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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Statorteils und eine Hohlleiterspule, die im Verfahren zur Herstellung des Statorteils einsetzbar ist.
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Aus dem Stand der Technik sind zur Kühlung von Spulen in elektrischen Maschinen im Wesentlichen zwei Möglichkeiten bekannt. Zum einen können die Spulen von außen gekühlt werden. Zum anderen können die Spulen innenliegende Kühlkanäle umfassen durch die ein Kühlmittel geleitet wird. Dadurch werden diese sogenannten Hohlleiterspulen direkt von innen gekühlt. Ein Vorteil der innenliegenden Kühlkanäle ist, dass das Kühlmittel direkt in thermischen Kontakt mit den stromführenden Bereichen der Hohlleiterspule ist.
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Nach dem Stand der Technik werden stranggepresste Rohre und/oder n-eckige Hohlleiter zur Herstellung einer Hohlleiterspule verwendet. Dadurch ergibt sich jedoch der Nachteil, dass die geometrische Gestaltung der Hohlleiterspulen stark begrenzt ist. Insbesondere weist der Leiterquerschnitt einer Windung der Hohlleiterspule im Wesentlichen stets dieselbe Fläche und Form auf. Die Geometrie der Hohlleiterspule und der Leiterquerschnitte ist durch die verwendeten stranggepressten Rohre oder n-eckigen Hohlleiter von vornherein festgelegt. Dadurch ergibt sich der Nachteil, dass beispielsweise der zur Verfügung stehende Wickelraum innerhalb der elektrischen Maschine nicht optimal genutzt werden kann, wodurch der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verringert wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde den Wirkungsgrad einer elektrischen Maschine mit Hohlleiterspulen zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 und durch eine Hohlleiterspule mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 16 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Statorteils für eine elektrische Maschine wird wenigstens ein Zahnsegment auf einem Außenumfang eines Trägers radial hervorstehend angeordnet und eine Hohlleiterspule an den wenigstens einem Zahnsegment angeordnet. Hierbei wird die Hohlleiterspule erfindungsgemäß mittels eines generativen Verfahrens hergestellt.
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Durch die Herstellung der Hohlleiterspule mittels eines generativen Verfahrens ergibt sich der Vorteil, dass im Wesentlichen keine Einschränkungen bezüglich der Geometrie oder der Gestaltung der Hohlleiterspule bestehen. Als generative Verfahren sind beispielsweise Lasersintern, allgemeine Sinterverfahren oder generelle 3D-Druckverfahren zu nennen. Besonders vorteilhaft ist, dass durch die Herstellung der Hohlleiterspule mittels eines generativen Verfahrens einzelne Windungen der Hohlleiterspule optimal an einen in der elektrischen Maschine verfügbaren Wickelraum angepasst werden können. Beispielsweise können die einzelnen Windungen der Hohlleiterspule individuell dimensioniert werden. Unter einer Anpassung der Hohlleiterspule ist beispielsweise auch eine Erhöhung des Füllfaktors zu verstehen. Hierbei ist der Füllfaktor definiert als das Verhältnis von Querschnittsfläche der Windungen (Leiterquerschnittsfläche) der Hohlleiterspule zum Querschnitt des Wickelraums. Durch den erhöhten Füllfaktor der im generativen Verfahren hergestellten Hohlleiterspule wird der Wicklungswiderstand der Hohlleiterspule verringert. Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch ein erhöhter Wirkungsgrad der elektrischen Maschine.
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Durch die Gestaltungsmöglichkeiten, die ein generatives Verfahren ermöglicht, können die einzelnen Windungen einer Wicklung variabel in ihrer Form und bezügliches des Zweckes optimiert hergestellt werden. Beispielsweise können die einzelnen Windungen in wenigstens einem Wickelkopf der Hohlleiterspule einen im Vergleich zu bekannten Wicklungen oder Windungen geringeren Biegeradius aufweisen. Durch den verringerten Biegeradius der Wicklungen oder Windungen im Wickelkopf ergibt sich vorteilhafterweise eine Bauraumersparnis, so dass der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verbessert wird.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Hohlleiterspule einteilig in einem Verfahrensschritt hergestellt wird. Verbindende Elemente, die einzelne Teile bekannter Hohlleiterspulen verbinden, entfallen somit. Dadurch ergibt sich eine geringere Verschleißanfälligkeit und eine weitere Einsparung von Bauraum.
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Die erfindungsgemäße Hohlleiterspule umfasst wenigstens eine Windung, wobei die Windung zwei beabstandet angeordnete Kühlkanäle aufweist, und eine Querschnittsfläche der wenigstens einen Windung in wenigstens einem Wickelkopf der Hohlleiterspule gegenüber Bereichen abseits des Wickelkopfes flächenmäßig vergrößert ist.
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Zunächst ist festzuhalten, dass als Querschnittsfläche die Fläche anzusehen ist, die sich durch einen Schnitt der Windung senkrecht zu einer Stromdichte in den Windungen ergibt.
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Durch die erfindungsgemäße Vergrößerung des Flächeninhaltes der Querschnittsfläche der wenigstens einen Windung im Wickelkopf der Hohlleiterspule wird der Wirkungsgrad einer elektrischen Maschine, die die Hohlleiterspule umfasst, verbessert. Insbesondere ist vorgesehen, dass durch die flächenmäßig vergrößerte Querschnittsfläche auch eine äußere in Kontakt mit der umgebenden Luft stehende Oberfläche der Windung im Wickelkopf gegenüber Bereichen abseits des Wickelkopfes vergrößert ist. Dadurch wird die Abfuhr von Wärme an die Umgebung im Wickelkopf deutlich verbessert.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die im Wickelkopf flächenmäßig vergrößerte Querschnittsfläche der Windungswiderstand der Hohlleiterspule bzw. der wenigstens einen Windung reduziert wird.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Hohlleiterspule ist, dass die Windung wenigstens zwei Kühlkanäle umfasst. Durch die Anordnung von zwei Kühlkanälen innerhalb der Windung werden Wirbelströme, die während eines Betriebes der Hohlleiterspule durch magnetische Streufelder, insbesondere durch ein Nutquerfeld, im stromführenden Material der Windung induziert werden können, deutlich unterdrückt. Insbesondere kann die Anordnung der Kühlkanäle innerhalb der Windung so angepasst werden, dass möglichst wenige Wirbelströme im stromführenden Material der Windung entstehen. Beispielsweise kann eine asymmetrische bzw. ungleichmäßige Anordnung der Kühlkanäle von Vorteil sein. Auch eine Anordnung, bei der der Abstand der zwei Kühlkanäle weniger als 5 % der Länge beträgt, die sich aus der Wurzel des Flächeninhaltes der Querschnittsfläche der Windung ergibt, ist vorteilhaft.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Hohlleiterspule durch ein Aufstecken auf das Zahnsegment an dem Zahnsegment angeordnet.
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Durch die erfindungsgemäße Herstellung der Hohlleiterspule mittels eines generativen Verfahrens wird die Hohlleiterspule vor dem Anbringen am Zahnsegment komplett hergestellt. Vorteilhafterweise wird dadurch ein einfaches Aufstecken der Hohlleiterspule auf das Zahnsegment ermöglicht, so dass sich der Zusammenbau als auch der Herstellungsprozess des Statorteils verbessert und vereinfacht. Besonders vorteilhaft ist, dass ein aufwendiges Wickeln der einzelnen Windungen um das Zahnsegment entfällt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Hohlleiterspule mit einer Mehrzahl von Windungen versehen, wobei in jeder Windung wenigstens ein Kühlkanal generativ geformt wird.
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Vorteilhafterweise können dadurch die Kühlkanäle in den einzelnen Windungen der Hohlleiterspule individuell dimensioniert werden. Beispielsweise kann die Anzahl der Kühlkanäle in den einzelnen Windungen der Hohlleiterspule variieren. Hierbei ist es zweckmäßig, die Kanalquerschnitte (Strömungsfläche) der einzelnen Kühlkanäle kreisförmig oder oval auszubilden. Die Kanalquerschnitte der einzelnen Kühlkanäle können jedoch jede dem Zweck angepasste geometrische Form bzw. Kontur aufweisen.
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Zudem ist vorgesehen eine innere Oberfläche der Kühlkanäle, die einem durchströmenden Kühlmittel zugewandt ist, hinsichtlich des Wärmeübergangs zwischen dem Kühlmittel und den stromführenden Bereichen der Windungen der Hohlleiterspule zu optimieren. Beispielsweise können die Kanalquerschnitte derart angepasst werden, dass eine verbesserte Verwirbelung des Kühlmittels erzielt wird. Überdies ist zur Verbesserung des Wärmeübergangs vorgesehen an den inneren Oberflächen der Kühlkanäle lamellenartige Strukturen anzuordnen. Vorteilhafterweise wird dadurch zum einen die Kontaktoberfläche zwischen dem Kühlmittel und den stromführenden Bereichen der Windungen der Hohlleiterspule vergrößert. Zum anderen kann ein mäanderförmiger Fluss des Kühlmittels ermöglicht werden, der den Wärmeübergang weiter verbessert.
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Von besonderem Vorteil ist es, die Kühlkanäle hinsichtlich ihrer Form und ihrer Anordnung in den Windungen so herzustellen, dass elektrische Wirbelströme in den Windungen vermieden werden. Solche elektrischen Wirbelströme können durch magnetische Streufelder, beispielsweise durch ein Nutquerfeld, entstehen. Hierbei kann es zweckmäßig sein die Kühlkanäle in einer Windung der Hohlleiterspule wie bei einem Zopf zu verflechten.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die einzelnen Windungen der Hohlleiterspule im Wesentlichen mit einer flächenmäßig gleichen Querschnittsfläche hergestellt.
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Durch die flächenmäßig gleiche Querschnittsfläche der einzelnen Windungen weisen diese einen annähernd gleichen elektrischen Widerstand auf. Hierbei ist die Querschnittfläche der Windungen als die stromführende Fläche anzusehen, die im Wesentlichen senkrecht zur Stromdichte in den Windungen ist. Die einzelnen Kühlkanäle können insbesondere beliebig in den einzelnen Windungen der Hohlleiterspule angeordnet sein. Dennoch weisen die einzelnen Windungen der Hohlleiterspule eine gleich große stromführende Querschnittsfläche auf, so dass auch bei einer unregelmäßigen Verteilung der Kühlkanäle in den einzelnen Windungen ein konstanter elektrischer Widerstand ermöglicht wird. Das Verfahren ermöglicht somit eine Variation in der Verteilung der Kühlkanäle bei gleichbleibendem elektrischem Widerstand.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird die Querschnittsfläche wenigstens einer Windung in einem Wickelkopf der Hohlleiterspule gegenüber Bereichen abseits des Wickelkopfes flächenmäßig vergrößert.
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Durch die Vergrößerung der stromführenden Querschnittsfläche der Windung im Wickelkopf wird vorteilhafterweise die Abfuhr von Wärme an die Umgebung verbessert. Beispielsweise kann der Flächeninhalt der Querschnittsfläche im Wickelkopf wenigstens ein Zweifaches des Flächeninhaltes der Querschnittsfläche betragen, die abseits des Wickelkopfes vorliegt. Vorteilhafterweise wird zudem durch die Vergrößerung der Querschnittsfläche im Wickelkopf der Windungswiderstand der Hohlleiterspule reduziert. Vorgesehen ist auch im Wickelkopf der Hohlleiterspule eine Strömungsfläche wenigstens eines Kühlkanals zu vergrößern.
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Als Strömungsfläche eines Kühlkanals wird die Querschnittsfläche angesehen, die von einem dem Kühlkanal durchströmenden Kühlmittels, insbesondere eines Fluids, durchströmt wird. Somit liegt die Strömungsfläche im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung des den Kühlkanals durchströmenden Kühlmittels.
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Durch die Vergrößerung der Strömungsfläche wird vorteilhafterweise der Strömungswiderstand des Kühlkanals reduziert, da der Strömungswiderstand in den Biegungen der Windungen im Wickelkopf durch die erhöhte Strömungsfläche des Kühlkanals reduziert wird. Weiterhin wird der Wirkungsgrad durch eine Vergrößerung der Querschnittsfläche der wenigstens einen Windung im Wickelkopf weiter erhöht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Form der einzelnen Windungen an die Form eines Wickelraums, der azimutal zwischen zwei am Träger angeordneten Zahnsegmenten liegt derart angepasst, dass zwei azimutal benachbarte Hohlleiterspulen gemeinsam im Wesentlichen den gesamten Wickelraum ausfüllen.
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Dadurch wird der Wickelraum, der in der elektrischen Maschine für die Windung der Hohlleiterspule zur Verfügung steht, möglichst vollständig genutzt. Durch das Ausfüllen des Wickelraums wird vorteilhafterweise der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verbessert. Da die Hohlleiterspule erfindungsgemäß mittels eines generativen Verfahrens hergestellt ist, ergeben sich kaum Einschränkungen an die Form der einzelnen Windungen und/oder an die Form der Hohlleiterspule insgesamt, so dass diese optimal an den zur Verfügung stehenden Wickelraum in ihrer Form angepasst werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Windungen der Hohlleiterspule derart geformt, dass diese entlang des radial hervorstehenden Zahnsegmentes eine Spiral- und/oder Federform aufweisen.
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Eine solche Spiral- und/oder Federform wird bei der Herstellung der Hohlleiterspule durch einen erhöhten Abstand der einzelnen Windungen der Hohlleiterspule ermöglicht. Beim anschließenden Zusammenbau des Statorteils wird die Hohlleiterspule auf das radial hervorstehende Zahnsegment aufgesteckt und radial zusammengedrückt, so dass der Füllfaktor erhöht wird. Das Zusammendrücken der Hohlleiterspule wird dabei vorteilhafterweise durch die Ausführung der Hohlleiterspule als Spiral- und/oder Federform erst ermöglicht. Zudem ermöglicht das generative Herstellungsverfahren der Hohlleiterspule eine prozesssichere Herstellung der vergrößerten Abstände zwischen den einzelnen Windungen. Insgesamt wird dadurch der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine weiter verbessert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird wenigstens an einem Ende einer Windung der Hohlleiterspule ein Anschlussflansch und/oder ein Kabelschuh geformt.
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Dadurch werden vorteilhafterweise die für die hydraulische und elektrische Kontaktierung benötigten Bauteile direkt in den Windungen der Hohlleiterspule integriert. Weitere verbindende Elemente, die zu einem erhöhten Verschleiß und zu einem erhöhten Bauraumbedarf der elektrischen Maschine führen würden, werden somit vorteilhafterweise vermieden. Die Hohlleiterspule wird samt ihrer benötigten Anschlüsse im generativen Herstellungsverfahren einteilig und komplett in einem Verfahrensschritt hergestellt.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die Windungen durch ein Isolationsverfahren gegeneinander elektrisch isoliert, wobei als Isolationsverfahren ein Imprägnier- und/oder Pulververfahren verwendet wird.
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Hierbei ist es von Vorteil, das Isolationsverfahren nach dem generativen Herstellungsverfahren der Hohlleiterspule anzuwenden. Beispielsweise wird bei der generativen Herstellung der Hohlleiterspule ein Spalt zwischen den einzelnen Windungen der Hohlleiterspule größer als nötig ausgeführt. Insbesondere wird der Spalt zwischen den Windungen in den Wickelköpfen der Hohlleiterspule vergrößert. Dadurch wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass beim Zusammenbau des Statorteils und dem damit verbundenen radialen Zusammendrücken der Hohlleiterspule kein elektrischer Kurzschluss zwischen den einzelnen Windungen der Hohlleiterspule vorliegt. Vorgesehen ist auch die Hohlleiterspule, die spiral- und/oder federförmig ausgebildet ist, zunächst an dem Zahnsegment und somit an dem Träger anzuordnen und anschließend das gesamte Statorteil samt Hohlleiterspule zu imprägnieren. Beispielsweise kann eine solche Imprägnierung mittels einer Vakuumimprägnierung erfolgen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Isolationspapier zwischen den einzelnen Windungen eingebracht.
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Durch das Herstellen der Hohlleiterspule mittels eines generativen Herstellungsverfahrens kann der Spalt zwischen zwei Windungen der Hohlleiterspule wie gewünscht angepasst werden. Dadurch kann vorteilhafterweise ein Isolationspapier zwischen zwei benachbarten Windungen der Hohlleiterspule eingebracht werden, so dass die Windungen zusätzlich gegeneinander elektrisch isoliert sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Temperatursensor an der Hohlleiterspule angeordnet.
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Durch die Anordnung des Temperatursensors direkt an der Hohlleiterspule wird vorteilhafterweise die Temperatur der Hohlleiterspule im Betrieb der elektrischen Maschine direkt gemessen. Beim Vorliegen einer erhöhten Temperatur wird beispielsweie die Temperatur des Kühlmittels angepasst und/oder es erfolgt durch eine Druckänderung ein erhöhter Durchsatz des Kühlmittels durch die Hohlleiterspule. Insbesondere ist vorgesehen, die Temperatur des verwendeten Kühlmittels in den Hohlleiterspulen direkt zu messen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine Mehrzahl von Hohlleiterspulen einteilig und gemäß einem Teil ihrer Anschlüsse zusammenhängend mittels des generativen Verfahrens hergestellt.
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Dadurch wird vorteilhafterweise der gesamte Hohlleiterspulensatz für die elektrische Maschine im Wesentlichen in einem Verfahrensschritt hergestellt. Verbindende Elemente der einzelnen Hohlleiterspulen, die die Verschleißanfälligkeit und/oder den Bauraumbedarf der elektrischen Maschine erhöhen, werden somit vermieden. Beispielweise werden komplette Phasen und/oder ein kompletter Hohlleiterspulensatz in einem generativen Verfahrensschritt hergestellt. Vorteilhafterweise wird durch die einteilige Ausführung der Phasen und/oder des vollständigen Hohlleiterspulensatzes der Verschaltungsaufwand der elektrischen Maschine reduziert.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden das Zahnsegment und ein Jochsegment derart geformt, dass die genannten Segmente einen gegenseitigen formschlüssigen Eingriff aufweisen.
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Hierbei wird das Jochsegment, nachdem die Hohlleiterspule auf das Zahnsegment gesteckt worden ist, an dem Zahnsegment formschlüssig angeordnet. Insbesondere ist eine form- und kraftschlüssige Verbindung der beiden Segmente vorgesehen. Beim Zusammenbau des Statorteils wird die hergestellte Hohlleiterspule zunächst auf das radial hervorstehende Zahnsegment aufgesteckt. Anschließend wird das Zahnsegment durch das mit dem Zahnsegment formschlüssig in Eingriff stehende Jochsegmente zu einem Statorsegment komplettiert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Mehrzahl von Hohlleiterspulen auf eine Mehrzahl von Zahnsegmenten aufgesteckt, wobei die aufgesteckten Hohlleiterspulen durch eine Mehrzahl von Jochsegmenten radial zusammengedrückt werden.
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Dadurch wird vorteilhafterweise insgesamt ein Stator einer elektrischen Maschine aus den einzelnen Statorsegmenten gebildet. Vorteilhafterweise fixieren die Jochsegmente durch das radiale Zusammendrücken und durch den formschlüssigen und kraftschlüssigen Eingriff der Jochsegmente mit den Zahnsegmenten die Hohlleiterspulen am Träger. Hierbei bilden die Jochsegmente zusammen mit den Zahnsegmenten einen Polschuh aus.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Zahnsegmente, die Jochsegmente und die Hohlleiterspulen zusammen mit dem Träger zur Formung einer kraftschlüssigen Anordnung in eine Bandage und/oder in einem Gehäuse eingepresst.
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Zur zusätzlichen radialen Stützung der Hohlleiterspulen ist es von Vorteil die gesamte Anordnung aus Zahnsegmenten, Jochsegmenten und Hohlleiterspulen in eine Bandage und/oder in einem Gehäuse derart einzupressen, dass sich eine radiale kraftschlüssige Stützung der genannten Segmente ergibt. Vorteilhafterweise werden die Segmente und die Hohlleiterspulen dadurch in Position gehalten. Insgesamt wird durch das Einpressen der Füllfaktor der elektrischen Maschine verbessert, so dass der Wirkungsgrad durch die verbesserte Nutzung des vorliegenden Bauraumes erhöht wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Hohlleiterspule wird die Querschnittsfläche der Windung im Wickelkopf um wenigstens einen Faktor 1,5 gegenüber Bereichen abseits des Wickelkopfes vergrößert.
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Besonders vorteilhaft ist eine flächenmäßige Vergrößerung der Querschnittsfläche um wenigstens einen Faktor 2,0.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Hohlleiterspule ist eine Strömungsfläche wenigstens eines Kühlkanals im Wickelkopf gegenüber Bereichen des Kühlkanals abseits des Wickelkopfes vergrößert.
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Dadurch wird vorteilhafterweise der Strömungswiderstand des Kühlkanals reduziert, da der Strömungswiderstand in der Biegung der Windung im Wickelkopf durch die vergrößerte Strömungsfläche des Kühlkanals reduziert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Hohlleiterspule ist wenigstens ein Kühlkanal der wenigstens einen Windung an einem ersten Ende der Windung mittels eines am ersten Ende angeordneten Anschlussflansches fluidisch kontaktierbar und zur Führung eines Kühlmittels von dem ersten Ende zu einem zweiten Ende der wenigstens einen Windung ausgebildet, wobei der Anschlussflansch einteilig mit der Windung ausgebildet ist.
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Vorteilhafterweise ist der Anschlussflansch, der die Kontaktierung der Kühlkanäle mit einer Kühleinrichtung ermöglicht, einteilig mit der Windung ausgebildet, so dass zusätzliche verbindende Elemente entfallen. Dadurch wird die Verschleißfestigkeit erhöht und Bauraum eingespart.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist der wenigstens eine Kühlkanal derart ausgestaltet, dass ein den Kühlkanal durchströmendes Kühlmittel von dem zweiten Ende zum ersten Ende der wenigstens einen Windung zurückgeführt wird.
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Dadurch wird das Kühlmittel zum Anschlussflansch am ersten Ende der Windung zurückgeführt. Vorteilhafterweise kann somit ein am zweiten Ende angebrachter zweiter Anschlussflansch entfallen, wodurch weiterer Bauraum eingespart werden kann. Die Kühlung bzw. die Verbindung der Hohlleiterspule mit einer Kühleinrichtung wird somit durch genau einen mit der Windung einteilig ausgebildeten Anschlussflansch ermöglicht. Zudem wird die vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemenge, durch das Hin- und Rückströmen des Kühlmittels, vergrößert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Hohlleiterspule umfasst die Hohlleiterspule eine Mehrzahl von Windungen, wobei jede Windung wenigstens zwei Kühlkanäle umfasst und die Windungen eine dem Flächenmaß gleiche stromführende Querschnittsfläche aufweisen.
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Durch die gleiche stromführende Querschnittsfläche der einzelnen Windungen weisen diese einen annähernd gleichen elektrischen Widerstand auf. Hierbei ist die stromführende Querschnittfläche der Windungen als die stromführende Fläche anzusehen, die im Wesentlichen senkrecht zur Stromdichte in den Windungen ist. Mit anderen Worten verläuft der Stromfluss im Betrieb der Hohlleiterspule hauptsächlich durch die genannte Querschnittsfläche der Windung.
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Die einzelnen Kühlkanäle können insbesondere beliebig in den einzelnen Windungen der Hohlleiterspule angeordnet sein. Dennoch weisen die einzelnen Windungen der Hohlleiterspule eine gleich große stromführende Querschnittsfläche auf. Dadurch wird auch bei einer unregelmäßigen Verteilung der Kühlkanäle in den einzelnen Windungen ein konstanter elektrischer Widerstand ermöglicht wird. Insbesondere können die Querschnittsflächen der einzelnen Windungen, bei gleichem Flächeninhalt, eine unterschiedliche geometrische Form bzw. Kontur aufweisen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Hohlleiterspule ist die Hohlleiterspule mittels eines generativen Verfahrens hergestellt.
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Durch die Herstellung der Hohlleiterspule mittels eines generativen Verfahrens ergibt sich der Vorteil, dass im Wesentlichen keine Einschränkungen bezüglich der Geometrie oder der Gestaltung der Hohlleiterspule bestehen. Insbesondere können die Kühlkanäle der Windungen beliebig und dem Zwecke angepasst angeordnet werden.
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Besonders vorteilhaft es ist, die mittels eines generativen Verfahrens hergestellte Hohlleiterspule bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Statorteils zu verwenden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in der
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1 eine mittels eines generativen Verfahrens hergestellte Hohlleiterspule dreidimensional darstellt;
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2 eine Schnittdarstellung eines Statorteils zeigt;
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3 einen Aufbau eines Statorsegmentes des Statorteils in einer Schnittdarstellung verdeutlicht; und
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4 ein Flussdiagramm des Verfahrens verdeutlicht.
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Gleichartige Elemente werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Richtungen axial, radial und azimutal beziehen sich stets auf eine Drehachse eines Rotors einer elektrischen Maschine. Die axiale Richtung zusammen mit einer radialen Richtung 100 und einer azimutalen Richtung bilden ein zylindrisches Koordinatensystem (Rotorkoordinatensystem), wobei die axiale Richtung der Drehachse des Rotors entspricht.
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1 zeigt eine Hohlleiterspule 6, die mittels eines generativen Verfahrens hergestellt worden ist. Hierbei weist die Hohlleiterspule 6 fünf Windungen 8 auf. Die Windungen 8 weisen jeweils in Wickelköpfen 14 der Hohlleiterspule 6 eine gegenüber den Bereichen abseits der Wickelköpfe 14 erhöhte Querschnittsfläche 12 auf. Hierbei ist als Querschnittsfläche 12 die Fläche anzusehen, die sich bei einem gedachten Schnitt 102 der Windung 8 ergibt. Überdies ist auch eine äußere Oberfläche 22 der Windungen 8 in den Wickelköpfen 14 gegenüber den Bereichen abseits der Wickelköpfe 14 vergrößert. Dadurch wird eine verbesserte Abfuhr von Wärme in den Wickelköpfen 14 ermöglicht.
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Die mittels des generativen Verfahrens hergestellte Hohlleiterspule 6 weist zudem Anschlussflansche 18 sowie Kabelschuhe 20 an ihren Wickelungsenden auf. Die Anschlussflansche 18 ermöglichen die Kontaktierung der Hohlleiterspule 6 mit einer nicht gezeigten Kühleinrichtung, die ein gekühltes und/oder aufbereitetes Kühlmittel in Kühlkanäle 10 der Hohlleiterspule 6 über die Anschlussflansche 18 einbringt. Insbesondere ist die Kühleinrichtung ausgebildet Druck und/oder Temperatur des Kühlmittels zu regulieren. Hierbei kann die Kühleinrichtung in nicht gezeigten Leistungselektronikmodulen der elektrischen Maschine integriert sein. Weiterhin ist es von Vorteil ein nicht elektrisch leitendes Kühlmittel zu verwenden, das eine große Wärmekapazität und eine geringe Viskosität aufweist. Die Kabelschuhe 20 dienen zur elektrischen Kontaktierung der Hohlleiterspule 6.
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2 zeigt einen Schnitt entlang der Richtung 102 durch die Hohlleiterspule 6. Hierbei ist die Hohlleiterspule 6 an einem Zahnsegment 2 angeordnet. Wie bereits in 1 weist die Hohlleiterspule 6 insgesamt fünf Windungen 8 auf. Jede der Windungen 8 umfasst drei Kühlkanäle 10, durch die das Kühlmittel strömt. Die stromführenden Querschnittsflächen 12 der Windungen 8 sind trotz der unterschiedlichen Anordnungen der Kühlkanäle 10 innerhalb der Windungen 8 im Wesentlichen gleich groß. Jede einzelne Windung 8 der Hohlleiterspule 6 weist hierbei eine unterschiedliche Form der Querschnittsflächen 12 auf. Die Strömungsflächen der Kühlkanäle sind in diesem Ausführungsbeispiel in der Schnittdarstellung kreisförmig ausgebildet. Von der Kreisform abweichende vorteilhafte Ausführungen der Strömungsflächen der Fluidkanäle 10 sind vorgesehen. Überdies kann die geometrische Form der Hohlleiterspule 6 optimal an einem Wickelraum 16 – wie dargestellt – angepasst werden, so dass die Hohlleiterspule 6 formschlüssig mit dem Zahnsegment 2, dem Träger 4 und den Jochsegmenten 3 abschließt.
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Das Zahnsegment 2 erstreckt sich entlang der radialen Richtung 100 und ist somit radial hervorstehend an dem Träger 4 des Statorteils 1 angeordnet. Weiter zeigt 2 Jochsegmente 3, die mit dem Zahnsegment 2 formschlüssig in Eingriff stehen. 2 zeigt lediglich eine Hälfte der am Zahnsegment 2 angeordneten Hohlleiterspule 6. Vorteilhafterweise ist die Hohlleiterspule 6 an den Wickelraum 16, der sich durch die Anordnung zweier azimutal benachbarter Zahnsegmente 2 und den dem radial abschließenden Jochsegment 3 zusammen mit dem Träger 4 ausbildet, in ihrer Form angepasst. Dadurch wird der Füllfaktor erhöht.
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In 3 ist ein weiterer schematischer Schnitt entlang der Schnittrichtung 102 der Hohlleiterspule 6 und des Statorteils 1 gezeigt. Insbesondere stehen auch in 3 die Jochsegmente 3 und das Zahnsegment 2 in formschlüssigen Eingriff. Wiederum wird der Wickelraum 16 annähernd vollständig durch die Hohlleiterspule 6 genutzt. Durch ein azimutales Zusammensetzen bzw. Fortsetzen der einzelnen Statorteile 1 ergibt sich insgesamt ein Stator für eine elektrische Maschine. Hierbei ist es insbesondere vorgesehen, die einzelnen Zahnsegmente 2 auf einem gemeinsamen Träger 4 anzuordnen.
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In 4 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Herstellung des Statorteils 1 dargestellt. In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens zur Herstellung des Statorteils 1 für eine elektrische Maschine wird wenigstens ein Zahnsegment 2, insbesondere eine Mehrzahl von Zahnsegmenten 2, auf einem Außenumfang des Trägers 4 radial hervorstehend angeordnet. Anschließend wird in einem weiteren Schritt S2 die zuvor in einem vorgehenden Schritt S22 mittels eines generativen Verfahrens hergestellte Hohlleiterspule auf das Zahnsegment 2 aufgesteckt. Hierbei ist die Hohlleiterspule 6 vorteilhafterweise in radialer Richtung 100 spiral- und/oder federförmig hergestellt. In einem weiteren Schritt S3 wird die spiral- und/oder federförmige Hohlleiterspule 6 durch ein Anbringen der Jochsegmente 3 in radialer Richtung 100 zusammengedrückt. Zudem ist vorgesehen die gesamte Anordnung in einem weiteren Schritt S4 in eine Bandage und/oder in einem Gehäuse einzupressen. Dadurch ergibt sich insgesamt ein einfacher Zusammenbau der elektrischen Maschine.
