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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem segmentierten Stator, der eine Vielzahl von Statorsegmenten aufweist, wobei mindestens ein Statorsegment einen zumindest abschnittsweise mit einer Isolierummantelung versehenen Zahnabschnitt aufweist, auf den ein Wickeldraht zur Ausbildung einer Statorwicklung aufgewickelt ist.
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Die
DE 10 2008 010 231 A1 beschreibt eine derartige elektrische Maschine, deren Statorsegmente jeweils mit einer Nutisolierung versehen sind, auf die ein Kupferdraht mit kreisförmigem Querschnitt zur Ausbildung einer Statorwicklung aufgewickelt wird. Um hierbei jeweils einen großen Nutfüllfaktor zu erreichen, d. h. einen großen Kupferfüllgrad in einer einem entsprechenden Statorsegment zugeordneten Nut-Querschnittsfläche, erfolgt nach dem Bewickeln jedes Statorsegments eine auch als „Nachprägen” bezeichnete Nachverformung. Hierbei wird der auf ein entsprechendes Statorsegment aufgewickelte Kupferdraht mit einem Anpresswerkzeug gegen das Statorsegment gepresst, um diesen vollständig in die jeweils zugeordnete Nut-Querschnittsfläche einzupressen, wobei der Querschnitt des Kupferdrahts zumindest bereichsweise verformt wird.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass der Kupferdraht durch Rückfederung nach dem Nachprägen zumindest abschnittsweise aus der Nut-Querschnittsfläche heraus federn kann und durch eine vergleichsweise große mechanische Beanspruchung beim Nachprägen z. B. eine am Kupferdraht vorgesehene Lackisolierung beschädigt werden kann. Dies kann dazu führen, dass eine entsprechende elektrische Maschine die an sie gestellten, vergleichsweise hohen Sicherheitsanforderungen nicht erfüllt und somit unbrauchbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine neue elektrische Maschine mit einem segmentierten Stator bereitzustellen, auf dessen Statorsegmente jeweils ein innerhalb einer zugeordneten Nut-Querschnittsfläche angeordneter Wickeldraht aufgewickelt ist.
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Dieses Problem wird gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem segmentierten Stator, der eine Vielzahl von Statorsegmenten aufweist. Mindestens ein Statorsegment weist einen zumindest abschnittsweise mit einer Isolierummantelung versehenen Zahnabschnitt auf, auf den ein Wickeldraht zur Ausbildung einer Statorwicklung aufgewickelt ist. Der Wickeldraht ist zumindest abschnittsweise im Bereich der Isolierummantelung angeordnet und liegt zumindest bereichsweise gegen die Isolierummantelung an. Der Wickeldraht weist über seinen Verlauf entlang des Zahnabschnitts einen im Wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt auf.
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Die Erfindung ermöglicht somit die Bereitstellung einer elektrischen Maschine mit einem segmentierten Stator, der ohne die Notwendigkeit eines zugeordneten Nachprägens einen vergleichsweise großen Nutfüllfaktor aufweist, wobei der auf ein entsprechendes Statorsegment aufgewickelte Wickeldraht jeweils durch ein zumindest bereichsweise enges Anliegen gegen die Isolierummantelung sicher und zuverlässig innerhalb einer dem Statorsegment zugeordneten Nut-Querschnittsfläche angeordnet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform liegt der Wickeldraht durch eine thermische Verformung zumindest abschnittsweise gegen die Isolierummantelung an.
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Somit kann auf einfache Art und Weise ein zumindest bereichsweise enges Anliegen des Wickeldrahts gegen die Isolierummantelung ermöglicht werden.
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Der Wickeldraht liegt bevorzugt durch eine Wärmeausdehnung beim Aufwickeln auf die Isolierummantelung und eine zugeordnete Schrumpfung beim Abkühlen nach dem Aufwickeln zumindest abschnittsweise gegen die Isolierummantelung an.
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Somit kann ein unkompliziert und schnell aufwickelbarer Wickeldraht auf einem Zahnabschnitt eines zugeordneten Statorsegments angeordnet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform liegt der Wickeldraht ohne ein Anpressen des Wickeldrahts gegen den Zahnabschnitt zumindest abschnittsweise gegen die Isolierummantelung an.
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Die Erfindung ermöglicht somit die Bereitstellung einer robusten und kostengünstigen elektrischen Maschine mit segmentiertem Stator, bei deren Herstellung auf ein Nachprägen der Statorsegmente verzichtet werden kann.
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Der Wickeldraht ist bevorzugt ein mit einer Lackisolierung versehener Kupferdraht.
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Somit kann eine stabile und zuverlässige Statorwicklung bereitgestellt werden.
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Das Eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Statorsegment für einen Stator einer elektrischen Maschine, mit einem zumindest abschnittsweise mit einer Isolierummantelung versehenen Zahnabschnitt, auf den ein Wickeldraht zur Ausbildung einer Statorwicklung aufgewickelt ist. Der Wickeldraht ist zumindest abschnittsweise im Bereich der Isolierummantelung angeordnet und liegt zumindest bereichsweise gegen die Isolierummantelung an. Der Wickeldraht weist über seinen Verlauf entlang des Zahnabschnitts einen im Wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt auf.
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Die Erfindung ermöglicht somit die Bereitstellung eines Statorsegments, das eine zugeordnete Einzelzahnwicklung mit einer vergleichsweise großen Güte sowie einem vergleichsweise großen Nutfüllfaktor aufweist.
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Das Eingangs genannte Problem wird darüber hinaus gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Statorwicklung für einen segmentierten Stator, der eine Vielzahl von Statorsegmenten aufweist. Mindestens ein Statorsegment weist einen zumindest abschnittsweise mit einer Isolierummantelung versehenen Zahnabschnitt auf. Ein Wickeldraht wird zum Ausbilden der Statorwicklung auf den Zahnabschnitt aufgewickelt, wobei der Wickeldraht vor dem Aufwickeln auf den Zahnabschnitt erwärmt wird.
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Die Erfindung ermöglicht somit die Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Statorwicklung, bei dem auf einfache Art und Weise durch ein Erwärmen des Wickeldrahts vor dem Aufwickeln auf ein zugeordnetes Statorsegment eine Anordnung des Wickeldrahts innerhalb einer dem Statorsegment zugeordneten Nut-Querschnittsfläche ermöglicht wird.
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Der Wickeldraht wird bevorzugt erwärmt, um eine Wärmeausdehnung des Wickeldrahts beim Aufwickeln auf den Zahnabschnitt zu bewirken.
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Somit kann der Wickeldraht mit reduziertem Drahtzug sicher und zuverlässig auf den Zahnabschnitt aufgewickelt werden.
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Der erwärmte Wickeldraht wird bevorzugt zumindest bereichsweise mit einer durch einen vorgegebenen Maximalabstand zur Isolierummantelung ausgebildeten Ausbeulung auf die Isolierummantelung aufgewickelt.
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Somit kann der Wickeldraht einfach und schnell auf den Zahnabschnitt aufgewickelt werden.
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Nach dem Aufwickeln des erwärmten Wickeldrahts auf die Isolierummantelung legt sich bevorzugt zumindest der im Bereich der Isolierummantelung angeordnete Wickeldraht durch eine Schrumpfung beim Abkühlen an die Isolierummantelung an, wobei die Ausbeulung zumindest reduziert wird.
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Somit kann ein unkompliziertes und kostengünstiges Verfahren zum Herstellen einer Statorwicklung bereitgestellt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform,
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2 eine Draufsicht auf ein segmentiertes Blechpaket gemäß einer Ausführungsform, mit dem der Statorkern von 1 realisierbar ist,
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3 eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Kernsegments gemäß einer Ausführungsform,
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4 eine Draufsicht auf das Kernsegment von 3 beim Aufwickeln eines Wickeldrahts zur Ausbildung einer Einzelzahnwicklung, und
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5 eine Schnittansicht des Kernsegments von 4 beim Aufwickeln des Wickeldrahts, gesehen in Richtung der Pfeile V von 4.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine beispielhaft als Innenläufermotor ausgebildete elektrische Maschine 100 mit einem segmentierten Außenstator 150 und einem Innenrotor 180. Der segmentierte Außenstator 150 weist illustrativ einen mit einer Isolierummantelung 155 versehenen, segmentierten Statorkern 153 auf, an dem eine Statorwicklung 157 angeordnet ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass der Innenläufermotor 100 in 1 nur schematisch dargestellt ist, da Aufbau und Funktionalität eines geeigneten Innenläufermotors hinreichend aus dem Stand der Technik bekannt sind, sodass hier zwecks Knappheit und Einfachheit der Beschreibung auf eine eingehende Beschreibung des Innenläufermotors 100 verzichtet wird. Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass der Innenläufermotor 100 lediglich beispielhaft und nicht zur Einschränkung der Erfindung auf einen derartigen Innenläufermotor bzw. einen Elektromotor im Allgemeinen dargestellt ist. Diese kann vielmehr bei allen Motortypen bzw. elektrischen Maschinen mit segmentierten Statoren Anwendung finden. Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass auch die Abbildung eines Außenstators lediglich beispielhaften Charakter hat und die Erfindung ebenso z. B. bei ringförmigen Innenstatoren oder Primärteilen von Linearmotoren Anwendung finden kann.
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2 zeigt eine beispielhafte Anordnung 200 mit einer Vielzahl von im Wesentlichen übereinstimmend ausgebildeten Kernsegmenten 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290, die gemäß einer Ausführungsform zur Realisierung des segmentierten Statorkerns 153 von 1 verwendbar sind. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die dargestellte Verwendung der neun Kernsegmente 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290 lediglich beispielhaften Charakter hat und nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen ist, die bei einer beliebigen Anzahl von Kernsegmenten Anwendung finden kann. Darüber hinaus können auch andere Statorkerntopologien Anwendung finden, als die in 2 gezeigte, z. B. können anstelle der separaten Kernsegmente 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290 verkettete Kernsegmente verwendet werden usw.
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Die Kernsegmente 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290 sind illustrativ T-förmig aus einem weichmagnetischen Material ausgebildet und weisen z. B. eine Vielzahl gestapelter Blechlamellen (399 in 3) auf, die bevorzugt aneinander befestigt sind, beispielsweise miteinander verschweißt sind, und von gestanzten Elektroblechen gebildet werden. Jedes Kernsegment 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290 hat einen Jochabschnitt 212, 222, 232, 242, 252, 262, 272, 282 bzw. 292, der sich jeweils in einen Zahnabschnitt 214, 224, 234, 244, 254, 264, 274, 284 bzw. 294 verjüngt, der sich seinerseits illustrativ in einen verbreiterten Zahnfußabschnitt 216, 226, 236, 246, 256, 266, 276, 286 bzw. 296 aufweitet. Die Kernsegmente 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290 sind derart ausgebildet, dass sie ringförmig zusammenfügbar sind, wie mit einem Pfeil 299 angedeutet, wobei die Jochabschnitte 212, 222, 232, 242, 252, 262, 272, 282, 292 von in Umfangsrichtung benachbarten Kernsegmenten 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280 bzw. 290 jeweils gegeneinander anliegen.
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3 zeigt das Kernsegment 210 von 2, das illustrativ eine Vielzahl gestapelter Blechlamellen aufweist, wobei zwecks Einfachheit der Darstellung lediglich vier der Blechlamellen mit dem Bezugszeichen 399 gekennzeichnet sind. Gemäß einer Ausführungsform ist am Jochabschnitt 212 eine erste laterale Fügefläche 302 mit einer in axialer Richtung ausgebildeten Verbindungsnut 312 vorgesehen und an einer zweiten lateralen Fügefläche 304 ist ein Verbindungssteg 314 in axialer Richtung ausgebildet. Die Verbindungsnut 312 und der Verbindungssteg 314 dienen zur Verbindung mit einem Verbindungssteg bzw. einer Verbindungsnut, die jeweils an benachbarten Kernsegmenten vorgesehen sind.
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Anders ausgedrückt haben die Kernsegmente 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290 von 2 wie oben beschrieben einen im Wesentlichen mit dem Aufbau des Kernsegments 210 übereinstimmenden Aufbau. Dementsprechend ist der in 3 beschriebene Aufbau des Kernsegments 210 als repräsentativ für die Kernsegmente 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290 zu verstehen, die somit an ihren Jochabschnitten 222, 232, 242, 252, 262, 272, 282, bzw. 292 ebenfalls jeweils eine Verbindungsnut und einen Verbindungssteg aufweisen, die mit zugeordneten Verbindungsstegen bzw. Verbindungsnuten benachbarter Kernsegmente verbunden sind. In der Anordnung 200 von 2 ist somit die Verbindungsnut 312 des Kernsegments 210 mit einem zugeordneten Verbindungssteg des Kernsegments 220 verbindbar und der Verbindungssteg 314 ist mit einer zugeordneten Verbindungsnut des Kernsegments 290 verbindbar, usw.
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Nachfolgend wird zur Vereinfachung der Beschreibung lediglich Bezug auf das Kernsegment 210 bzw. ein Bewickeln des Kernsegments 210 genommen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die nachfolgende Beschreibung analog für die übrigen Kernsegmente 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290 Anwendung finden kann.
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4 zeigt das Kernsegment 210 von 3, das illustrativ mit einer einen Spulenträger ausbildenden Isolierummantelung 410 versehen ist. Gemäß einer Ausführungsform ist die Isolierummantelung 410 durch Kunststoffspritzen an dem Kernsegment 210 ausgebildet und umschließt mindestens den Jochabschnitt 212 und den Zahnfußabschnitt 216 zumindest abschnittsweise. Alternativ hierzu kann die Isolierummantelung 410 auch aus einem oder mehreren auf das Kernsegment 210 aufsteckbaren Kunststoffteilen ausgebildet werden. Darüber hinaus kann die Isolierummantelung 410 zur Fixierung der das Kernsegment 210 ausbildenden, gestapelten Blechlamellen 399 von 3 aneinander verwendet werden, sodass auf eine separate Fixierung durch z. B. Verschweißen verzichtet werden kann.
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Bevorzugt umschließt die Isolierummantelung 410 das Kernsegment 210 vollständig oder zumindest derart, dass lediglich voneinander abgewandte Seitenflächen 482, 484, die am Zahnfußabschnitt 216 bzw. am Jochabschnitt 212 ausgebildet sind, nicht von der Isolierummantelung 410 umschlossen sind. Hierbei bildet die Isolierummantelung 410 illustrativ eine Wickelnut 450 aus, die zumindest den Zahnabschnitt 214 umschließt und zur Aufnahme einer gestrichelt angedeuteten Einzelzahnwicklung 499 ausgebildet ist, die z. B. durch Flyerwickeln oder Spulenwickeln auf die Isolierummantelung 410 aufgewickelt wird, wobei die Isolierummantelung 410 die Einzelzahnwicklung 499 bevorzugt gegenüber dem Kernsegment 210 elektrisch isoliert. Nachfolgend wird das mit der Isolierummantelung 410 und der Einzelzahnwicklung 499 versehene bzw. zu versehende Kernsegment 210 auch als „Statorsegment” bezeichnet.
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Zur Ausbildung der Einzelzahnwicklung 499 und somit der Statorwicklung 157 von 1 wird illustrativ ein Wickeldraht 420 auf das Statorsegment 210 bzw. dessen mit der Isolierummantelung 410 versehenen Zahnabschnitt 214 in der Wickelnut 450 aufgewickelt. Der Wickeldraht 420 ist beispielhaft ein mit einer Lackisolierung 422 versehener Kupferdraht, der illustrativ einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform wird der Wickeldraht 420 vor dem Aufwickeln auf den Zahnabschnitt 214 erwärmt, bevorzugt unmittelbar vor dem Aufwickeln, um eine Wärmeausdehnung und somit eine Längung des Wickeldrahts 420 beim Aufwickeln auf den Zahnabschnitt 214 zu bewirken. Hierdurch kann der erwärmte Wickeldraht 420 in Vergleich zu einem nicht erwärmten Wickeldraht mit reduziertem Drahtzug derart auf den Zahnabschnitt 214 aufgewickelt werden, dass der Wickeldraht 420 zumindest bereichsweise mit einer durch einen vorgegebenen Maximalabstand 425 zur Isolierummantelung 410 ausgebildeten Ausbeulung 432 auf die Isolierummantelung 410 aufgewickelt wird, wie beispielhaft an der – in 4 – linken Seite des Zahnabschnitts 214 gezeigt.
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Nach dem Aufwickeln des erwärmten Wickeldrahts 420 auf die Isolierummantelung 410 kühlt dieser ab, bzw. kann durch eine optionale Kühlung abgekühlt werden. Durch eine Schrumpfung des Wickeldrahts 420 beim Abkühlen, wobei der Wickeldraht 420 seine Länge entsprechend seinem zugeordneten Längenausdehnungskoeffizienten sowie einer bei der Erwärmung aufgebrachten Temperaturdifferenz wieder verkürzt, legt sich zumindest der im Bereich der Isolierummantelung 410 angeordnete Wickeldraht 420 vergleichsweise eng an die isolierummantelung 410 an, wobei die Ausbeulung 432 zumindest reduziert wird. Dies ist beispielhaft an der – in 4 – rechten Seite des Zahnabschnitts 214 in einem mit dem Bezugszeichen 434 gekennzeichneten Bereich gezeigt, in dem der Wickeldraht 420 nach dem Abkühlen illustrativ gegen die Isolierummantelung 410 anliegt.
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Da der Wickeldraht 420 sich durch thermische Verformung vergleichsweise eng an die Isolierummantelung 410 anlegt, wobei der Wickeldraht 420 auch ohne Nachprägen innerhalb der Wickelnut 450 angeordnet ist, die eine zugeordnete Nut-Querschnittsfläche definiert, kann die Einzelzahnwicklung 499 mit einem hohen Kupferfüllgrad bzw. Nutfüllfaktor ausgebildet werden. Des Weiteren hat die Einzelzahnwicklung 499 eine große Güte, da durch ein Verzichten auf das Nachprägen z. B. Beschädigungen der Lackisolierung 422 des Wickeldrahts 420 verhindert werden können und der Wickeldraht 420 über seinen Verlauf entlang des Zahnabschnitts 214 einen im Wesentlichen gleichbleibenden, illustrativ kreisförmigen Querschnitt aufweist.
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5 zeigt das mit dem Wickeldraht 420 versehene Statorsegment 210 von 4 zur Verdeutlichung der Ausbeulung 432 und des Bereichs 434, in dem der Wickeldraht eng gegen die Isolierummantelung 410 anliegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008010231 A1 [0002]
