DE102013204047A1

DE102013204047A1 - Spule und Verfahren zur Herstellung einer Spule

Info

Publication number: DE102013204047A1
Application number: DE102013204047.4A
Authority: DE
Inventors: Alexander Kock; Michael Gröninger; Felix Horch; Hermann Pleteit; Daniela Schmidt; Franz-Josef Wöstmann; Bernd Ponick; Peter Juris; André Brune
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2014-09-11
Anticipated expiration: 2033-03-09
Also published as: DE102013204047B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spule (12) umfassend mehrere, jeweils mehrere elektrisch leitfähige Leitungsabschnitte (31, 32, 33, 34) aufweisende Windungen, wenigstens eine in wenigstens einem der Leitungsabschnitte (31, 32, 33, 34) angeordnete, sich leitungsaxial erstreckende Ausnehmung (36), wobei die wenigstens eine Ausnehmung (36) so angeordnet ist, dass sie jeweils zwischen zwei benachbarten Leitungsabschnitten (31, 33) einen leitungsaxialen Kühlkanal (36) zum Führen eines Kühlmediums ausbildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spule mit mehreren, jeweils mehrere elektrisch leitfähige Leitungsabschnitte aufweisende Windungen. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Einrichtung, insbesondere eine elektrische Maschine oder einen elektrischen Übertrager mit einer Spule. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Spule. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Gießform zum gießtechnischen Herstellen einer Spule und die vorliegende Erfindung betrifft eine Modellform zum Herstellen einer Gießform zum Herstellen einer Spule.
Spulen finden Anwendung in elektromagnetischen Energiewandlern. Solche elektromagnetischen Energiewandler können insbesondere elektrische Maschinen, also elektrische Motoren und/oder elektrische Generatoren betreffen, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln oder umgekehrt. Außerdem können sie Transformatoren betreffen zum Umwandeln elektrischer Energie mit ersten Eigenschaften, insbesondere erster Spannungs- und/oder Stromhöhe, in eine elektrische Energie mit zweiten Eigenschaften, also insbesondere anderer Spannungshöhe und/oder Stromhöhe. Spulen können auch Anwendung in elektrischen Drosseln finden, die bspw. in Filtern oder als Filter eingesetzt werden.
In Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Drehmoment- bzw. Leistungsdichte werden die zulässigen Stromdichten innerhalb der Ständerwicklung bzw. Rotorwicklung elektrischer Energiewandler zunehmend erhöht. Die Stromwärmeverluste stellen bei Maschinen mit hoher Drehmomentdichte immer einen bedeutenden bzw. den überwiegenden Teil der gesamten Verluste dar. Unabhängig von der Maschinenart rücken damit Aspekte der thermischen Belastbarkeit besonders bei hoch ausgenutzten Maschinen in den Fokus. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Materialgrößen muss bereits bei der Dimensionierung des Antriebes ein geeignetes Kühlkonzept entwickelt werden, um sowohl die angestrebte elektromagnetische Funktion als auch die geforderte Beständigkeit zu gewährleisten.
Stand der Technik für hochausgenutzte Maschinen, beispielsweise bei Traktionsantrieben sowohl für den Individualverkehr als auch für öffentliche Verkehrsmittel, stellt die sogenannte Wassermantelkühlung dar (1). Dieses Kühlkonzept kommt üblicherweise im stehenden Teil, dem Ständer der Maschine zum Einsatz und basiert auf dem Durchströmen des Gehäuses mit einem Kühlmittel und damit der indirekten Kühlung des Blechpaketes. Da die Stromwärmeverluste in der Wicklung bei Maschinen mit hoher Drehmomentdichte den dominierenden Anteil der gesamten Maschinenverluste darstellen, ist die Entwärmung der Wicklung von besonderer Bedeutung. Der Wärmetransport von den in den Nuten befindlichen Spulen findet zum einen zu den Ständerzähnen und zum anderen zum Ständerjoch statt. Von dort wird die Wärme über die Ständerzähne bzw. das Ständerjoch zur Wärmesenke, die der Kühlmantel bildet, abgeführt. Über die Ständerzähne und den Luftspalt ist ebenfalls eine Kopplung zum rotierenden Teil der Maschine vorhanden, die aufgrund der schlechten Leitfähigkeit von Luft und des resultierenden, großen thermischen Widerstandes des Luftspalts schwach ist.
Neben dem dominanten thermischen Widerstand der Spulen in der Nut zur Wärmesenke, der maßgeblich durch die Wicklungsisolation bestimmt wird, spielt bei wassermantelgekühlten Maschinen auch der Wärmeübergang zwischen Kühlkörper und Ständerjoch eine große Rolle. Dieser findet durch direkten Kontakt über eine Grenzschicht statt. Dabei ist der Kontaktwiderstand eine entscheidende Größe, die den Wärmetransport vom Ständerblechpaket zur Wärmesenke, dem Kühlmedium, beeinflusst. Der Kontaktwiderstand zwischen Kühlkörper und Ständerjoch ist stark vom Fertigungsverfahren abhängig und kann innerhalb einer Produktionslinie erheblich variieren. Zu den bestehenden Unsicherheiten zählen

– die Oberflächenrauigkeit der Materialgrenzen,
– die Materialhärte,
– der Druck zwischen den Materialien und
– die Wärmeleitfähigkeit des Klebstoffes oder der Wärmeleitpaste zwischen den Materialien.

Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Luft führen bereits geringe Spalthöhen zwischen Kühlkörper und Ständerjoch zu hohen thermischen Übergangswiderständen. Bei alternativen Kühlkonzepten mit Rohren quer zur Blechebene, welche von Flüssigkeit durchströmt werden, sind die gleichen ungewollten Übergangswiderstände und damit die gleichen Probleme vorhanden.
Großen Einfluss auf die Entwärmung hat die wirksame Wärmeleitfähigkeit des Nutfüllmaterials. Zur Füllung der Nuten werden i.d.R. Harze mit geringen Wärmeleitfähigkeiten verwendet. Der Wärmeübergang der Spulen innerhalb der Nuten hängt entscheidend von der chemischen Zusammensetzung der eingesetzten Harze und vom Fertigungsprozess ab. Beispielsweise kann die Wärmeleitfähigkeit durch die Zugabe von Quarz (SiO₂) geringfügig verbessert werden; Fertigungsverfahren wie die Vakuum-Druck-Imprägnierung sorgen zusätzlich für eine geringere Durchsetzung des Harzes mit Lufteinschlüssen und damit für eine bessere Wärmeleitfähigkeit. Einen weiteren wichtigen Einflussfaktor auf die wirksame Leitfähigkeit der gesamten Wicklung stellt der erzielbare Nutfüllfaktor dar. Üblicherweise kommen Runddrähte für die Wicklungen zum Einsatz, bei denen selbst bei hohem fertigungstechnischem Aufwand nicht nutzbarer Zwischenraum zwischen den einzelnen Leitern verbleibt. Die in den Leitern entstehende Wärme kann hierbei nur über den linienförmigen Kontakt zum benachbarten Leiter abgeführt werden; insbesondere die außen liegenden Leiter erwärmen sich hierdurch stärker. Eine beispielhafte resultierende Temperaturverteilung ist in 2 dargestellt. Mit Rechteckprofilleitern kann eine bessere Entwärmung und ein höherer Nutfüllfaktor erzielt werden, jedoch nur mit hohem Fertigungsaufwand. Die wünschenswerte weitere Erhöhung der Stromdichte stößt durch die beschriebene Kühlmethode an Ihre Grenzen. Der hohe thermische Übergangswiderstand zwischen den Leitern in der Nut und den Statorzähnen bzw. dem Statorjoch sowie der thermische Übergangswiderstand vom Ständerjoch zum Kühlmantel bieten also das größte Optimierungspotential zur Steigerung der möglichen Stromdichten im Leiter.
Um die genannten thermischen Übergangswiderstände zu umgehen, wird bei Hochleistungsgeneratoren (hoher MVA-Bereich) eine direkte Leiterkühlung eingesetzt. Als Kühlmedium werden, je nach Leistungsklasse, entweder gasförmige Medien wie Luft und Wasserstoffgas, flüssige Medien wie Wasser, Öle und Ester oder Kältemittel, die durch Phasenwechsel und die damit verbundene hohe Enthalpiedifferenz die Kühlung der Maschine ermöglichen, genutzt. Bei der Leiterkühlung werden entweder unmittelbar an die Ständerwicklung angrenzend Kühlkanäle (Übergangswiderstand zur Wärmequelle durch Isolationslack und Kontaktwiderstand) eingebracht, oder es wird direkt der stromführende Leiter als Kühlkanal (Wärmeabtransport direkt am Entstehungsort) genutzt. Um einen adäquaten Massestrom des Wassers zu ermöglichen, werden geeignete Kühlkanalquerschnitte benötigt, was für beide Methoden zu einer Verringerung des Nutfüllfaktors und damit einhergehend zu einer erhöhten Stromdichte führt. Konstruktiv sind derart aufwendige Kühlmethoden verständlicherweise nur für sehr große Maschinen realisierbar. Für Traktionsantriebe kommen die beschriebenen Kühlungsarten demnach nicht in Frage.
Für kompakte Antriebe mit sehr hoher Drehmomentdichte ist eine weitere Kühlungsart bekannt, bei der der Stator samt Wicklungen in einer "Dose" verbaut wird, welche gänzlich von Flüssigkeit durchströmt wird. Für eine Ölkühlung sind derartige Kühlkonzepte aus W02007/032740 und US2012/0248904 bekannt, wobei die letztgenannte Anmeldung das Problem der Luftspaltaufweitung bedingt durch die Dose umgeht. Fraglich ist hierbei, ob die Dichtung an den Kontaktstellen des Ständerblechpakets für den benötigten Öldruck eine ausreichende Barriere darstellt. Bereits 1991 wurde in dem Patent U.S. 4,994,700 der gezielte Einsatz der Statorflutung mittels Öl zur Kühlung der Leiter in der Nut beschrieben. Dabei werden verschiedene Federelemente zusätzlich zu den Leitern in der Nut integriert, was jedoch eine Verringerung des Nutfüllfaktors und damit einhergehend eine Erhöhung der Stromdichte bewirkt.
Ein mögliches Konzept zur direkten Ständerkühlung für Maschinen in Zahnspulenbauweise ist in 3 illustriert. Die Abstände zwischen zwei Spulen werden genutzt, um das Kühlmedium hindurchströmen zu lassen. Im Bereich des Ständerjoches bzw. der Ständerzähne/Zahnköpfe können bei der Dosen-Kühlung ebenfalls Spalte zur Kühlung gestaltet werden. Die hohen Wärmeübergangswiderstände zwischen Ständerjoch bzw. Zahn und Wicklung in der Nut werden mit einer solchen Lösung beseitigt. Jedoch beeinträchtigen weiterhin zwei entscheidende Gegebenheiten eine optimale Kühlung. Zum einen wird wiederum auf Kosten des Nutfüllfaktors die Stromdichte der Leiter erhöht, zum anderen besteht weiterhin die eingangs beschriebene Problematik der geringen wirksamen Wärmeleitfähigkeit des gesamten Nutfüllmaterials. Lediglich durch den Einsatz groß bemessener Rechteck-Profilleiter kann der Nutfüllfaktor erhöht und damit einhergehend auch der thermische Übergangswiderstand der Leiter zum Kühlmedium verringert werden.
Bei hohen Speisefrequenzen des Stromes kommt es für entsprechend große Leiterquerschnitte, z.B. bei Profildrähten oder auch gießtechnisch hergestellten Spulen, zu einer ungewollten Widerstandserhöhung infolge der Stromverdrängung. Die Stromverdrängung bewirkt in elektrischen Maschinen eine Verschiebung der Stromdichte im Leiter nach außen, insbesondere zur Nutöffnung hin, was zu zusätzlichen Verlusten und einhergehender Wärmeentwicklung führt, die ebenfalls abgeführt werden muss und die Wicklungstemperatur erhöht bzw. die Drehmomentdichte begrenzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, wenigstens eines der o.g. Probleme zu adressieren. Insbesondere soll eine gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik verbesserte Spule vorgeschlagen werden, die insbesondere bessere Kühleigenschaften aufweist bzw. ermöglicht. Zumindest soll eine alternative Lösung vorgeschlagen werden.
Erfindungsgemäß wird eine Spule gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Eine solche Spule umfasst mehrere, jeweils mehrere elektrisch leitfähige Leitungsabschnitte aufweisende Windungen. Solche Windungen sind insbesondere dazu vorgesehen, um einen Magnetkern, insbesondere weichmagnetischer Kern herum angeordnet zu werden. Jede Umrundung des Magnetkerns, oder Fastumrundung der ersten bzw. letzten Windung, wird als Windung bezeichnet. Jede Windung ist ihrerseits in Leitungsabschnitte aufgeteilt, wobei jede Windung und auch die Spule mit ihren Windungen aus einem Stück gefertigt sein kann. Die Leitungsabschnitte sind insoweit nur hinsichtlich ihrer Position und/oder ihrer Funktion unterteilt, ohne dass sie separate Elemente bilden.
Insbesondere im Fall einer in einer Draufsicht rechteckig ausgebildeten Spule und entsprechend ausgebildeten Windungen können für jede Windung vier Leitungsabschnitte vorgesehen sein, nämlich jeweils zwei zueinander parallel verlaufende mit dazwischen angeordnetem oder anzuordnendem Magnetkern.
Zudem ist wenigstens eine in wenigstens in einem der Leitungsabschnitte angeordnete, sich leitungsaxial erstreckende Ausnehmung vorgesehen. Es weist somit wenigstens ein Leitungsabschnitt wenigstens einer Windung eine solche sich leitungsaxial erstreckende Ausnehmung auf. Vorzugsweise weist jede Windung, oder zumindest jede Windung bis auf eine oder bis auf zwei, jeweils in wenigstens einem Leitungsabschnitt eine solche Ausnehmung auf, vorzugsweise weist sie jeweils in zwei Leitungsabschnitten eine solche Ausnehmung auf. Es kann auch ein durchgängiger Kühlkanal für die gesamte Windung, mehrere Windungen und/oder die gesamte Spule vorgesehen sein.
Jede Windung wird somit aus einer elektrischen Leitung gebildet, die in die genannten Leitungsabschnitte zumindest gedanklich unterteilt sein kann. Diese Leitung ist dazu vorgesehen, sich um einen magnetischen Kern oder zumindest einen zu magnetisierenden Bereich zu winden. Dass sich die Ausnehmungen leitungsaxial erstrecken bedeutet insoweit, dass sie sich entlang der Leitung erstrecken, auch dann wenn die Leitung nicht oder nicht nur einer Geraden im mathematischen Sinne folgt. So kann diese Leitung leicht oder stark gebogen und ggf. stark gebogen oder abgewinkelt sein. Die sich leitungsaxial erstreckende Ausnehmung kann einer solchen Biegung folgen. Die Leitungsabschnitte können aber auch gerade ausgebildet sein, so dass die Leitung abschnittsweise, nämlich jeweils im Bereich der Leitungsabschnitte einer Geraden im mathematischen Sinne folgt.
Außerdem soll die wenigstens eine Ausnehmung so angeordnet sein, dass sie jeweils zwischen zwei benachbarten Leitungsabschnitten einen leitungsaxialen Kühlkanal zum Führen eines Kühlmediums ausbildet. Liegen also zwei Leitungsabschnitte parallel zueinander etwa aneinander, nämlich zweier benachbarter Windungen, weist wenigstens einer dieser beiden Leitungsabschnitte eine sich leitungsaxial erstreckende Ausnehmung auf, die ausgebildet ist im Kontaktbereich dieser beiden Leitungsabschnitte zueinander. Dadurch kann sich ein Kühlkanal ergeben, der zum Teil durch die Ausnehmung des einen Leitungsabschnittes gebildet wird und zu einem anderen Teil von dem anderen Leitungsabschnitt gebildet wird, nämlich von seiner Oberfläche im Kontaktbereich zum ersten Leitungsabschnitt und/oder ggf. auch durch eine in diesem weiteren Leitungsabschnitt ausgebildete Ausnehmung.
So kann ein Kühlkanal durch wenigstens zwei Leitungsabschnitte geschaffen werden, ohne dass ein geschlossener Kanal in einem Leitungsabschnitt vorgesehen sein muss. Es reicht eine leitungsaxiale Ausnehmung in einem Leitungsabschnitt, um zusammen mit einem weiteren Leitungsabschnitt dann einen Kühlkanal zu bilden.
Vorzugsweise ist eine solche Ausnehmung als Nut ausgebildet. Somit können Leitungsabschnitte mit leitungsaxialen Nuten geschaffen werden, durch die sich in der aus den Windungen zusammengesetzten Spule dann Kühlkanäle, oder zumindest ein Kühlkanal, ausbilden.
Vorzugsweise wird die Spule gießtechnisch hergestellt. Entsprechend kann die Spule einschließlich der wenigstens einen Ausnehmung in der entsprechenden Gießform bzw. in einer entsprechenden Modellform zum Herstellen einer Gießform vorgesehen sein. Die Ausnehmung wird also unmittelbar durch das gießtechnische Herstellen der Spule ausgebildet. Ein nachträgliches Bearbeiten der entsprechenden Leitungsabschnitte zum Herstellen der Ausnehmungen ist nicht erforderlich.
Es wurde somit im Lichte der Erfindung und der geschilderten und noch zu schildernden Ausführungsformen ausgehend vom Stand der Technik erkannt, dass durch Minimierung des thermischen Übergangswiderstandes zwischen dem Entstehungsort der abzuführenden Verluste, dem Spulenkörper, und der Wärmesenke, dem Kühlmedium, die Kühlleistung erheblich erhöht werden kann. In dem Spulenkörper entstehende Wärmeverluste können somit in ein Kühlmedium abgeführt werden, dass entlang der leitungsaxial sich erstreckenden Ausnehmungen bzw. der dadurch gebildeten Kühlkanäle fließt. Durch dieses Kühlmedium kann die Kühlleistung erheblich erhöht werden, wobei das Kühlmedium unmittelbar entlang der elektrischen Leitung der Spule fließt und damit genau in dem Bereich kühlt, in dem zumindest ein Teil der Wärmeverluste auftreten.
Hierfür können gezogene Spulen vorgesehen sein, vorzugsweise werden aber gegossene Spulen eingesetzt. Spulen können gießtechnisch bspw. so aufgebaut und hergestellt sein, wie dies in der europäischen Patentanmeldung EP 2 387 135 A2 beschrieben ist. Diese europäische Patentanmeldung bildet somit die Basis für erfindungsgemäß vorgesehene Spulen zumindest gemäß einigen Ausführungsformen. Insbesondere können Spulen dem Grunde nach wie in dieser europäischen Patentanmeldung beschrieben vorgesehen sein, die zusätzlich mit entsprechenden Ausnehmungen versehen werden. Auch die in dieser europäischen Patentanmeldung beschriebenen Herstellungsverfahren, insbesondere die beschriebene Gusstechnik, kann mit entsprechenden Anpassungen bzw. korrespondierenden Formabschnitten verwendet werden.
Spulen in Gusstechnik dürften insoweit besonders geeignet sein, weil sie mit einem Nutfüllfaktor von bis zu 95 % bei gleichzeitiger Einhaltung der Isolationssicherheit gefertigt werden können und viele Freiheitsgrade bei der Gestaltung der Geometrie jeder einzelnen Windung zulassen. Bspw. kann die Leiterquerschnittsgeometrie über die Länge des Leiters in nahezu beliebiger Form variiert werden, was in der vorliegenden Erfindung oder zumindest in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezielt ausgenutzt wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Spule dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, jeweils mehrere elektrisch leitfähige Leitungsabschnitte aufweisende Windungen, wenigstens eine in wenigstens einem der Leitungsabschnitte angeordnete, sich leitungsaxial erstreckende Ausnehmung aufweist, wobei die wenigstens eine Ausnehmung so angeordnet ist, dass sie jeweils zwischen zwei benachbarten Leitungsabschnitten einen leitungsaxialen Kühlkanal zum Führen eines Kühlmediums ausbildet.
Eine weitere Ausgestaltung schlägt vor, dass der elektrische Leitungsabschnitt wenigstens einen Hochstrombereich aufweist, in dem bei Stromverdrängung eine hohe Stromdichte zu erwarten ist, und einen Niedrigstrombereich, in dem bei Stromverdrängung und ohne Berücksichtigung der Ausnehmung eine niedrige Stromdichte zu erwarten ist, und wobei die Ausnehmung im Wesentlichen im Niedrigstrombereich ausgebildet ist.
Diese Ausgestaltung berücksichtigt insbesondere Stromverdrängungseffekte. Im Betrieb der Spule in einer Anwendung wie in einer elektrischen Maschine können Stromverdrängungseffekte auftreten, demnach der Strom über dem Querschnitt des elektrischen Leiters, also hier über den Querschnitt des jeweiligen Leitungsabschnitts nicht gleichmäßig verteilt ist. Unter Stromverdrängungseffekte fällt der Effekt, dass bei besonders hochfrequenten Strömen die Stromdichte am äußeren Rand des Leiters höher ist, als in der Mitte des Querschnitts des elektrischen Leiters bzw. des betreffenden Leitungsabschnitts. Bei elektrischen Maschinen tritt auch oder auch überwiegend der Effekt auf, dass eine höhere Stromdichte in dem elektrischen Leiter, insbesondere zum Luftspalt und/oder zur Nutöffnung hin, auftritt. Es wird somit vorgeschlagen, einen, mehrere oder alle Leitungsabschnitte so auszubilden, dass die jeweilige Ausnehmung in dem Bereich angeordnet wird, in dem aufgrund des Stromverdrängungseffektes eine geringere Stromdichte vorliegt bzw. zu erwarten wäre. Dies bezieht sich insoweit auf die zu erwartende Verteilung der Stromdichte in dem jeweiligen Leitungsabschnitt bevor die Ausnehmung angeordnet wird.
Demnach kann vor Festlegung der Anordnung der wenigstens einen Ausnehmung eine Voruntersuchung mittels Berechnung, Simulation und/oder Messung vorgenommen werden, um einen entsprechenden Bereich bzw. entsprechende Bereiche in dem jeweiligen Leitungsabschnitt zu bestimmen, in dem bzw. in denen eine geringe Stromdichte zu erwarten wäre. Es kommt auch in Betracht, grundsätzliche Erfahrungswerte über die Stromverteilung zugrundezulegen.
Vorzugsweise ist die Spule dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Verwendung in einer elektrischen Maschine vorgesehen ist, wobei die elektrische Maschine ein Blechpaket, insbesondere eines Stators, mit einem Jochabschnitt mit mehreren Zähnen aufweist, die hier jeweils ein Magnetfeld führen können, und dass die Spule so zum Anordnen um einen der Zähne vorgesehen ist, dass wenigstens zwei der benachbarten Leitungsabschnitte in eine Umfangsrichtung zwischen dem Zahn und einem weiteren Zahn und in einer radialen Richtung zwischen dem Jochabschnitt und einem Luftspalt angeordnet werden, so dass die wenigstens eine Ausnehmung zum Jochabschnitt des Blechpakets weist und/oder bezogen auf die Umfangsrichtung des Blechpaketes mittig in dem jeweiligen Leitungsabschnitt angeordnet ist und/oder dass ein bzw. der Hochstrombereich zum Luftspalt und/oder wenigstens ein bzw. der Hochstrombereich zu dem Zahn und/oder zu dem weiteren Zahn weist.
Erste Untersuchungen haben ergeben, dass in elektrischen Maschinen eine Stromverdrängung derart auftritt, dass die jeweiligen Leiter eine höhere Stromdichte zum Luftspalt hin aufweisen und entsprechend eine niedrigere Stromdichte zu der Seite aufweisen, die dem Luftspalt abgewandt ist. Diese dem Luftspalt abgewandte Seite bildet dabei eine Basis bzw. ein Joch für das Blechpaket, über das die Zähne des Blechpaketes miteinander verbunden sind. Die Ausnehmung wird dann zum Joch hin, also zur dem Luftspalt abgewandten Seite hin angeordnet. Dort ist mit einer besonders geringen Stromdichte zu rechnen. Der Einfluss der Ausnehmung auf den elektrischen Stromfluss kann hierdurch gering gehalten werden! Im Ergebnis wird dort die Ausnehmung vorgesehen und somit auf einen Teil des elektrischen Leiters verzichtet, wo ohnehin kaum Strom fließt. Der so vorgesehene Kühlkanal bzw. die so vorgesehenen Kühlkanäle beeinflussen somit in möglichst geringem Maße den elektrischen Stromfluss.
Vorzugsweise weist die Spule zwei Wickelköpfe auf, wobei die wenigstens eine Ausnehmung die Spule vollständig von Wickelkopf zu Wickelkopf durchsetzt. Außerdem oder alternativ weitet sich die wenigstens eine Ausnehmung jeweils zu dem betreffenden Wickelkopf hin auf. Grundsätzlich wird hierbei davon ausgegangen, dass die Spule Anwendung in einer elektrischen Maschine oder ähnlichem findet und die Spule mit zwei Schenkeln versehen ist und jeweils einer der Schenkel in einer Nut eines Blechpakets vorgesehen ist. In dieser Nut verlaufen die Leitungsabschnitte meist im Wesentlichen parallel zueinander. Die Bereiche, die die beiden Spulenschenkel verbinden, bilden die genannten Wickelköpfe. Dadurch, dass die Ausnehmungen die Spule vollständig von Wickelkopf zu Wickelkopf durchsetzen, verlaufen sie somit bei bestimmungsgemäßer Anwendung der Spule vollständig durch die Nut hindurch, in denen die Schenkel angeordnet sind. Entsprechend ist eine gute Kühlung im Bereich der Nuten erzielbar, wenn nämlich diese aus den Ausnehmungen gebildeten Kühlkanäle im Betrieb auch mit einem entsprechenden Kühlmedium durchflossen werden.
Vorzugsweise ist die Spule so ausgebildet, dass die Spule eine Spulenlängsrichtung aufweist, nämlich die Richtung, in die bei bestimmungsgemäßer Verwendung die Magnetfeldlinien verlaufen und damit die Richtung, in der ein Zahn durch die Spule verläuft, um den die Spule nämlich gewickelt bzw. angeordnet ist. Im Falle der Anwendung in einer elektrischen Rotationsmaschine verläuft diese Spule in Längsrichtung regelmäßig radial zur Drehachse der elektrischen Rotationsmaschine.
Es wird in dieser Ausführungsform vorgeschlagen, dass die elektrischen Leitungsabschnitte und damit insbesondere die Windungen in Spulenlängsrichtung aufeinander angeordnet sind und in Richtung quer zur Spulenlängsachse jeweils nur ein Leitungsabschnitt bzw. nur eine Windung vorgesehen sind. Entsprechend werden insbesondere im Querschnitt sehr breite Leitungsabschnitte verwendet, die im Querschnitt aufeinander gestapelt sind und dadurch die Spule bilden. Bei solchen im Querschnitt breiten Leitungsabschnitten ist meist ausreichend Platz zum Ausbringen der Ausnehmungen.
Außerdem wird eine elektrische Einrichtung, insbesondere eine elektrische Maschine oder ein elektrischer Übertrager gemäß Anspruch 8 vorgeschlagen. Eine solche elektrische Einrichtung umfasst wenigstens einen Kern zum Führen eines elektrischen Feldes, wobei der Kern eine Spule gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen aufweist. So kann eine Drossel vorgesehen sein, die einen Magnetkern und eine Spule, oder im dreiphasigen Fall drei Spulen, aufweist. Außerdem kann ein Transformator vorgesehen, der einen entsprechenden Magnetkern mit einer primären und einer sekundären Spule aufweist, wobei die primäre Spule und/oder sekundäre Spule gemäß einer oben beschriebenen Ausführungsform ausgebildet ist. Im Falle einer dreiphasigen Spule können entsprechend primärseitig und sekundärseitig jeweils drei Spulen vorgesehen sein. Im Falle einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Rotationsmaschine, kann eine Spule für jeden Zahn des Rotors und/oder des Stators vorgesehen sein.
Eine bevorzugte Ausführungsform schlägt somit vor, dass die elektrische Einrichtung als elektrische Maschine ausgebildet ist und einen Rotor mit einem Rotorblechpaket mit Zähnen aufweist und/oder einen Stator mit einem Statorblechpaket mit Zähnen aufweist, wobei die Zähne des Stators und/oder des Rotors jeweils einen Kern bilden und jeweils eine Spule gemäß einem der Ausführungsformen aufweisen. Hierdurch kann die elektrische Maschine mit vorteilhaften Spulen versehen werden und damit kann die elektrische Maschine durch Kühlkanäle gekühlt werden, die durch die Ausnehmungen der Spulen gebildet werden. Die Spulen können nur für den Rotor, nur für den Stator oder für Rotor und Stator vorgesehen sein. Dabei können sich die Spulen, die für den Rotor vorgesehen sind, von den Spulen unterscheiden, die für den Stator vorgesehen sind.
Vorzugsweise ist für die elektrische Einrichtung eine Fördervorrichtung vorgesehen zum Fördern eines Kühlfluids durch den wenigstens einen Kühlkanal. Eine solche Fördervorrichtung kann bspw. eine Pumpe oder ein Gebläse sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass diese einen Rotor mit einem Rotorblechpaket mit Zähnen aufweist und/oder einen Stator mit einem Statorblechpaket mit Zähnen aufweist, wobei die Zähne des Stators und/oder des Rotors jeweils einen Kern bilden und jeweils eine Spule gemäß einer Ausführungsform aufweisen.
Die wenigstens eine, meist mehrere Ausnehmungen, können vorzugsweise zusammen mit einem benachbarten Leitungsabschnitt jeweils einen Kühlkanal bilden. Es ist aber nicht, zumindest nicht gemäß jeder Ausführungsform, erforderlich, diesen Kanal jeweils vollständig abzudichten. Vielmehr ist es in vielen Fällen unproblematisch oder sogar vorteilhaft, dass ein Kühlmedium teilweise seitlich entweichen oder einströmen kann. Allerdings ist es üblicherweise nicht gewünscht, dass das Kühlmedium die gesamte elektrische Einrichtung, insbesondere die gesamte elektrische Maschine durchflutet. Somit ist ein Abdichtungskörper vorgesehen, der einen Teil der Spule und/oder einen Teil der elektrischen Einrichtung so abdichtet, dass nur darin das Kühlmedium strömt.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dabei, dass im Falle einer elektrischen Rotationsmaschine ein im Grunde ringspaltförmiger Abdichtungskörper vorgesehen ist, bei dem bspw. ein mit erfindungsgemäßen Spulen bestückter Rotor in diesem Ringspalt des Abdichtungskörpers angeordnet ist. Ebenso oder außerdem kann ein Stator mit erfindungsgemäßen Spulen bestückt in einen solchen Ringspalt eines Abdichtungskörpers angeordnet werden. Ein Kühlmittelstrom kann dann erzeugt werden, indem das Kühlmittel bzw. Kühlmedium in axialer Richtung des Ringspaltes diesen durchströmt. Eine Fördervorrichtung, wie eine Pumpe, kann für einen entsprechenden Fluss des Fluides sorgen. Das Fluid bleibt dann innerhalb dieses Ringspaltes des Abdichtungskörpers und durchströmt diesen, wobei die Ausnehmungen bzw. die dadurch gebildeten Kühlkanäle im Wesentlichen zu einer Kanalisierung des Kühlmediumstroms führen. Das Kühlmedium wird also gezielt durch die Spule, insbesondere an vielen Stellen geführt und kann damit die Spule unmittelbar kühlen. Insbesondere Stromwärmeverluste, die unmittelbar in den Windungen auftreten, können durch diese Kühlkanäle unmittelbar gekühlt werden. Das Kühlmittel ist hierdurch sehr nahe an dem Entstehungsbereich der Wärme. Der Abdichtungskörper, der wenigstens eine Spule aufnimmt, kann auch als Aufnahmekörper zum Führen eines Kühlfluids oder als Führungskörper zum Führen eines Kühlfluids bezeichnet werden.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen einer Spule gemäß einer der obigen Ausführungsformen vorgeschlagen. Hierbei wird die Spule durch ein gießtechnisches Verfahren unter Verwendung einer Gießform hergestellt. Die Gießform weist dabei eine zur Ausnehmung des elektrischen Leitungsabschnitts der Spule korrespondierende Erhöhung auf. Hierdurch ist es auf einfache Art und Weise möglich, diese Ausnehmung in der Spule, insbesondere in vielen oder allen Windungen und dort insbesondere in jeweils wenigstens zwei Leitungsabschnitten vorzusehen.
Weiterhin wird eine Gießform zum gießtechnischen Herstellen einer Spule gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen vorgeschlagen. Die Gießform weist eine zur Ausnehmung des elektrischen Leitungsabschnitts der Spule korrespondierende Erhöhung auf.
Außerdem wird eine Modellform zum Herstellen einer Gießform, insbesondere der beschriebenen Gießform vorgeschlagen. Entsprechend weist auch diese Modellform bereits eine zu den Ausnehmungen korrespondierende Form auf.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beispielhaft erläutert.
1 zeigt einen Ausschnitt aus einer elektrischen Maschine, die Komponenten gemäß dem Stande der Technik verwendet.
2 zeigt eine beispielhafte Temperaturverteilung in einem Ausschnitt einer Außenläufermaschine mit Runddrahtwicklung und Wassermantelkühlung.
3 zeigt in einer Schnittansicht einen Ausschnitt einer elektrischen Maschine mit einer konventionellen Dosenkühlung.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Spule in einer perspektivischen Ansicht.
5 zeigt in einer Schnittansicht einen Ausschnitt einer elektrischen Maschine mit Dosenkühlung und erfindungsgemäßen Spulen.
1 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt einer elektrischen Maschine, nämlich eines Ständers 102 mit einem Blechpaket 104 mit Zähnen 106 und dazwischenliegenden Nuten 108 und einem Blechpaketjoch 110 oder einfach Ständerjoch 110 bzw. einer Blechpaketbasis oder einfach Basis 110, über das bzw. die die Zähne 106 miteinander verbunden sind.
Um jeden Zahn 106 ist eine Spule 112 bzw. 112' angeordnet. Jede Spule 112 bzw. 112' weist zwei Spulenschenkel 114 auf. Es sind dort zwei unterschiedliche, jeweils gewickelte Spulen veranschaulicht, nämlich die Spule 112 mit Rundleitern und die Spule 112' mit Profildrähten. Veranschaulicht werden soll dabei die Aufteilung der Spulenschenkel 114 in der jeweiligen Nut 108. Aus diesem Grunde weist eine Spule einen Schenkel mit Rundleitern und einen mit Profildrähten auf, was nur zur Veranschaulichung dient.
Die Kühlung dieser in 1 erläuterten Maschine, nämlich dort des Ständers 102 erfolgt mit Hilfe eines Wassermantels 116. Hierzu ist ein zylindrischer Mantel 118 vorgesehen, so dass sich zwischen diesem und dem Blechpaket 104 ein Ringspalt ausbildet, indem der Wassermantel 116 vorgesehen sein kann.
Durch diesen Wassermantel 116 kann somit insbesondere das Blechpaket 104 gekühlt werden. Wärmeverluste, die in den Spulen 112 bzw. 112' auftreten, sind von diesem kühlenden Wassermantel 116 vergleichsweise weit entfernt, durch ein Nutfüllmaterial 124 abgeschirmt und entsprechend können sie durch den Wassermantel 116 nicht sehr gut gekühlt werden.
Eine beispielhafte Temperaturverteilung in einer Runddrahtwicklung bei Wassermantelkühlung ist in 2 veranschaulicht. 2 zeigt dabei einen Ausschnitt einer elektrischen Maschine, die als Außenläufer mit innenliegendem Kühlmantel ausgebildet ist. In der Querschnittsansicht der 2 ist ein Ständer 202, der auch als Stator 202 bezeichnet werden kann, mit einem Blechpaket 204 mit Zähnen 206 und dazwischenliegenden Nuten 208 dargestellt, in denen jeweils zwei Schenkel 214 von Spulen 212 angeordnet sind. Das Blechpaket 204 weist ein Blechpaketjoch 210 auf und zum Blechpaketjoch 210 abgewandten Seite, nämlich radial außenliegend, ist ein Luftspalt 220. Ein sog. innenliegender Kühlmantel ist im Bereich des Blechpaketjochs 210 angeordnet, in der 2 aber nicht dargestellt. Radial außen zum Luftspalt 220 ist der Rotor 222 angedeutet.
In den Nuten 208 sind vier Temperaturbereiche skizziert, die von der höchsten Temperatur A bis zur niedrigsten Temperatur D verlaufen. Die größte Temperatur A bildet sich im oberen, mittleren Bereich jeder Nut 208. Insbesondere nimmt die Temperatur über die Temperaturbereiche B und C schließlich zum Temperaturbereich D in der Nähe des Blechpaketjochs 210 ab. Es ist somit erkennbar, dass besonders im Bereich zum Luftspalt 220 hin die Temperatur sehr hoch ist und auf eine entsprechend ungenügende Kühlung hindeutet.
3 zeigt ein mögliches Konzept zur direkten Ständerkühlung für Maschinen in Zahnspulenbauweise. Dort ist ein Ausschnitt eines Ständers bzw. Stators 302 mit Blechpaket 304 mit Blechpaketjoch 310 und Zähnen 306 gezeigt. Zwischen den Zähnen 306 sind Nuten 308 gezeigt. In den Nuten 308 sind jeweils zwei Spulenschenkel 314 bzw. 314' vorgesehen und gehören zu einer mit Rundleitern gewickelten Spule 312 bzw. mit Profildrähten gewickelten Spule 312'. Beide Spulen bzw. Spulenschenkel weisen ein Füllmaterial 324 auf. Jeder Spulenschenkel 314 bzw. 314' ist insoweit eine kompakte Einheit und Lufteinschlüsse zwischen einzelnen Windungen bzw. einzelnen Leitern jedes Spulenschenkels 314 bzw. 314' werden vermieden.
Zur Kühlung ist der Ständer 302 in einer sog. Dose 326 eingekapselt. Diese Dose 326 ist dabei ringspaltförmig ausgebildet und nimmt den Ständer bzw. Stator 302 in diesem Ringspalt auf. Diese Dose 326 kann auch als Rohr bezeichnet werden und kann eine Ausgestaltung ähnlich eines Doppelrohrs haben, bei dem zwischen der Doppelwandung der Ständer bzw. Stator 302 aufgenommen ist und dazwischen auch ein Kühlmedium zum Kühlen des Ständers bzw. Stators 302 geführt werden kann.
Tatsächlich wird das Kühlmedium hierbei in Freiräumen jeder Nut 308 geführt und insoweit in axialer Richtung, bezogen auf eine Drehachse der elektrischen Maschine, geführt. Dadurch kann das Kühlmedium 328, das insbesondere als Kühlwasser ausgebildet sein kann, in der jeweiligen Nut 308 und damit in unmittelbarer Nähe der Spulenschenkel 314 bzw. 314' geführt werden. Die Spulenschenkel 314 bzw. 314' können somit unmittelbar gekühlt werden.
Durch das Nutfüllmaterial bildet aber jeder Spulenschenkel 314 bzw. 314' jeweils eine kompakte Einheit, die nur von außen gekühlt werden kann.
Eine erfindungsgemäße Spule 12 ist in einer perspektivischen Ansicht in 4 gezeigt. Sie ist dabei auf einen Zahn 6 eines Blechpakets aufgesetzt bzw. um diesen Zahn 6 angeordnet. Die Spule 12 weist dafür im gezeigten Beispiel acht Windungen auf. Jede Windung weist vier Leitungsabschnitte 31 bis 34 auf, die sich jeweils in einem rechten Winkel aneinander anschließen. An den letzten Leitungsabschnitt 34 einer ersten Windung schließt sich der erste Leitungsabschnitt 31 der nächsten Windung an. Der Einfachheit halber erhalten alle ersten Leitungsabschnitte 31, die in 4 im linken Bereich dargestellt sind, das Bezugszeichen 31, obwohl leichte Abweichungen vorliegen können.
Insbesondere die erste Windung weist gegenüber den übrigen Windungen einen etwas anders gestalteten ersten Leitungsabschnitt 31 auf. Auf diesen Unterschied kommt es hier jedoch nicht entscheidend an, so dass dasselbe Bezugszeichen verwendet wird.
Die ersten Leitungsabschnitte 31 und die dritten Leitungsabschnitte 33 weisen nun jeweils Ausnehmungen 36 auf, die jeweils benachbart zu dem Leitungsabschnitt 31 bzw. 33 der Nachbarwindung, nämlich gemäß 4 der unteren Windung, angeordnet sind und dadurch Kühlkanäle bilden. Lediglich die Ausnehmungen 36 der untersten Windung, und damit der untersten Leitungsabschnitte 31 und 33 sind nicht benachbart zu jeweils einem weiteren Windungsabschnitt angeordnet. Ihre Ausnehmungen 36 sind aber benachbart zum Blechpaket 4, insbesondere dessen Joch, angeordnet, wodurch auch diese Ausnehmungen Kühlkanäle ausbilden können. Insoweit werden die Kühlkanäle hier auch mit dem Bezugszeichen 36 versehen. Sämtliche Ausnehmungen bzw. Kühlkanäle 36 sind hierbei parallel zueinander ausgebildet und dabei in Richtung einer vorzusehenden Kühlmittelströmung ausgebildet. Es ist nun möglich, Kühlmittel durch diese Kühlkanäle 36 strömen zu lassen, wodurch die Leitungsabschnitte, zumindest die Leitungsabschnitte 31 und 33, unmittelbar gekühlt werden. Für die Leitungsabschnitte 32 und 34, die jeweils einen Wickelkopf bilden, ist üblicherweise mehr Raum verfügbar, so dass größere Leiterquerschnitte dort gebildet werden können und/oder weitere Möglichkeiten zur Kühlung bestehen.
Aus der 4 ist auch zu erkennen, dass das gezeigte Beispiel eine gießtechnisch hergestellte Spule 12 verwendet. Die beispielhaft gezeigte Spule 12 ist aus acht Windungen aufgebaut, die sich lediglich in axialer Richtung des Spulenmittelpunktes bzw. des Zahns 6 erstrecken. Nebeneinander sind keine Leitungen und entsprechend keine Leitungsabschnitte angeordnet und die einzelnen Leitungsabschnitte 31 bis 34 sind entsprechend flach ausgebildet. Gleichwohl bleibt Raum zum Vorsehen der Ausnehmungen 36.
5 veranschaulicht den Einsatz einer Spule 12 gemäß 4, zumindest einer ähnlichen Spule gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer elektrischen Maschine. Der Ausschnitt zeigt einen Ständer bzw. Stator 2 an dem Blechpaket 4 mit einem Blechpaketjoch 10 und Zähnen 6. Zwischen den Zähnen 6 sind Nuten 8 ausgebildet. Um einen Zahn 6 herum ist jeweils eine Spule 12 angeordnet, so dass in jeder Nut jeweils zwei Schenkel 14 vorhanden sind. Jeder Schenkel 14 weist hierbei acht Leitungsabschnitte 31 bzw. 33 auf und jeder Leitungsabschnitt 31 bzw. 33 weist eine Ausnehmung 36 bzw. einen Kühlkanal 36 auf.
Durch die Ausnehmungen bzw. Kühlkanäle 36 kann ein Kühlmedium gemessen an der Darstellung der 5 in die Zeichenebene hinein bzw. aus der Zeichenebene heraus fließen. Um einen solchen Kühlmittelfluss zu ermöglichen, ist der Ständer bzw. Stator 2 in einem Rohr bzw. in einer sog. Dose 26 aufgenommen. Dieses Rohr 26 ist, ähnlich wie in der 3 gezeigt ist, als einen einen Ringspalt aufweisenden Aufnahmekörper ausgebildet. Der gesamte Ständer 2 wird dadurch geflutet, wobei aber letztlich praktisch nur im Bereich der Nuten 8 Raum für dieses Kühlmittel zum Strömen vorhanden ist. Das Kühlmittel kann somit durch die Kühlkanäle 36 strömen und dadurch die Spulen 12 kühlen.
Die Ausnehmungen 36 weisen jeweils zum Blechpaketjoch 10 und sind damit von der Öffnung der Nut 8 abgewandt, die sich bestimmungsgemäß im Bereich eines Luftspalts zwischen dem gezeigten Ständer und einem Rotor befindet. Hierdurch wird berücksichtigt, dass in einer solchen Konstellation im bestimmungsgemäßen Betrieb Stromverdrängungseffekte auftreten. Diese treten insbesondere so auf, dass jedenfalls in jedem in 5 gezeigten Leitungsabschnitt 31 und 33 eine höhere Stromdichte zum Luftspalt hin, also zur Öffnung der Nut 8 hin, auftreten würde und damit geringere Stromdichte zum Blechpaketjoch 10 hin ausbildet. Die Ausnehmungen 36 sind somit in den Leitungsabschnitten 31 und 33 an Positionen vorgenommen worden, an denen ohnehin eine geringere Stromdichte auftritt, also im Ergebnis weniger Strom fließt. Effektiv ist damit die Leitfähigkeit der Leitungsabschnitte 31 und 33 nur vergleichsweise gering durch die Ausnehmungen 36 verringert worden.
Die Erfindung wurde somit anhand eines Kühlkonzeptes exemplarisch erläutert, bei dem der Ständer 2 einer elektrischen Maschine axial von einer Flüssigkeit und/oder einem Gas zur Kühlung durchstromt wird. Die Spulen 12 werden bei diesem Beispiel auf die Zähne 6 des Ständerblechpaketes 4 aufgeschoben und jeder Leiter der Spule 12 wird mit Ausnehmungen in ausgewählten Bereichen vorgesehen. Die Ausnehmungen 36 durchsetzen die Spule 12 in axialer Richtung der Maschine vollständig von Wickelkopf zu Wickelkopf, wodurch ein axiales Durchströmen der Spule 12 mit Gas bzw. Flüssigkeit ermöglicht wird. Insoweit bilden allen Leitungsabschnitten 32 einer Spule 12 einen Wickelkopf und alle Leitungsabschnitte 34 derselben Spule 12 einen weiteren Wickelkopf. Die Leitungsabschnitte 31 und 33 reichen somit jeweils von einem zum anderem dieser beiden Wickelköpfe und weisen dabei eine durchgehende Ausnehmung 36 auf, die somit jeweils einen Kühlkanal 36 bildet und sich vollständig zwischen diesen beiden Wickelköpfen erstreckt.
Vorteilhafterweise werden die Ausnehmungen der Stromdichteverteilung bei Stromverdrängung nachempfunden. Das Leitermaterial wird somit nur an den Stellen entfernt, wo im Bereich der Betriebsfrequenzen nur wenig Strom fließt; die Gesamtverluste in der Spule werden durch die Entfernung des Leitermaterials also nicht wesentlich erhöht. 5 stellt dabei nur ein Beispiel für eine mögliche Aushöhlung dar. Je nach Anordnung der Leiter, Stromdichte und Speisefrequenz kann der Einfluss der Stromverdrängung und damit die Bereiche geringer Stromdichten innerhalb der Leiter berechnet werden. Die Leiterform kann somit derartig optimiert werden, dass die Bereiche mit geringeren Stromdichten für das Kühlmedium ausgespart bleiben und zur Kühlung verwendet werden. Der vom Kühlfluid durchströmte Kanal kann in jeder Lage der Spule an den Stromverdrängungseffekt und an den angestrebten Massestrom des Kühlmediums angepasst werden. In der isometrischen Ansicht der 4 ist zu erkennen, dass die Aushöhlungen, die hier auch als Ausnehmungen bezeichnet werden, ebenfalls den Wickelkopf durchziehen. Speziell dieser Bereich bietet viel Gestaltungsspielraum zur Optimierung des Kühlkonzeptes. Beispielsweise können die Kühlkanäle im Bereich des Wickelkopfes aufgeweitet werden, was sowohl das Durchströmen der Kühlkanäle fördert als auch einen positiven Effekt auf die Kühlung des Wickelkopfes hat. Strömt das Kühlmedium axial durch die Maschine, sind weitere entscheidende Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik zu bemerken.
Es kann somit eine Erhöhung der Kühlfläche im Vergleich zu der Variante gemäß 3 erzielt werden. Durch den ausgewählten Bereich der Ausnehmungen kann ein negativer Einfluss der Stromverdrängung minimiert werden. Der thermische Übergangswiderstand zwischen Kühlmedium und stromführenden Leitern wird entscheidend verringert, weil zwischen Kühlmedium und den Leitern lediglich eine dünne Lackschicht vorhanden ist. Es wird weiterhin ein hoher Nutfüllfaktor erreicht, insbesondere durch die vorgeschlagene Ausführung der Spule als nach einem gießtechnischen Verfahren hergestellte Spule. Weiterhin kann die Kühlwirkung des axialströmenden Kühlmediums durch einen großen gestalterischen Spielraum im Bereich des Wickelkopfes bzw. der Wickelköpfe optimiert werden.
Der Aufbau und die Anordnung der erfundenen Spulengeometrie können über die beschriebene Anwendung hinaus für ähnliche Kühlkonzepte gewinnbringend genutzt werden. Bei langsam drehenden Maschinen, beispielsweise Generatoren für Windkraftanlagen, kann auf die Dose verzichtet und die Maschine gänzlich geflutet werden. Durch den Einsatz gasförmiger anstelle flüssiger Kühlmedien oder Sprühkühlung kann meist ebenfalls auf einen trennenden Zylinder zwischen Rotor und Stator verzichtet werden. Die beschriebenen Spulenkörper können beispielsweise bei Synchronmaschinen ebenfalls im Läufer angebracht werden. Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind Hochspannungstransformatoren oder Drosseln, die zur Isolation und zur Kühlung häufig mit Transformatorölen oder synthetischen Ester gefüllt werden.
Die vorliegende Erfindung beschreibt somit auch ein Kühlungsverfahren für elektromagnetische Energiewandler. Die Erfindung bezieht sich hierbei insbesondere auf gießtechnisch hergestellte oder durch Umformen hergestellte Spulen. Es wird vorgeschlagen, die Leiterquerschnittsgeometrie so anzupassen, dass in axialer Richtung beispielsweise einer elektrischen Rotationsmaschine Kühlkanäle in Längsrichtung der elektrischen Leiter eingebracht werden, die von Kühlflüssigkeit durchströmt werden. Durch die resultierende direkte Kühlung der Leiter wird die Entwärmung der Maschine gegenüber anderen Kühlungsverfahren nach dem Stand der Technik erheblich verbessert was der Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad elektromagnetischer Energiewandler verbessert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/032740 [0009]
US 2012/0248904 [0009]
US 4994700 [0009]
EP 2387135 A2 [0022]

Claims

Spule (12) umfassend – mehrere, jeweils mehrere elektrisch leitfähige Leitungsabschnitte (31, 32, 33, 34) aufweisende Windungen, – wenigstens eine in wenigstens einem der Leitungsabschnitte (31, 32, 33, 34) angeordnete, sich leitungsaxial erstreckende Ausnehmung (36), wobei – die wenigstens eine Ausnehmung (36) so angeordnet ist, dass sie jeweils zwischen zwei benachbarten Leitungsabschnitten (31, 33) einen leitungsaxialen Kühlkanal (36) zum Führen eines Kühlmediums ausbildet.
Spule (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (36) als Nut (8) ausgebildet ist.
Spule (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (12) gießtechnisch hergestellt ist.
Spule (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leitungsabschnitt (31, 33) wenigstens einen Hochstrombereich aufweist, in dem bei Stromverdrängung eine hohe Stromdichte zu erwarten ist, und einen Niedrigstrombereich, in dem bei Stromverdrängung und ohne Berücksichtigung der Ausnehmung (36) eine niedrige Stromdichte zu erwarten ist, und wobei die Ausnehmung (36) im Wesentlichen im Niedrigstrombereich ausgebildet ist.
Spule (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (12) zur Verwendung in einer elektrischen Maschine vorgesehen ist, wobei die elektrische Maschine ein Blechpaket (4), insbesondere eines Stators (2), mit einem Jochabschnitt (10) mit mehreren Zähnen (6) aufweist und dass die Spule (12) so zum Anordnen um einen der Zähne (6) vorgesehen ist, dass wenigstens zwei der benachbarten Leitungsabschnitte (31, 33) in eine Umfangsrichtung zwischen dem Zahn (6) und einem weiteren Zahn (6) und in einer radialen Richtung zwischen dem Jochabschnitt und einem Luftspalt 220 angeordnet werden, so dass die wenigstens eine Ausnehmung (36) zum Jochabschnitt des Blechpakets (4) weist und/oder bezogen auf die Umfangsrichtung des Blechpaketes (4) mittig in dem jeweiligen Leitungsabschnitt (31, 33) angeordnet ist und/oder dass ein bzw. der Hochstrombereich zum Luftspalt (220) und/oder wenigstens ein bzw. der Hochstrombereich zu dem Zahn und/oder zu dem weiteren Zahn weist.
Spule (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (12) zwei Wickelköpfe aufweist und die wenigstens eine Ausnehmung (36) die Spule (12) vollständig von Wickelkopf zu Wickelkopf durchsetzt und/oder dass sich die wenigstens eine Ausnehmung (36) jeweils zu einem Wickelkopf hin aufweist.
Spule (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (12) eine Spulenlängsrichtung aufweist und die elektrischen Leitungsabschnitte (31, 33) und die Windungen in Spulenlängsrichtung aufeinander angeordnet sind und in Richtung quer zur Spulenlängsachse jeweils nur ein Leitungsabschnitt (31, 33) bzw. nur eine Windung vorgesehen sind.
Elektrische Einrichtung, insbesondere elektrische Maschine oder elektrischer Übertrager, umfassend wenigstens einen Kern (6) zum Führen eines elektrischen Feldes, wobei der Kern (6) eine Spule (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Einrichtung als elektrische Maschine ausgebildet ist und einen Rotor mit einem Rotorblechpaket mit Zähnen aufweist und/oder einen Stator (2) mit einem Statorblechpaket (10) mit Zähnen (6) aufweist, wobei die Zähne (6) des Stators (2) und/oder des Rotors jeweils einen Kern bilden und jeweils eine Spule (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweisen.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fördervorrichtung vorgesehen ist zum Fördern eines Kühlfluides durch den wenigstens einen Kühlkanal (36).
Elektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abdichtungskörper (26) zum Aufnehmen der wenigstens einen Spule (12) und zum abdichtenden Führen eines Kühlfluids vorgesehen ist, insbesondere, dass der Abdichtungskörper (26) einen ringspaltförmigen Aufnahmeraum zum Aufnehmen eines bzw. des mit den Spulen (12) versehenen Statorblechpaketes (10) und/oder zum Aufnehmen eines bzw. des mit den Spulen (12) versehenen Rotorblechpaketes (4) aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer Spule (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Spule (12) durch ein gießtechnisches Verfahren unter Verwendung einer Gießform hergestellt wird und die Gießform eine zur Ausnehmung des elektrischen Leitungsabschnitts der Spule korrespondierende Erhöhung aufweist.
Gießform zum gießtechnischen Herstellen einer Spule (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Gießform eine zur Ausnehmung (36) des elektrischen Leitungsabschnitts (31, 33) der Spule (12) korrespondierende Erhöhung aufweist.
Modellform zum Herstellen einer Gießform nach Anspruch 13.