
Figurenliste
-
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die angehängten Figuren beschrieben, wobei weder die Beschreibung noch die Figuren als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen.
- 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stators einer Elektromaschine.
- 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Spule.
- 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Spulenträgerkörpers für eine herkömmliche Spule.
- 4 zeigt eine Schnittansicht entlang der in 2 dargestellten Ebene A.
- 5 zeigt eine Schnittansicht entlang der in 2 dargestellten Ebene B.
- 6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Spule gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Spulenträgerkörpers für eine Spule gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 8 zeigt eine Schnittansicht entlang der in 6 dargestellten Ebene A.
- 9 zeigt eine Schnittansicht entlang der in 6 dargestellten Ebene B.
-
Alle Figuren sind lediglich schematisch und nicht zwingend maßstabsgetreu.
-
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
-
1 zeigt einen Stator 100 für eine Elektromaschine 200, bei der aus Gründen der Übersichtlichkeit ein innerhalb des Stators 100 aufgenommener Rotor nicht dargestellt ist. Entlang eines Innenumfangs eines kreisförmigen Trägers 102 ist eine Vielzahl von Spulen 1 angeordnet. Der Anschluss 104 dient zur Verbindung mit einem NTC Sensor. Über Anschlüsse 106, 108, 110 können Drahtwicklungen der Spulen 1 von einer Steuerung mit elektrischem Strom versorgt werden.
-
In den 2 bis 5 ist eine geometrische Ausgestaltung einer herkömmlichen Spule 51 und eines hierfür verwendeten Spulenträgerkörpers 53 dargestellt. Der Spulenkörper 53 weist zwei Längsseiten 55 und zwei Querseiten 57 auf. Wie in der in 4 dargestellten Schnittansicht entlang der in 2 dargestellten Ebene A zu erkennen, sind die Längsseiten 55 in einem Winkel α zu der Axialrichtung X angewinkelt angeordnet. Die Querseiten 57 sind, wie in 5 in der Schnittansicht entlang der in 2 dargestellten Ebene B zu erkennen, parallel zueinander und parallel zu der Axialrichtung X angeordnet. Ein Abstand b zwischen entgegengesetzten Breitseiten 57 ist hierbei entlang der Axialrichtung X konstant.
-
Wie in den 4 und 5 deutlich zu erkennen, ergibt sich bei der herkömmlichen keilförmigen Geometrie des Spulenträgerkörpers 53 mit ebenen, parallelen Breitseiten 57 nur entlang der Breitseiten 57 eine annähernd ideale, engste Anordnung der von um den Spulenkörper 53 gewickelten Drähte 59. Der Abstand db zwischen den Mittelpunkten zweier benachbarter Drähte 59 entspricht dabei näherungsweise dem Durchmesser d der Drähte, so dass sich ein annähernd idealer Füllfaktor von π/4 ergibt. Dies trifft jedoch nur im Bereich der Breitseiten 57 zu. Wie in 4 dargestellt, kann bei der herkömmlichen Geometrie des Spulenträgerkörpers 53 im Bereich der Längsseiten 55 keine engste Anordnung der Wicklungen des Drahtes 59 erreicht werden. Zwischen benachbarten Drahtwicklungen 59 ergibt sich immer ein kleiner Spalt. Ein Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Drahtwicklungen beträgt hierbei di = d/cos(α).
-
In den 6 bis 9 sind eine Spule 1 bzw. ein Spulenträgerkörper 3 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Während die Längsseiten 5 des Spulenträgerkörpers 3 in gleicher Weise in einem Winkel zueinander und in einem Winkel α zu der Axialrichtung X keilartig angeordnet sind, wie bei dem oben beschriebenen Beispiel herkömmlicher Spulen 51, unterscheidet sich die Ausgestaltung der Breitseiten 7 erfindungsgemäß von derjenigen herkömmlicher Spulen.
-
Wie insbesondere aus 9 zu erkennen, sind beide entgegengesetzten Breitseiten 7 in zwei Teilbereiche 11, 13 unterteilt. Im dargestellten Beispiel sind die beiden Teilbereiche 11, 13 entlang der Axialrichtung X gleich lang. Beide Teilbereiche 11, 13 sind in Bezug auf die Axialrichtung X in einem Winkel angeordnet, wobei der Teilbereich 11 in einem negativen Winkel und der Teilbereich 13 in einem positiven Winkel zur Axialrichtung X angeordnet ist. Im dargestellten Beispiel sind die beiden Winkel betragsmäßig gleich groß und entsprechen dem Winkel α, unter dem die Längsseiten 5 zur Axialrichtung X angeordnet sind.
-
Durch eine solche Ausgestaltung des Spulenträgerkörpers 3 mit unter gleichen Winkeln α geneigten Längsseiten 5 und Teilbereichen 11, 13 der Breitseiten 7 kann eine positive Optimierung des Füllfaktors erreicht werden. Wie in den 8 und 9 zu erkennen, kann im Bereich der Längsseiten 5 eine engstmögliche Wicklungsanordnung erreicht werden, bei der die Drahtwicklungen 9 direkt aneinander anliegen und somit ein Abstand di zwischen benachbarten Drahtwicklungen 9 dem Durchmesser d der Drahtwicklungen entspricht. Auf diese Weise kann ein Füllfaktor von näherungsweise π/4 erreicht werden. Im Bereich der Breitseiten 7 kann zumindest für die direkt an dem Spulenträgerkörper 3 anliegenden Wicklungen ebenfalls eine engstmögliche Wicklungsanordnung und dabei ein höchstmöglicher Füllfaktor erreicht werden.
-
Aufgrund der geneigten Anordnung der Teilflächen 11, 13 der Breitseiten 7 kommt es zu einer gewissen Vergrößerung der Baugröße b des Spulenträgerkörpers und somit auch der Spule im Vergleich zu herkömmlichen Spulenträgerkörpern bzw. Spulen. Aufgrund der Tatsache, dass die Breitseite 7 jedoch in zwei Teilbereiche 11, 13 unterteilt ist und diese entgegengesetzt geneigt sind, kann die resultierende Bauraumvergrößerung bei einer angenommene Länge k des Spulenträgerkörpers auf b' = k/2 × sin(α) begrenzt werden, was für übliche Anwendungsfälle meist eine akzeptable Bauraumvergrößerung darstellt.
-
Im Ergebnis lässt sich mit einer erfindungsgemäßen Spule bzw. einem erfindungsgemäßen Spulenträgerkörper eine Verbesserung eines in einer Elektromaschine erzeugten Magnetfeldes bei gleichzeitig akzeptabler Begrenzung einer Bauraumvergrößerung der Spule erreichen.
