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Hintergund
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Hier wird ein Ständer für eine elektrische Maschine offenbart. Ein wesentlicher Aspekt eines Ständers und einer mit diesem Ständer ausgestatteten elektrischen Maschine sind die Ständerwicklungen. Des Weiteren wird eine elektrische Maschine mit diesem Ständer und diesen Ständerwicklungen offenbart, sowie eine Vorrichtung/Vorgehensweise zur Herstellung der Ständerwicklungen. Ein weiterer wesentlicher Aspekt des Ständers und der mit diesem Ständer ausgestatteten elektrischen Maschine ist die Entwärmung der Ständerwicklungen. Die hier beschriebenen Aspekte sind bei elektrischen Maschinen auch auf deren Läufer anwendbar, sofern diese nicht mit Permanentmagneten ausgestattet sind, sondern mit Spulen zur Erzeugung entsprechender magnetischer Wechselfelder.
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Unter einer elektrischen Maschine wird hier eine elektrische Maschine in Form einer Innen- oder Außenläufermaschine verstanden. Eine elektrische Maschine kann hierbei sowohl ein elektrischer Motor als auch ein elektrischer Generator sein. Die hier beschriebenen Ständer- bzw. Läuferlösungen sind insbesondere bei Drehfeldmaschinen aller Art (Synchron-, Asynchron-, Reluktanzmaschinen, permanentmagneterregte Maschinen oder dergl.) einsetzbar.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen haben Verluste, unter anderem durch Wärmeentwicklung in den Ständer- und/oder Läuferwicklungen (Wirbelströme, Ohm'sche Verluste). Diese Verluste müssen in Form von Wärmeenergie abgeführt werden. Ein weiterer Grund für Verluste insbesondere bei Maschinen mit multifilaren Wicklungen sind die zwischen den einzelnen Filamenten eines Wicklungsdrahtes fließenden Ausgleichsströmen. Die Wicklungen, insbesondere bei Einzelpolwicklungen, umgeben einen Pol und sind in sogenannten Nuten untergebracht, welche am Umfang des Läufers/Ständers gleichmäßig verteilt sind und meist parallel zur Mittellängsachse des Ständers bzw. zur Rotationsachse des Läufers ausgerichtet sind. In den Nuten entstehen Magnetfelder, die im Wesentlichen quer zur Nuttiefe, also in tangentialer Richtung orientiert sind. Diese üblicherweise als Nutquerstreuung bezeichnete Induktion wird fast ausschließlich durch die zur Funktion der Maschine eingespeisten (Wechsel-)Ströme hervorgerufen, die in den in den Nuten liegenden Drähten fließen. Diese dementsprechend mit der Frequenz der Nutströme sich ändernde magnetische Induktion (Flussdichte) induziert wegen des dadurch zwischen den einzelnen Drahtlagen in der Nut hindurchtretenden magnetischen Wechselflusses eine Spannung zwischen den Lagen, d. h. den weiter innen und weiter außen liegenden Drahtfilamenten. Sind derartig durchgehend außen durch mehrere Nuten geführte Drahtfilamente mit durchgehend innen liegenden Drahtfilamenten parallelgeschaltet, entstehen durch diese dann über mehrere Nuten addierte induzierte Spannungen Ausgleichströme. Die Überlagerung dieser Ausgleichströme mit den verursachenden von außen eingespeisten bzw. abgeleiteten Strömen führt zu dem Phänomen der Stromverdrängung in die äußeren Leiter der Nut. Im Extremfall scheint nur noch der außen in der Nut liegende Leiter den eingespeisten Strom zu führen, während die innen liegenden stromlos bleiben. Dieser mit der Stromfrequenz zunehmende Effekt wirkt wie eine Widerstandserhöhung der Wicklung und führt zu höheren Ohm'schen Verlusten, was die mögliche Leistungsabgabe der elektrischen Maschine deutlich reduziert.
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Zugrundeliegendes Problem
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Bei einem Ständer und/oder Läufer einer elektrischen Maschine soll der Wirkungsgrad erhöht werden, ohne dabei die Baugröße der elektrischen Maschine nennenswert zu vergrößern.
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Vorgeschlagene Lösung
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Zur Lösung wird für eine elektrische Maschine ein Ständer oder Läufer der eingangs genannten Art vorgeschlagen, wobei der Ständer oder Läufer einen eisenhaltigen Körper mit mehreren Polen aufweist. Benachbarte Pole begrenzen zwischen sich jeweils eine Nut. Jeder Pol hat zwei Seitenflächen, von denen jede zu jeweils einer Nut hin orientiert ist. Die zwei Seitenflächen begrenzen den Pol in Umfangsrichtung des Ständers oder Läufers. Außerdem hat jeder Pol zwei Stirnflächen, welche den Pol in axialer Richtung begrenzen. Jeder Pol ist von einer Multifilament-Drahtwicklung umgeben, die mehrere, den Pol umgebende Windungen bildet. Diese Multifilament-Drahtwicklung hat jeweils langgestreckte Wicklungsabschnitte, welche in den den jeweiligen Pol begrenzenden Nuten aufgenommen sind. Einzelne der Filamente der Multifilament-Drahtwicklung liegen zumindest annähernd nebeneinander in den Nuten. Sie haben in einer der Nuten in radialer Richtung der jeweiligen Nut eine erste Reihenfolge. Die Multifilament-Drahtwicklung hat in Umfangsrichtung des Ständers oder Läufers orientierte Wicklungsköpfe. In den Wicklungsköpfen nehmen zumindest einzelne der Filamente der Multifilament-Drahtwicklung eine von der ersten Reihenfolge abweichende zweite Reihenfolge in radialer Richtung der jeweiligen Nut ein.
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Vorteile, Weiterbildungen und Eigenschaften
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Durch die veränderte Reihenfolge der einzelnen Filamente der Multifilament-Drahtwicklung von der einen Seitenfläche zur anderen Seitenfläche des jeweiligen Pols wird erreicht, dass jedes Filament über die gesamte Länge der Multifilament-Drahtwicklung nahezu der gleichen Induktion ausgesetzt ist. Dabei ist nicht exakt erforderlich, dass die einzelnen Filamente der Multifilament-Drahtwicklung immer exakt auf die „gegenüberliegende” Seite zu bekommen, also dass zum Beispiel im Fall eines Drahtes mit sechs einzelnen Filamente deren Reihenfolge im Bereich der Wicklungsköpfe stets von 1-2-3-4-5-6 auf 6-5-4-3-2-1 wechselt. Es kann auch 1-2-3-4-5-6 zu 6-5-3-4-2-1 oder ähnlich sein. Wichtig ist vor allem, dass einzelnen Filamente in der Nut über deren Länge geordnet nebeneinander liegen. Dies erzielt einen hohen Füllfaktor, minimiert das Beschädigungsrisiko der einzelnen Filamente, vermeidet lokale Überhitzung der Wicklung und erlaubt eine effiziente Entwärmung der Wicklung in den Wicklungsköpfen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt eines Ständer oder Läufers für eine elektrische Maschine, kann dieser in der nachfolgend erörterten Weise entwärmt werden. Die hierzu erläuterten Details sind mit den vorstehend erläuterten Aspekten zur veränderten Reihenfolge der einzelnen Filamente der Multifilament-Drahtwicklung von der einen Seitenfläche zur anderen Seitenfläche des jeweiligen Pols ohne weiteres und vorteilhaft kombinierbar. Allerdings kann diese vorteilhafte Art der Entwärmung auch bei anderen Läufern oder Ständern eingesetzt werden.
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Dabei hat ein derartiger Ständer oder Läufer einen eisenhaltigen Körper mit mehreren Polen. Benachbarte Pole begrenzen zwischen sich jeweils eine Nut. Jeder Pol hat zwei Seitenflächen, von denen jede zu jeweils einer Nut hin orientiert ist, und welche den Pol in Umfangsrichtung des Ständers oder Läufers begrenzen. Jeder Pol hat zwei Stirnflächen, welche den Pol in axialer Richtung begrenzen. Eine Drahtwicklung mit einer oder mehreren Windungen umgibt einen oder mehrere Pole. Diese Drahtwicklung hat jeweils langgestreckte Wicklungsabschnitte, welche in den Nuten aufgenommen sind, und in Umfangsrichtung des Ständers oder Läufers orientierte Wicklungsköpfe. Wenigstens einige der Pole haben an wenigstens einer ihrer beiden Stirnflächen ein Wärmeleitelement, das den jeweiligen der Wicklungsköpfe thermisch an eine Wärmesenke des Läufers oder Ständers ankoppelt.
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Das/jedes Wärmeleitelement kann dabei an einem oder mehreren der Pole als im Wesentlichen gewinkeltes Teil ausgestaltet, an einem oder mehreren der Pole angeordnet, und aus einem thermisch gut leitenden, aber elektrisch isolierenden Material wie Aluminiumnitrid – AlN – gebildet sein. Das Wärmeleitelement kann auch aus gut wärmeleitendem Metall (z. B. Aluminium oder Kupfer) hergestellt sein. Allerdings muss seine Oberfläche dann isolierend beschichtet sein.
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Da AlN-Keramik oder ein ähnlicher Werkstoff eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit von etwa 180–220 W/mK hat, stellt es einen sehr guten Substratwerkstoff für das Wärmeleitelement dar, das zwar viel Wärme abführt, jedoch keinen elektrischen Strom leitet.
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Der Grund für das Drehen der Drähte ist folgender: Das Magnetfeld dringt unterschiedlich tief in die Nuten ein. Daher erfahren Drähte auf äußeren Positionen eine höhere induzierte Spannung als Drähte, die tiefer in der Nut sitzen.
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Insgesamt wird durch diese Lösung ein Ständer oder Läufer vorgeschlagen, dessen Leistungsdichte erheblich verbessert ist.
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Die hier vorgeschlagene Lösung hat einen hohen Nutfüllfaktor (Leitungsquerschnitt in der Nut bezogen auf den Nutquerschnitt) zur Folge, da innerhalb der für die elektromagnetischen Eigenschaften relevanten Nuten die einzelnen Filamente der Wicklungen jeweils so geordnet neben- und übereinander liegen. Außerdem hat diese so geordnete Ausgestaltung der Wicklung auch zur Folge, dass einzelne der Draht-Filamente in der Nut einander nicht überkreuzen. Vielmehr liegen in der Nut die Draht-Filamente nebeneinander. Damit wird die Gefahr verringert, dass deren Isolierung im Betrieb durch Reibung und Vibration beschädigt wird.
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Die hier vorgeschlagene Lösung hat einen weiteren, ebenfalls die Leistungsdichte verbessernden Effekt: Die Drahtfilamente werden in den Wicklungsköpfen (an einem oder beiden Enden der Pole) gewendet. So weicht die Reihenfolge der Filamente in den Nuten in radialer Richtung der jeweiligen Nut auf der einen Seite eines Pols von der Reihenfolge der Filamente in den Nuten in radialer Richtung der jeweiligen Nut auf der anderen Seite des jeweiligen Pols ab. Damit entstehen weniger Ausgleichsströme zwischen den einzelnen Drahtfilamenten. Außerdem ist die Entwärmung der Wicklung in den freiliegenden Wicklungsköpfen effizienter möglich als in den Nuten.
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Der Ständer oder Läufer kann in einer Variante aus gestapelten Lagen eisenhaltiger Blechteile gebildet sein. In diesem Fall können die Blechteile insbesondere aus nicht-kornorientiertem Elektroblech mit einer Blechdicke von zwischen etwa 0,05 mm und etwa 1 mm, und einem Siliziumgehalt von etwa 3 – etwa 6,5 Gewichtsprozent gebildet sein, und in magnetischer Flussrichtung und damit senkrecht zur Wirbelstromrichtung geschichtet sein. Es ist aber auch möglich, den Ständer oder Läufer aus gesintertem Eisenpulver zu bilden.
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Bei dem Ständer oder Läufer kann in einer weiteren Variante oder Weiterbildung jeder Pol des Ständers oder Läufers mit einer Multifilament-Drahtwicklung mit drei oder mehr, bis zu 5, 6, 10, 20 oder mehr (= Vielzahl) von Filamenten umgeben sein, deren Reihenfolge, in der sie angeordnet sind, in radialer Richtung der jeweiligen Nut entlang der zwei Seitenflächen unverändert sein. Im Bereich der Endabschnitte der zwei Seitenflächen sowie wenigstens einer der zwei Stirnflächen des Pols nehmen wenigstens einige der Filamente der Multifilament-Drahtwicklung in radialer Richtung der jeweiligen Nut eine andere Position in der Multifilament-Drahtwicklung ein.
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In einer weiteren Variante oder Weiterbildung des Ständers oder Läufers für eine elektrische Maschine kann jeder Pol des Ständers oder Läufers mit einer Multifilament-Drahtwicklung mit einer Vielzahl von Filamenten umgeben sein, von denen zumindest das äußerste Viertel bis Drittel der Filamente seine Reihenfolge auf einer Seite des Pols gegenüber der Reihenfolge der Filamente auf der anderen Seite des Pols im Bereich eines Wicklungskopfes wechselt.
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In einer weiteren Variante oder Weiterbildung des Ständers oder Läufers behalten die Filamente der Multifilament-Drahtwicklung in radialer Richtung der jeweiligen Nut in den den jeweiligen Pol begrenzenden Nuten ihre Position bei und wechseln zumindest nahezu ausschließlich im Bereich eines oder beider Wicklungsköpfe ihre Position in der Multifilament-Drahtwicklung.
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In einer weiteren Variante oder Weiterbildung des Ständers oder Läufers haben die Filamente jeder Multifilament-Drahtwicklung im Bereich eines oder beider Wicklungsköpfe einen Wendebereich, in dem die Filamente jeder Multifilament-Drahtwicklung (i) nebeneinander angeordnet sind, (ii) zumindest annähernd aufrecht gegenüber der jeweiligen Stirnfläche des Pols verlaufen, und (iii) ihre Position in der Multifilament-Drahtwicklung wechseln.
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Dabei kann die Anordnung so getroffen sein, dass der Ort des Wendebereichs von einer Windung der Multifilament-Drahtwicklung zur nächsten in radialer und/oder tangentialer Richtung jedes Pols anders ist.
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Die gestapelten eisenhaltigen Ständerbleche können aus nicht-kornorientiertem Elektroblech mit einer Blechdicke von zwischen etwa 0,05 mm und etwa 1 mm, einem Silizium – Gehalt von etwa 3 – etwa 6,5 Gewichtsprozent gebildet sein und in magnetischer Flussrichtung, und damit senkrecht zur Wirbelstromrichtung, geschichtet sein.
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Der Ständer oder Läufer wird im Betrieb auch durch die Ständer- bzw. Läuferwicklung erwärmt, das heißt, es wird dem Ständer oder Läufer Ohm'sche Leistung zugeführt. Die wesentlich wärmere Wicklung im Ständer oder Läufer erhöht ebenfalls die Blechtemperatur. Die Wärmesenke des Ständers oder Läufers kann einen Kühlkanal aufweisen, durch den ein Kühlfluid strömt. Durch die hier beschriebenen Maßnahmen wird die Wicklung des Ständers oder Läufers wirksam entwärmt oder deren Neigung zur Erwärmung insgesamt verringert.
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Bei Innenläufermaschinen kann die Wärmesenke am äußeren Umfang der elektrischen Maschine angeordnet sein. Bei Außenläufermaschinen kann die Wärmesenke des innenliegenden Ständers und dessen Spulen durch eine innenliegende (ringzylinderförmige) Kühleinrichtung bewirkt werden. Die Wärmesenke kann von einem oder mehreren Kühlkanälen oder Fluidkanälen durchzogen sein, welche die elektrische Maschine entweder wendelförmig durchziehen oder im Wesentlichen koaxial zur Rotationsachse der elektrischen Maschine verlaufen.
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Um die Wicklungen für jeden Pol herzustellen, bei denen die vorstehend beschriebenen Merkmale verwirklicht sind, kann zum Beispiel folgende Vorgehensweise eingesetzt werden. Grundsätzlich wird die Wicklung nicht direkt um den Pol des Ständers/Läufers gewickelt. Vielmehr kommt ein Wickelkörper mit der Gestalt und den Abmessungen der Pole des Ständers/Läufers zum Einsatz, um den die Multifilament-Drahtwicklung in der nachstehend beschriebenen Weise herumgeschlungen wird. Die komplettierte Multifilament-Drahtwicklung wird dann von dem Wickelkörper abgezogen, auf die Pole des Ständers/Läufers aufgeschoben und dort als Ganzes fixiert.
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Das hier vorgestellte Verfahren zum Herstellen einer Wicklung für einen Pol des Ständers/Läufers einer elektrischen Maschine umfasst folgende Schritte:
- (a) Bereitstellen eines Wickelkörpers mit einer Gestalt und Abmessungen des Pols des Ständers oder Läufers;
- (b) Bereitstellen eines Multifilament-Drahts (MFD) mit mehreren Filamenten, um eine Drahtwicklung zu bilden, die mit einer oder mehreren Windungen den Wickelkörper umgibt,
- (c) Anlegen der mehreren Filamente an eine erste Seitenfläche des Wickelkörpers derart, dass die einzelnen Filamente des Multifilament-Drahts (nebeneinanderliegen,
- (e) Drehen der mehreren Filamente des Multifilament-Drahts um seine eigene Längsachse um etwa 180°, so dass die mehreren Filamente sich in ihrer Reihenfolge umkehren, (wobei auch bis zu etwa 80° weniger oder weiter gedreht werden kann) und
- (f) Umlegen der gedrehten mehreren Filamente des Multifilament-Drahts um eine erste Stirnfläche des Wickelkörpers derart, dass die einzelnen Filamente des Multifilament-Drahts an eine zweite, der ersten Seitenfläche gegenüberliegende Seitenfläche des Wickelkörpers geführt werden.
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Vor dem Schritt (e) Drehen der mehreren Filamente des Multifilament-Drahts um seine eigene Längsachse um 180°, kann ein Schritt
- (d) Fixieren der mehreren Filamente an der ersten Seitenfläche im Bereich des Randes der ersten Seitenfläche zu einer Stirnfläche des Wickelkörpers hin in ihrer Lage und parallelen Ausrichtung zueinander, ausgeführt werden.
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Der Schritt (e) Drehen der mehreren Filamente des Multifilament-Drahts um seine eigene Längsachse um 180°, kann mit dem in Wickelrichtung des Multifilament-Drahts vorne befindlichen Teil des Multifilament-Drahts so ausgeführt werden, dass die mehreren Filamente sich in ihrer Reihenfolge umkehren. Dabei kann bei den parallel nebeneinander geführten Filamente des Multifilament-Drahts die Drehachse jedes einzelne der Filamente sein, oder die Drehachse liegt zwischen zwei Filamenten. Schließlich kann die Drehachse auch seitlich von den mehreren parallel nebeneinander geführten Filamenten liegen.
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Der Schritt (f) Umlegen der gedrehten mehreren Filamente des Multifilament-Drahts um eine erste Stirnfläche des Wickelkörpers, kann vor einem oder beiden folgender Schritte (g) vorübergehendes Fixieren der gedrehten mehreren Filamente des Multifilament-Drahts an der zweiten Seitenfläche, oder (h) Zurückschieben des gedrehten Teil der mehreren Filamente des Multifilament-Drahts in Richtung der Stirnfläche soweit, dass die mehreren Filamente des Multifilament-Drahts an der zweiten Seitenfläche nun alle parallel zu einander liegen, ausgeführt wird.
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Nach dem Schritt (f) Umlegen der gedrehten mehreren Filamente des Multifilament-Drahts um eine erste Stirnfläche des Wickelkörpers, oder nach dem Schritt (g) vorübergehendes Fixieren der gedrehten mehreren Filamente des Multifilament-Drahts an der zweiten Seitenfläche, oder nach dem Schritt (h) Zurückschieben des gedrehten Teil der mehreren Filamente des Multifilament-Drahts in Richtung der Stirnfläche, kann ein Schritt (i) Fixieren der mehreren Filamente des Multifilament-Drahts an der zweiten Seitenfläche zwischen einer Kante zwischen der Stirnfläche und der zweiten Seitenfläche, ausgeführt werden.
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Eine elektrische Maschine kann bevorzugt mit einem Ständer oder Läufer der vorstehend beschriebenen Art ausgestattet sein, wobei jeder Pol von einer Multifilament-Drahtwicklung umgeben ist, die erhältlich ist durch das Verfahren der vorstehend beschriebenen Art.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Weitere Einzelheiten, Merkmale, Vorteile und Wirkungen der vorliegend beschriebenen Anordnung des Ständers ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsweges sowie aus den Zeichnungen.
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In den 1 bis 7 sind einzelne Verfahrensschritte im Ablauf zur Herstellung von Wicklungen für Pole eines Ständers oder Läufers in schematischer Darstellung veranschaulicht.
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In 8 ist in einer schematischen Draufsicht eine auf einem Wickelkörper aufgewickelte Wicklung gezeigt, wie sie durch wiederholtes Ausführen der in den 1–7 veranschaulichten Schritte ergibt.
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9 zeigt in einer schematischen perspektivischen Draufsicht einen Ständer oder Läufer einer elektrischen Maschine mit einer Vielzahl von Polen, wobei an den einzelnen Polen die Montage der Wicklung in unterschiedlichen Stadien veranschaulicht ist.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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Um die Wicklungen für jeden Pol herzustellen, bei denen die vorstehend beschriebenen Merkmale und Eigenschaften zumindest teilweise verwirklicht sind, kann zum Beispiel folgende Vorgehensweise eingesetzt werden, wie sie in den 1–7 veranschaulicht ist.
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Grundsätzlich wird hier die Wicklung nicht direkt um den Pol des Ständers/Läufers gewickelt. Vielmehr kommt ein Wickelkörper mit der Gestalt und den Abmessungen der Pole des Ständers/Läufers zum Einsatz, um den die Multifilament-Drahtwicklung in der nachstehend beschriebenen Weise herumgeschlungen wird. Die komplettierte Multifilament-Drahtwicklung wird dann von dem Wickelkörper abgezogen und auf die Pole des Ständers/Läufers jeweils aufgeschoben und dort fixiert.
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Zunächst wird ein „polförmiger” Wickelkörper WK bereitgestellt und die einzelnen Filamente F1–F5 des im Beispiel fünf Filamente aufweisenden Multifilament-Drahts MFD durch Durchgangsöffnungen in einen Filamenthalter FH gefädelt. An die erste Seitenfläche SF1 des polförmigen Wickelkörpers WK wird in einem ersten Schritt der Multifilament-Draht MFD so angelegt, dass die einzelnen Filamente F1 ... F5 des Drahtes stramm gezogen nebeneinander, also nicht übereinander oder aufeinander, liegen. Dazu wird der Filamenthalter FH mit den fünf Filamenten F1 ... F5 parallel zur ersten Seitenfläche SF1 des Wickelkörpers WK an dessen einer Stirnfläche ST1 vorbeigezogen. Anschließend werden die fünf Filamente F1 ... F5 im Bereich des Randes der ersten Seitenfläche SF1 zur einen Stirnfläche ST1 hin mit einem zum Beispiel durch einen Lichtblitz aushärtenden Klebstoffstreifen KS in ihrer Lage und parallelen Ausrichtung zueinander fixiert. (Siehe 1)
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In einer zweiten Phase wird dann der Filamenthalter FH weiter ein Stück parallel zur ersten Seitenfläche SF1 des Wickelkörpers WK längs der Bewegungsrichtung B1 weg von der Stirnfläche ST1 gezogen. (Siehe 2)
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In einer dritten Phase wird dann der Filamenthalter FH um eine zu der Bewegungsrichtung B1 koaxiale Drehachse um 180 Grad gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Dadurch kommt es zu einer Drehung des Multifilament-Drahts MFD um seine eigene Längsachse und die Reihenfolge der fünf Filamente F1 ... F5 des Multifilament-Drahts MFD kehrt sich im Wendebereich WB um (Siehe 3, 4), obwohl ihre Lage zueinander unverändert bleibt.
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Anschließend wird das Filamentbündel auf die erste Stirnfläche ST1 abgeknickt und umgebogen (Siehe 5) und an die andere – zweite – Seitenfläche SF2 des Wickelkörpers WK geführt (Siehe 6). Dort werden sie von einem Stempel SM mit elastischer Beschichtung an der Kante gegenüber der ersten Klebestelle KS1 fixiert (Siehe 7), aber noch nicht angeklebt. So befindet sich jetzt ein gedrehtes Filamentbündel F1 ... F5 zwischen dem Stempel SM und der ersten Klebestelle KS1 auf der ersten Seitenfläche SF1. Die Führung des Filamentbündels F1 ... F5 befindet sich außerhalb an der Seite des Wickelkörpers WK.
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Nun werden die Filamente F1 ... F5 wieder straff gespannt. Durch den Stempel SM wird der gedrehte Teil des Filamentbündels in Richtung der Stirnfläche ST1 zurückgeschoben, Die Drähte des Filamentbündels F1 ... F5 an der zweiten Seitenfläche liegen nun alle parallel zu einander. Nun wird zwischen der Kante zur Stirnfläche ST1 und dem Stempel SM das Filamentbündel F1 ... F5, das dort wieder flach am Wickelkörper WK anliegt, mit einer Klebestelle KS2 analog zur Klebestelle auf der ersten Seitenfläche SF1 angeklebt. (siehe 7)
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Dieser Vorgang wird nun fortlaufend auch an der zweiten Stirnseite ST2 wiederholt, bis die erforderliche Anzahl von Windungen der Multifilament-Drahtwicklung 22 um den Wickelkörper WK gewunden ist. Gegebenenfalls kann das Vorsehen eines Wendebereichs WB an der zweiten Stirnseite ST2 des Wickelkörpers WK auch entfallen. (siehe 8) Da bei den folgenden Windungen der Untergrund nicht mehr eben ist, kann die strikte Reihenfolgenänderung im Einzelfall nicht erreicht werden. Der Teil des Filamentbündels F1 ... F5, in dem der Wendebereich WB liegt, wird mithilfe des Stempels SM, der sich der Kontur der Filamente F1 ... F5 anpasst, aufgrund seiner Silikonbeschichtung oder dergl., dennoch immer von den Seitenflächen SF1 und SF2 ferngehalten werden können. Durch das jeweilige Straffziehen wird die parallele Lage der Filamente F1 ... F5 an den beiden Seitenflächen SF1 und SF2 über deren Länge gewährleistet.
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Die so gebildete Multifilament-Drahtwicklung 22 wird dann von dem Wickelkörper WK abgezogen. Um dies zu erleichtern, kann der Wickelkörper WK beschichtet sein, so dass das Ablösen der Klebestellen KS1, KS2 ... vom Wickelkörper WK vereinfacht ist.
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Wie in 9 veranschaulicht, hat der dargestellte Ständer 12 (hier einer Multipol-maschine) eine Vielzahl von Polen 14 mit dazwischenliegenden Nuten 16 für Ständerwicklungen 22 versehen. Die Ständerwicklungen 22 umgeben jeweils einen Polkern 14. Jeder Polkern 14 hat zwei Seitenflächen 18, von denen jede zu jeweils einer Nut 16 hin orientiert ist. Diese zwei Seitenflächen 18 begrenzen den Pol 14 in Umfangsrichtung des Ständers 12 oder Läufers. Jeder Polkern 14 hat außerdem zwei Stirnflächen 20, welche den Pol 14 in axialer Richtung begrenzen. Jeder Pol 14 ist von einer Multifilament-Drahtwicklung 22 umgeben. Dabei sind in 9 der Übersichtlichkeit wegen die Multifilament-Drahtwicklungen 22 nicht als durchgehende Windungen gezeigt sondern nur als ein die zwei Seitenflächen 18 und die obere der beiden Stirnflächen 20 überdeckender Wicklungsabschnitt. Tatsächlich ist die Multifilament-Drahtwicklung 22 als mehrere, den jeweiligen Pol 14 umgebende Windungen ausgebildet.
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Jede der Windungen hat langgestreckte Wicklungsabschnitte 24a, 24b, welche in den den jeweiligen Pol 14 beidseitig begrenzenden Nuten 16 aufgenommen sind. Einzelne der Filamente 22a ... 22e der Multifilament-Drahtwicklung 22 liegen nebeneinander in den Nuten 16. In der Nut 16 auf einer Seite des Pols 24 hat der jeweilige Wicklungsabschnitt 24a eine erste Reihenfolge in radialer Richtung der jeweiligen Nut 16. In der Nut 16 auf der anderen Seite des Pols 24 hat der jeweilige Wicklungsabschnitt 24b eine zweite Reihenfolge in radialer Richtung der jeweiligen Nut 16. Dies wird dadurch erreicht, dass die Multifilament-Drahtwicklung 22 in Umfangsrichtung des Ständers 12 oder Läufers orientierte Wicklungsköpfe 24c an einer oder beiden Stirnflächen 20 jedes Pols 14 hat, in welchen zumindest einzelne der Filamente 22a ... 22e der Multifilament-Drahtwicklung 22 eine von der ersten Reihenfolge abweichende zweite Reihenfolge in radialer Richtung der jeweiligen Nut 16 einnehmen. Eine Art dies zu erreichen ist die in den 1–8 veranschaulichte Weise, eine Multifilament-Drahtwicklung 22 herzustellen.
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Der Ständer 12 oder Läufer ist aus gestapelten Lagen eisenhaltiger Blechteile gebildet. Dabei sind in der hier veranschaulichten Variante gestanzte und aufeinander gestapelte Blechteile aus nicht-kornorientiertem Elektroblech mit einer Blechdicke von zwischen etwa 0,5 mm und einem Siliziumgehalt von etwa 5 Gewichtsprozent gebildet.
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Die Multifilament-Drahtwicklung 22 hat in der hier veranschaulichten Variante fünf Filamenten 22a, ... 22e. Die Reihenfolge der Filamente 22a, ... 22e ist in radialer Richtung der jeweiligen Nut 16 entlang der jeweiligen der zwei Seitenflächen 18 unverändert. Im Bereich der Endabschnitte der zwei Seitenflächen 18 sowie wenigstens einer der zwei Stirnflächen des Pols 14 nehmen wenigstens einige der Filamente 22a, ... 22e der Multifilament-Drahtwicklung 22 in radialer Richtung der jeweiligen Nut 16 eine andere Position in der Multifilament-Drahtwicklung 22 einnehmen.
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In der hier veranschaulichten Variante mit fünf Filamenten 22a, ... 22e tauschen die jeweils außenliegenden beiden Filamente 22a, 22b einer Seite der Multifilament-Drahtwicklung 22 mit den jeweils außenliegenden beiden Filamente 22d, 22e der gegenüberliegenden Seite der Multifilament-Drahtwicklung 22 die Position im Bereich einer der Stirnflächen 20 des Pols 14, so dass die Reihenfolge 22a, 22b, 22c, 22d, 22e im Bereich einer der Stirnflächen 20 des Pols 14 zu 22e, 22d, 22c, 22b, 22a in radialer Richtung der jeweiligen Nut 16 sich ändert.
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Ein wesentlicher Aspekt ist hierbei, dass die Filamente der Multifilament-Drahtwicklung 22 in radialer Richtung der jeweiligen Nut 16 in den den jeweiligen Pol 14 begrenzenden Nuten 16 ihre Position beibehalten und zumindest nahezu ausschließlich im Bereich eines oder beider Wicklungsköpfe 24c ihre Position in der Multifilament-Drahtwicklung 22 wechseln. So wird der hohe Füllfaktor erhalten und die Gefahr von Beschädigungen der Filamente oder deren Isolierung verringert.
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Die Filamente jeder Multifilament-Drahtwicklung 22 haben dazu im Bereich eines oder beider Wicklungsköpfe 24c einen Wendebereich WB, in dem die Filamente jeder Multifilament-Drahtwicklung 22 nebeneinander angeordnet sind, zumindest annähernd aufrecht gegenüber der jeweiligen Stirnfläche 20 des Pols 14 verlaufen und ihre Position in der Multifilament-Drahtwicklung 22 wechseln.
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Ersichtlich ist der Ort des Wendebereichs WB zu der jeweiligen Stirnfläche des Pols 14 von einer Windung der Multifilament-Drahtwicklung zur nächsten in radialer und/oder tangentialer Richtung jedes Pols 14 an einer anderen Stelle. So werden die Wendebereiche WB der einzelnen Windungen zur optimalen Packungsdichte über die gesamte Oberfläche (in beiden Dimensionen der Oberflächenerstreckung) der jeweiligen Stirnfläche 20 des Pols 14 verteilt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Ständers 12 oder Läufers hat der Ständer 12 oder Läufer nicht nur die vorstehend beschriebene Variante der Multifilament-Drahtwicklung 22 mit den parallelen nebeneinander geführten Filamenten im Nutenbereich und den Wendebereichen WB im Stirnbereich der Pole 14, sondern außerdem noch eine verbesserte Entwärmung der Wicklungsköpfe. Dazu haben in der in 9 gezeigten Variante die Pole 14 an ihren beiden Stirnflächen 20 jeweils ein Wärmeleitelement 30, das den jeweiligen der Wicklungsköpfe 24c thermisch an eine Wärmesenke 28 ankoppelt. Es sei verstanden, dass auch nur an einer der beiden Stirnflächen 20 eines Pols 24, oder nicht an allen Polen 14 Wärmeleitelemente 30 vorgesehen sein müssen.
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In der hier veranschaulichten Variante ist jedes Wärmeleitelement 30 als ein an jedem der Pole 14 an beiden Stirnflächen 20 angeordnetes im Wesentlichen gewinkeltes Teil ausgestaltet. Jedes der Wärmeleitelemente 30 ist aus einem thermisch gut leitenden, aber elektrisch isolierenden Material, Aluminiumnitrid, gebildet.
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Jedes der Wärmeleitelemente 30 sitzt an einem jeweiligen der Pole 14 mit einem ersten Schenkel 32 zwischen dem jeweiligen der Wicklungsköpfe 24c und der jeweiligen Stirnfläche 20 des jeweiligen Pols 14. Mit einem zweiten Schenkel 34 ist das jeweilige Wärmeleitelement 30 an einer Kontaktfläche 40 der Wärmesenke 28 angekoppelt. Zu den Seitenflächen der Pole 14 hin ist das Wärmeleitelement 30 abgerundet um die Filamente und deren Isolierung zu schonen. Außerdem ist der erste Schenkel 32 zwischen dem jeweiligen der Wicklungsköpfe 24c und der jeweiligen Stirnfläche 20 des jeweiligen Pols 14 mit einer zur Stirnfläche 20 des jeweiligen Pols 14 hin offenen Ausnehmung versehen. In diese Ausnehmung wird ein Dehnkeil 30a eingeschoben, nachdem die Multifilament-Drahtwicklung 22 auf den Pol 14 und die beiden Wärmeleitelemente 30 aufgeschoben wurde. Damit wird der Wärmeübergang von der Multifilament-Drahtwicklung 22 auf die beiden Wärmeleitelemente 30 noch weiter verbessert. Es sei verstanden, dass auch ohne diese Dehnkeile 30a eine verbesserte Entwärmung des Multifilament-Drahtwicklung 22 im Wicklungskopf erzielbar ist. Auch wenn in der Zeichnung die Gesamtanordnung des Ständers 12 oder Läufers mit sämtlichen Verbesserungen gezeigt ist, sei verstanden dass auch die einzelnen Aspekte (i) parallele Filamentführung in der Nut, (ii) Wendebereich nur im Wicklungskopf und (iii) Entwärmung der Wicklung durch ein Wärmeleitelement mit einem ersten Schenkel zwischen dem Wicklungskopf und der Stirnfläche des Pols für sich genommen oder in anderen Zusammenstellungen zur Lösung des zugrundeliegenden Problems beitragen.
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Es sei auch verstanden, dass die Anzahl der Pole des Ständers oder Läufer von der in den Fig. gezeigten Anzahl abweichen kann. Es sein weiterhin verstanden, dass die Anzahl der Filamente der Wicklung von der in den Fig. gezeigten Anzahl abweichen kann.
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Die vorangehend beschriebenen Varianten des Ständers oder Läufers sowie deren Herstellungs- und Betriebsaspekte dienen lediglich dem besseren Verständnis der Struktur, der Funktionsweise und der Eigenschaften; sie schränken die Offenbarung nicht etwa auf die Ausführungsbeispiele ein. Die Fig. sind teilweise schematisch, wobei wesentliche Eigenschaften und Effekte zum Teil deutlich vergrößert dargestellt sind, um die Funktionen, Wirkprinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmale zu verdeutlichen. Dabei kann jede Funktionsweise, jedes Prinzip, jede technische Ausgestaltung und jedes Merkmal, welches/welche in den Fig. oder im Text offenbart ist/sind, mit allen Ansprüchen, jedem Merkmal im Text und in den anderen Fig., anderen Funktionsweisen, Prinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmalen, die in dieser Offenbarung enthalten sind oder sich daraus ergeben, frei und beliebig kombiniert werden, so dass alle denkbaren Kombinationen dem beschriebenen Ständer oder Läufer zuzuordnen sind. Dabei sind auch Kombinationen zwischen allen einzelnen Ausführungen im Text, das heißt in jedem Abschnitt der Beschreibung, in den Ansprüchen und auch Kombinationen zwischen verschiedenen Varianten im Text, in den Ansprüchen und in den Fig. umfasst. Für die hier aufgeführten Wertebereiche gilt, dass auch sämtliche numerischen Zwischenwerte offenbart sind.
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Auch die Ansprüche limitieren nicht die Offenbarung und damit die Kombinationsmöglichkeiten aller aufgezeigten Merkmale untereinander. Alle offenbarten Merkmale sind explizit auch einzeln und in Kombination mit allen anderen Merkmalen hier offenbart.
