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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor oder der Stator wenigstens eine Spule mit einem Spulenkern und einer den Spulenkern umgreifenden Spulenwicklung aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine.
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Die elektrische Maschine dient der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie oder umgekehrt. In ersterem Fall arbeitet sie als Elektromotor, in letzterem Fall als Generator. Sie weist den Rotor und den Stator auf, wobei der Rotor bezüglich des Stators verlagerbar, insbesondere drehbar, gelagert ist. Entweder der Rotor oder der Stator verfügt über die elektrische Spule, die wiederum den Spulenkern und die Spulenwicklung aufweist. Der Spulenkern besteht bevorzugt aus einem magnetisierbaren Material und dient der Bündelung des mittels der Spulenwicklung erzeugbaren magnetischen Flusses, um so die Induktivität und/oder die magnetische Flussdichte der Spule zu vergrößern. Der Spulenkern kann auch als Eisenkern bezeichnet werden, auch wenn er nicht notwendigerweise aus Eisen besteht. Vielmehr kann er grundsätzlich aus einem beliebigen magnetisierbaren, insbesondere ferromagnetischen, Material bestehen.
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In Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Drehmomentenbeziehungsweise Leistungsdichte werden die zulässigen Stromdichten innerhalb der Spulenwicklung elektrischer Maschinen zunehmend erhöht. Die in der elektrischen Maschine anfallenden Stromwärmeverluste stellen dabei einen bedeutenden und häufig auch den überwiegenden Teil der gesamten Verluste der elektrischen Maschine dar. Unabhängig von der Ausgestaltung der elektrischen Maschine rücken damit Aspekte der thermischen Belastbarkeit, besonders bei hoch ausgenutzten Maschinen, in den Fokus. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit von Materialgrößen muss bereits bei der Dimensionierung der elektrischen Maschine ein geeignetes Kühlkonzept entwickelt werden, um sowohl die angestrebte elektromagnetische Funktion als auch die geforderte Standfestigkeit zu gewährleisten.
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Aus der Druckschrift
DE 14 63 852 A ist eine Anordnung zur Kühlung von Wicklungen für elektrische Maschinen und Geräte durch von elektrischen Stromkreisen getrennte Flüssigkeitsleitungen bekannt. Dabei ist ein Zusammenbau von mehreren im Voraus hergestellten Leitungen vorgesehen, bei welchen sie als offene, parallel durchflossene Schleifen ausgebildet sind, deren relativ kurze Zweige derart an die gekühlten Windungen mit gutem Wärmekontakt angebaut sind, dass jeder Zweig mit den benachbarten Zweigen nach dem Gegenstromprinzip zusammenarbeitet, um durch den gegenseitigen Wärmeaustausch die Temperaturen von sämtlichen Windungen praktisch gleich und homogen zu machen.
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Die Druckschrift
DE 11 2009 003 166 T5 zeigt eine rotierende elektrische Maschine, die Druckschrift
AT 244 437 B eine Anordnung zur Kühlung der Läuferwicklung elektrischer Synchronmaschinen mit ausgeprägten Polen, die Druckschrift
GB 1 062 669 B einen flüssigkeitsgekühlten Rotor einer elektrischen Maschine, die Druckschrift
US 3 652 882 B1 einen Rotor einer elektrischen Maschine mit intern gekühlten Rotorwicklungen sowie die Druckschrift
DE 21 47 441 A eine Induktionswicklung für rotierende elektrische Maschinen.
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Weiterhin beschreibt die Druckschrift
DE 602 21 614 T2 eine Kühlanordnung für eine elektrische Drehmaschine, die Druckschrift
US 2 912 606 A eine Wicklung einer elektrischen Maschine, die Druckschrift
US 2006 / 0 028 074 A1 einen Rotor für eine elektrische Maschine, die Druckschrift
DE 10 87 258 A eine Anordnung zur Kühlung der Läuferwicklung elektrischer Maschinen mit ausgeprägten Polen sowie die Druckschrift
US 2 756 358 A stumpfgeschweißte Feldspulen. Schließlich beschreibt die Druckschrift
DE 10 2013 204 047 A1 eine Spule und ein Verfahren zur Herstellung einer Spule.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine vorzuschlagen, welche gegenüber bekannten elektrischen Maschinen Vorteile aufweist, insbesondere kostengünstig eine flexible Ausgestaltung und zudem die Realisierung einer effizienten Kühlung ermöglicht.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass die Spulenwicklung wenigstens eine Windung aus einem um mehrere voneinander beabstandet und parallele Biegeachsen gebogenen, im Schnitt gesehen S-förmigen Blech aufweist, und dass die Windung einen auf einer ersten Seite des Spulenkerns angeordneten und mit einer freien Kante in Richtung des Spulenkerns ragenden ersten Kontaktschenkel, einen auf einer der ersten Seiten gegenüberliegenden zweiten Seite des Spulenkerns angeordneten und mit einer freien Kante in Richtung des Spulenkerns ragenden zweiten Kontaktschenkel sowie einen den ersten Kontaktschenkel und den zweiten Kontaktschenkel verbindenden Verbindungsschenkel aufweist, wobei der erste Kontaktschenkel im Bereich der ersten Biegung von dem Verbindungsschenkel zur Ausbildung eines Fluidkanals beabstandet angeordnet ist, wobei der erste Kontaktschenkel sich in Richtung seiner freien Kante dem Verbindungsschenkel im Schnitt gesehen annähert, sodass zwischen der Windung und einer an der Windung anliegenden weiteren Windung ein weiterer Fluidkanal vorliegt.
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Die Spulenwicklung weist genau eine oder bevorzugt mehrere Windungen auf. Die Windung oder zumindest eine der Windungen weist die beschriebene Ausgestaltung auf. Besonders bevorzugt sind jedoch mehrere der Windungen, insbesondere alle der Windungen, auf die beschriebene Art und Weise ausgestaltet. Sofern nachfolgend lediglich auf eine einzige Windung eingegangen wird, so sind diese Ausführungen stets auf die anderen Windungen - sofern vorgesehen - übertragbar.
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Die Windung ist aus dem Blech oder dem Metallband, allgemeiner ausgedrückt also aus einem flachen Metallkörper ausgestaltet, welcher in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen deutlich größere Abmessungen aufweist als in einer dritten, auf beiden erstgenannten Richtungen senkrecht stehenden Richtung. Das Blech oder Metallband liegt bevorzugt als Walzprodukt vor. Walzprodukte zeichnen sich, insbesondere im Vergleich zu gießtechnisch hergestellten Produkten, durch einen besonders hohen Reinheitsgrad, eine hohe und einheitliche Dichte des Materials und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aus. Zudem besitzen sie sehr glatte und saubere Oberflächen und/oder abgerundete Kanten.
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Das Blech oder Metallband kann beispielsweise vor dem Biegen um die Biegeachsen lackiert werden. Aufgrund der sehr glatten Oberfläche ist lediglich eine dünne Lackschicht notwendig, was zum einen eine hohe Energiedichte und zum anderen eine gute Kühlung der Spule ermöglicht. Als Material für das Blech oder Metallband kann grundsätzlich jedes elektrisch leitfähige Material verwendet werden. Besonders bevorzugt wird jedoch Kupfer oder Aluminium beziehungsweise eine Kupferlegierung oder eine Aluminiumlegierung.
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Die Windung ist einstückig und materialeinheitlich ausgestaltet. Selbstverständlich kann dies in einer bevorzugten Ausführungsform auch für die gesamte Spulenwicklung, bestehend aus mehreren Windungen, gelten. Zur Ausbildung der Windung wird das Blech oder Metallband derart gebogen, sodass es nachfolgend - zumindest in Draufsicht - S-förmig und/oder meanderförmig ist. Beispielsweise weist es hierzu mehrere Schenkel auf, die über Biegungen ineinander übergehen. Jeder der Schenkel ist also über eine der Biegungen mit einem benachbarten der Schenkel verbunden. Unter der S-Form wird auch eine Form verstanden, die einem um seine Hochachse gespiegelten S entspricht beziehungsweise ähnelt.
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Im Schnitt gesehen verlaufen die Schenkel bevorzugt wenigstens bereichsweise parallel zueinander, insbesondere verlaufen alle Schenkel jeder Windung zumindest bereichsweise parallel. Die S-Form wird beispielsweise mit drei Schenkeln pro Windung erzielt. Zur Realisierung der Meanderform kann das Blech oder Metallband zur gemeinsamen beziehungsweise gleichzeitigen Ausbildung mehrerer Windungen, insbesondere aller Windungen, der Spulenwicklung dienen. Die S-förmige oder meanderförmige Gestalt wird durch das Biegen um die mehreren voneinander beabstandeten und parallelen Biegeachsen erreicht.
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Die Biegeachsen liegen dabei beispielsweise in einer Materialebene des Blechs oder Metallbands. Insbesondere liegen die Biegeachsen vor dem Biegen in einer Ebene, die von den senkrecht aufeinander stehenden Richtungen mit den größten Abmessungen des Blechs oder Metallbands aufgespannt wird. Besonders bevorzugt weist jede Windung mindestens zwei, insbesondere genau zwei, Biegeachsen auf, um welche das Blech oder Metallband gebogen ist. Das Biegen erfolgt im Schnitt gesehen bevorzugt derart, dass ein Richtungswechsel realisiert ist. Die Biegung erfolgt daher um mehr als 90°, bevorzugt um 180°. Jede der Biegungen ist in letzterem Fall im Schnitt gesehen im Wesentlichen U-förmig.
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Die Spule ist beispielsweise als Zahnspule ausgestaltet, weist also einen zahnförmigen Spulenkern auf, der von der Spulenwicklung umgriffen wird. Alternativ kann die Spulenwicklung jedoch als Teil einer verteilten Wicklung der elektrischen Maschine vorliegen. Hierzu sind die Windungen entsprechend anzupassen, insbesondere mit entsprechenden Anschlüssen zu versehen und/oder gegeneinander zu isolieren. Das Isolieren kann beispielsweise durch Beschichten beziehungsweise Lackieren erfolgen.
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Die Erfindung sieht vor, dass die Windung einen auf einer ersten Seite des Spulenkerns angeordneten und mit einer freien Kante in Richtung des Spulenkerns ragenden ersten Kontaktschenkel, einen auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Spulenkerns angeordneten und mit einer freien Kante in Richtung des Spulenkerns ragenden zweiten Kontaktschenkel sowie einen den ersten Kontaktschenkel und den zweiten Kontaktschenkel verbindenden Verbindungsschenkel aufweist. Jede Windung weist also die drei genannten Schenkel, nämlich die beiden Kontaktschenkel und den Verbindungsschenkel auf. Diese sind miteinander einstückig und materialeinheitlich ausgestaltet, wobei die Ausgestaltung durch das Biegen um die Biegeachsen aus dem Blech oder Metallband erfolgt.
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Die S-Form der Windung, welche im Schnitt gesehen stark gestaucht ist, wird erzielt, indem die freie Kante des ersten Kontaktschenkels in eine erste Richtung und die freie Kante des zweiten Kontaktschenkels in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung ragt. Dabei liegt der erste Kontaktschenkel auf der ersten Seite des Spulenkerns und der zweite Kontaktschenkel auf der zweiten Seite des Spulenkerns vor, sodass die Kontaktschenkel von dem Spulenkern im Schnitt gesehen voneinander separiert sind. Im Schnitt gesehen liegt der Verbindungsschenkel zwischen den beiden Kontaktschenkel vor. Das bedeutet, dass eine von den senkrecht aufeinander stehenden Richtungen, in welchen der Verbindungsschenkel seine größten Abmessungen aufweist, aufgespannte Ebene zwischen den beiden Kontaktschenkeln liegt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Verbindungsschenkel mit dem ersten Kontaktschenkel über eine erste Biegung des ersten Kontaktschenkels und mit dem zweiten Kontaktschenkel über eine zweite Biegung des zweiten Kontaktschenkels verbunden ist, wobei die erste Biegung und die zweite Biegung jeweils um eine der Biegeachsen gebogen sind. Die erste Biegung ist insoweit dem ersten Kontaktschenkel und die zweite Biegung dem zweiten Kontaktschenkel zugeordnet. Über die jeweilige Biegung ist der entsprechende Kontaktschenkel mit dem Verbindungsschenkel verbunden. Der Verbindungsschenkel liegt mithin zwischen den Biegungen und ist bevorzugt plan, insbesondere vollständig. Jede der Biegungen entsteht aufgrund einer Biegung des Blechs oder Metallbands um eine der voneinander beabstandeten und parallelen Biegeachsen.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Verbindungsschenkel eine randoffene oder randgeschlossene Spulenkernaufnahme für den Spulenkern ausgebildet ist. Vorstehend wurde bereits erläutert, dass die beiden Kontaktschenkel auf gegenüberliegenden Seiten des Spulenkerns angeordnet sein sollen. Sie nehmen insoweit den Spulenkern zwischen sich auf. Um ein Aufbringen der Spulenwicklung beziehungsweise Windung auf den Spulenkern zu ermöglichen, weist nun der die Kontaktschenkel miteinander verbindende Verbindungsschenkel die Spulenkernaufnahme auf. Diese kann entweder randoffen oder randgeschlossen in dem Verbindungsschenkel vorliegen. In ersterem Fall durchgreift die Spulenkernaufnahme wenigstens einen Rand des Verbindungsschenkels, während in letzterem Fall der Rand der Spulenkernaufnahme durchgehend geschlossen ist.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zur Bildung der Spulenwicklung mehrere Windungen aneinander anliegend angeordnet sind. Dies ist insbesondere der Fall, falls die Windung aus dem gebogenen Blech besteht, wobei jede Windung separat hergestellt wird. Nachfolgend werden die separaten Windungen zur Spulenwicklung zusammengefügt. Dabei werden sie derart angeordnet, dass sie aneinander anliegen. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Windungen lediglich derart aneinandergepresst werden, dass eine elektrische Verbindung zwischen ihnen vorliegt. Selbstverständlich kann es jedoch auch vorgesehen sein, die Windungen beispielsweise stoffschlüssig aneinander zu befestigen, insbesondere durch Löten oder dergleichen.
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Es ist beispielsweise vorgesehen, dass die erste Biegung einer der Windungen an der ersten Biegung einer benachbarten Windung anliegt. Zusätzlich oder alternativ kann die erste Windung jedoch auch an dem ersten Kontaktschenkel, dem zweiten Kontaktschenkel und/oder dem Verbindungsschenkel anliegen. Zusätzlich oder alternativ liegt die zweite Biegung einer der Windungen an der zweiten Biegung der anderen Windung an. Auch hier kann jedoch ein Anliegen an dem ersten Kontaktschenkel, dem zweiten Kontaktschenkel oder dem Verbindungsschenkel vorgesehen sein.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Kontaktschenkel im Bereich der ersten Biegung von dem Verbindungsschenkel zur Ausbildung eines Fluidkanals beabstandet angeordnet ist. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der zweite Kontaktschenkel im Bereich der zweiten Biegung von dem Verbindungsschenkel zur Ausbildung eines Fluidkanals beabstandet angeordnet ist. Durch die beiden Biegungen entstehen zwischen dem jeweiligen Kontaktschenkel und dem Verbindungsschenkel die Fluidkanäle. Diese können zur Kühlung der elektrischen Maschine beziehungsweise der Spule mit einem Kühlfluid beaufschlagt werden. Die Fluidkanäle liegen bevorzugt randgeschlossen vor. Hierzu sind die Kontaktschenkel derart ausgestaltet, dass sie unter Ausbildung der Fluidkanäle jeweils mit dem Verbindungsschenkel in Anlagekontakt treten, sodass der Fluidkanal im Schnitt gesehen vollständig von dem jeweiligen Kontaktschenkel und dem Verbindungsschenkel umgriffen ist.
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Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass der erste Kontaktschenkel sich in Richtung seiner freien Kante dem Verbindungsschenkel im Schnitt gesehen annähert, sodass zwischen der Windung und einer an der Windung anliegenden weiteren Windung ein weiterer Fluidkanal vorliegt. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der zweite Kontaktschenkel sich in Richtung seiner freien Kante dem Verbindungsschenkel im Schnitt gesehen annähert, sodass zwischen der Windung und einer an der Windung anliegenden weiteren Wicklung ein weiterer Fluidkanal vorliegt. Der jeweilige Kontaktschenkel verläuft also auf den Verbindungsschenkel zu, nämlich in Richtung seiner freien Kante. Besonders bevorzugt liegt er zumindest bereichsweise an dem Verbindungsschenkel an, sodass auf die vorstehend genannte Art und Weise der Fluidkanal im Schnitt gesehen umschlossen ist.
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Durch das Annähern des jeweiligen Kontaktschenkels an den Verbindungsschenkel stellt die erste Biegung (im Falle des ersten Kontaktschenkels) beziehungsweise die zweite Biegung (im Falle des zweiten Kontaktschenkels) eine Erhebung über die weiteren Bereiche der Windung beziehungsweise die Stelle mit den im Schnitt gesehen größten Abmessungen in einer Erstreckungsrichtung des Spulenkerns dar. Unter der Erstreckungsrichtung des Spulenkerns ist dabei insbesondere eine Höhe des Spulenkerns zu verstehen beziehungsweise eine Erstreckung des Spulenkerns in radialer Richtung bezüglich einer Drehachse des Rotors.
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Liegen mehrere Windungen aneinander an, so werden diese von den Biegungen voneinander beabstandet. Entsprechend liegt der weitere Fluidkanal vor, welcher einerseits von der Windung und andererseits von der weiteren Windung begrenzt wird. Beispielsweise wird der weitere Fluidkanal einerseits von dem ersten Kontaktschenkel oder dem zweiten Kontaktschenkel der Windung und andererseits von dem Verbindungsschenkel der weiteren Windung - im Schnitt gesehen - begrenzt.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mehrere Windungen gemeinsam von dem meanderförmigen Metallband gebildet sind. Besonders bevorzugt werden alle Windungen der Spulenwicklung gemeinsam von dem Metallband ausgebildet. Dieses wird hierzu zunächst bearbeitet und anschließend um die voneinander beabstandeten und parallelen Biegeachsen gebogen, wobei pro Windung wie bereits erläutert mehrere Biegeachsen vorgesehen sind.
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Das Bearbeiten des Metallbands vor dem Biegen kann beispielsweise trennend erfolgen, also beispielsweise durch Zerteilen, Spanen oder Abtragen. Unter das Zerteilen fällt beispielsweise Scherschneiden beziehungsweise Stanzen. Die spanende Bearbeitung kann beispielsweise durch Sägen erfolgen. Das Abtragen wiederum kann thermisch, chemisch oder elektrochemisch erfolgen, beispielsweise durch Erodieren, insbesondere Funkenerodieren, oder Laserschneiden. Das Funkenerodieren kann bevorzugt durch Drahterodieren durchgeführt werden.
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Es kann vorgesehen sein, das Metallband vor dem Bearbeiten zu beschichten, insbesondere zu lackieren, und mithin elektrisch zu isolieren. Nach dem Bearbeiten kann, muss jedoch nicht eine weitere Beschichtung beziehungsweise Lackierung vorgenommen werden. Üblicherweise ist die durch das Bearbeiten entstehende, nicht isolierte Oberfläche derart klein, dass das erneute Beschichten unterbleiben kann. In diesem Fall folgt unmittelbar auf das Bearbeiten das Biegen um die Biegeachsen.
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Das Bearbeiten kann derart vorgenommen werden, dass nach dem Biegen um die Biegeachsen der Fluidkanal und/oder der weitere Fluidkanal vorliegen. Während des Bearbeitens werden diese insoweit vorbereitet. Dies kann beispielsweise durch Trennen und/oder Umformen des Metallbands erfolgen, beispielsweise durch Stanzen oder Pressen. Auch das Einbringen einer Gravur ist möglich. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass vor dem Biegen zusätzliches Material auf das Metallband aufgetragen wird, sodass nach dem Biegen der Fluidkanal beziehungsweise der weitere Fluidkanal vorliegt.
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Es kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass die Windungen im Schnitt gesehen zumindest teilweise unterschiedlich breit sind. Bevorzugt verändert sich die Breite der Windungen in einer Richtung kontinuierlich, sodass beispielsweise jeweils zwei aufeinanderfolgende Windungen unterschiedliche Breiten aufweisen. Insbesondere erfolgt die Zunahme der Breite der Windungen über die Höhe der Spulenwicklung hinweg durchgehend, beispielsweise ausgehend von einem Fuß des Spulenkerns in Richtung eines Kopfs des Spulenkerns. Weil der Spulenkern üblicherweise bezüglich der Drehachse des Rotors in radialer Richtung nach außen ragt, wird auf diese Art und Weise eine optimale Platzausnutzung realisiert. Die unterschiedlichen Breiten der Windungen lassen sich besonders bevorzugt während des Bearbeitens des Metallbands auf einfache Art und Weise realisieren.
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Schließlich kann im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass in Umfangsrichtung bezüglich einer Längsmittelachse des Rotors oder des Stators neben der Spule eine weitere Spule angeordnet ist, wobei im Querschnitt gesehen zwischen der Spule und der weiteren Spule ein von den beiden Spulen beabstandetes Strömungsleitelement angeordnet ist. Die weitere Spule liegt unmittelbar benachbart zu der Spule vor, es ist also keine andere Spule zwischen der Spule und der weiteren Spule angeordnet. Wenigstens ein Teil des Raums zwischen der Spule und der weiteren Spule soll von Kühlfluid durchströmt werden, um die beiden Spulen zu kühlen.
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Um eine optimale Strömungsführung des Kühlfluids zwischen den Spulen zu erzielen, ist das Strömungsleitelement vorgesehen. Dieses ist im Querschnitt gesehen zwischen den beiden Spulen angeordnet und von beiden jeweils in Umfangsrichtung beabstandet, insbesondere in radialer Richtung zumindest abschnittsweise, besonders bevorzugt durchgehend. Beispielsweise ist der Abstand in Umfangsrichtung zwischen dem Strömungsleitelement und jeder der Spulen in radialer Richtung zumindest abschnittsweise, insbesondere durchgehend, konstant, sodass in radialer Richtung auf jeder Seite des Strömungsleitelements ein Fluidspalt mit konstanter oder zumindest im Wesentlichen konstanter Spaltbreite vorliegt.
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In Umfangsrichtung gesehen wird einer der Fluidspalte einerseits von dem Strömungsleitelement und andererseits von der Spule und ein anderer der Fluidspalte einerseits von dem Strömungsleitelement und andererseits von der weiteren Spule begrenzt. Es kann vorgesehen sein, dass die Fluidspalte jeweils in radialer Richtung innen von dem Strömungsleitelement und/oder in radialer Richtung außen von einem Joch des Rotors beziehungsweise Stators begrenzt sind.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Strömungsleitelement wenigstens einen über eine plane Fläche des Strömungsleitelements überstehenden Turbolator aufweist. Der Turbolator liegt in Form eines Vorsprungs vor, der von der planen Fläche des Strömungsleitelements ausgeht. Insbesondere ragt der Turbolator in einen der Fluidspalte hinein, verringert also die Spaltbreite des jeweiligen Fluidspalts bereichsweise. Der Turbolator dient dem Einbringen von Turbulenzen in das den Fluidspalt durchströmende Kühlfluid. Hierdurch wird der Wärmeübergang von der Spule beziehungsweise der weiteren Spule auf das Kühlfluid verbessert.
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Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass ein Haltevorsprung des Strömungsleitelements in eine Halteausnehmung eines den Spulenkern aufweisenden Jochs und/oder ein Haltevorsprung des Jochs in eine Halteausnehmung des Strömungsleitelements eingreifen/eingreift, oder dass das Strömungsleitelement Bestandteil des Jochs ist. Das Strömungsleitelement ist insoweit formschlüssig an dem Spulenkern befestigt. Besonders bevorzugt weist das Strömungsleitelement in radialer Richtung außen die Halteausnehmung auf, in welche der Haltevorsprung des Jochs eingreift. In radialer Richtung innen dagegen verfügt das Strömungsleitelement über einen Haltevorsprung, der in eine korrespondierende Halteausnehmung des Jochs eingreift. Somit ist das Strömungsleitelement zuverlässig in dem zwischen der Spule und der weiteren Spule vorliegenden Spalt gesichert. Selbstverständlich kann es auch vorgesehen sein, dass das Strömungsleitelement Bestandteil des Jochs ist, insoweit also einstückig und/oder materialeinheitlich mit diesem ausgestaltet ist.
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Schließlich kann es im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass ein Fuß des Strömungsleitelements in Umfangsrichtung die Spule und/oder die weitere Spule vollständig übergreift, insbesondere bis hin zu dem Spulenkern der jeweiligen Spule ragt. Der Fuß des Strömungsleitelements untergreift insoweit die Spule beziehungsweise die weitere Spule auf seiner in radialer Richtung innenliegenden Seite. Dabei kann es bis hin zu dem Spulenkern ragen und an diesem anliegen. Auf diese Art und Weise wird der Fluidspalt auch in radialer Richtung unterhalb der Spule beziehungsweise der entsprechenden Spulenwicklung begrenzt.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine, wobei das Verfahren die Merkmale des Anspruchs 7 aufweist.
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Auf die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung der elektrischen Maschine beziehungsweise einer derartigen Vorgehensweise wurde bereits hingewiesen. Sowohl das Verfahren als auch die elektrische Maschine können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Bereich einer elektrischen Maschine, nämlich durch eine Spule, die einen Spulenkern und eine Spulenwicklung aufweist,
- 2 eine schematische Darstellung eines Metallbands zur Herstellung der Spulenwicklung in einer ersten Ausführungsform,
- 3 eine schematische Darstellung des Metallbands in einer zweiten Ausführungsform,
- 4 einen Querschnitt durch einen Bereich der elektrischen Maschine, wobei zwischen zwei benachbarten Spulen ein Strömungsleitelement angeordnet ist, sowie
- 5 eine Detailansicht des Strömungsleitelements.
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Die 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Bereich einer elektrischen Maschine 1, die einen Stator 2 und einen hier nicht dargestellten Rotor aufweist. Der Rotor ist bezüglich des Stators 2 um eine Drehachse 3 drehbar gelagert. Der Stator 2 verfügt über wenigstens eine Spule 4, insbesondere über eine Vielzahl von gleichmäßig über seinen Umfang verteilten Spulen 4, von welchen hier lediglich eine einzige dargestellt ist. Die Spule 4 setzt sich grundsätzlich aus einem Spulenkern 5 sowie einer Spulenwicklung 6 zusammen. Der Spulenkern 5 weist beispielsweise im Bereich seines Fußes 7 eine Verdickung auf, mittels welcher er formschlüssig an einem hier nicht dargestellten Joch des Stators 2 befestigt werden kann. Bezüglich der Drehachse 3 ragt der Spulenkern 5 in radialer Richtung nach außen.
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Zur Kühlung des Stators 2 mittels eines Kühlfluids ist die Spule 4, vorzugsweise mitsamt des Jochs, in einem Strömungskanal 8 angeordnet, der in radialer Richtung innenseitig und in radialer Richtung außenseitig jeweils von einer Kanalwand 9 beziehungsweise 10 begrenzt ist. Die Kanalwände 9 und 10 verlaufen vorzugsweise in Umfangsrichtung durchgehend und schließen entsprechend durchgehend zwischen sich den Strömungskanal 8 ein. Der Strömungskanal 8 kann mit dem Kühlfluid beaufschlagt werden, welches bezüglich der Drehachse 3 in axialer Richtung strömt beziehungsweise dessen Hauptströmungsrichtung in axialer Richtung verläuft.
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Um eine besonders flexible Ausgestaltung der Spule 4 und eine hervorragende Kühlung zu realisieren, weist die Spulenwicklung 6 mehrere Windungen 11 auf, von welchen hier lediglich einige beispielhaft gekennzeichnet sind. Die Windungen bestehen jeweils aus einem im Querschnitt gesehen S-förmigen oder umgekehrt S-förmigen Blech 12, welches hierzu pro Windung 11 um zwei voneinander beabstandete und parallele Biegeachsen 13 und 14 gebogen ist. Durch das Biegen ergeben sich zwei Biegungen 15 und 16.
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Jede Windung 11 weist einen ersten Kontaktschenkel 17, einen zweiten Kontaktschenkel 18 sowie einen Verbindungsschenkel 19 auf. Diese sind nur für eine der Windungen 11 gekennzeichnet. Die Biegung 15 ist Bestandteil des ersten Kontaktschenkels 17, die Biegung 16 Bestandteil des zweiten Kontaktschenkels 18. Der Verbindungsschenkel 19 ist über die Biegung 15 mit dem ersten Kontaktschenkel 17 und über die Biegung 16 mit dem zweiten Kontaktschenkel 18 verbunden. Die Kontaktschenkel 17 und 18 sind im Querschnitt gesehen, also in Umfangsrichtung, auf gegenüberliegenden Seiten des Spulenkerns 5 angeordnet. Insbesondere weist jeder der Kontaktschenkel 17 und 18 eine freie Kante 20 beziehungsweise 21 auf, die in Richtung des Spulenkerns 5 ragt.
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Dabei kann der jeweilige Kontaktschenkel 17 beziehungsweise 18 mit der entsprechenden freien Kante 20 beziehungsweise 21 an dem Spulenkern 5 anliegen. Zur S-förmigen Ausgestaltung der Windung 11 liegen die Kontaktschenkel 17 und 18 in radialer Richtung gesehen auf gegenüberliegenden Seiten des Verbindungsschenkels 19 vor. Der Verbindungsschenkel 19 weist zudem eine Spulenkernaufnahme 22 auf, welche hier lediglich ansatzweise zu erkennen ist. Der Verbindungsschenkel 19 umgreift den Spulenkern 5 in axialer Richtung gesehen auf zumindest einer Seite.
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Das Blech 12 ist derart gebogen, dass im Bereich der Biegungen 15 und 16 zwischen dem jeweiligen Kontaktschenkel 17 beziehungsweise 18 und dem Verbindungsschenkel 19 ein Fluidkanal 23 beziehungsweise 24 ausgebildet ist. Es ist zudem zu erkennen, dass zur Bildung der Spulenwicklung 6 mehrere Windungen 11 aneinander anliegend angeordnet sind. Weil jedoch aufgrund der Biegungen 15 und 16 eine Art Verdickung der Windungen 11 ausgebildet ist, sind diese in radialer Richtung wenigstens bereichsweise voneinander beabstandet. Zwischen benachbarten Windungen 11 liegen daher weitere Fluidkanäle 25 und 26 vor. Bezogen auf eine der Windungen 11 liegt der Fluidkanal 25 beispielsweise in radialer Richtung außen und der Fluidkanal 26 in radialer Richtung innen von dieser Windung 11 vor.
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Vorstehend wurde bereits erläutert, dass üblicherweise eine Vielzahl von Spulen 4 in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind. Um den zur Verfügung stehenden Bauraum möglichst effizient zu nutzen, sollen die Windungen 11 im Querschnitt gesehen zumindest teilweise unterschiedlich breit sein. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt die Breite der Windungen 11 ausgehend von dem Fuß 7 des Spulenkerns 5 in Richtung eines Kopfs des Spulenkerns 5 kontinuierlich und gleichmäßig zu.
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Die 2 zeigt ein Metallband 27, aus welchem der Spulenkern 5 hergestellt werden kann. Während vorstehend lediglich auf das Blech 12 eingegangen wurde, aus welchem die Windungen 11 bestehen, sind die entsprechenden Ausführungen auch für das Metallband 27 heranzuziehen, sodass auf diese verwiesen wird. Das Metallband 27, dessen ursprüngliche Form hier lediglich angedeutet ist, wurde bearbeitet, um das Ausbilden der Spule 4, bestehend aus mehreren Windungen 11, durch das Biegen um die mehreren Biegeachsen 13 und 14 zu ermöglichen. Es ist leicht erkennbar, dass das Metallband 27 hierzu, beispielsweise durch Trennen, in eine meanderförmige Form gebracht wurde.
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Am Anfang und am Ende sind Anschlussfahnen 28 zur elektrischen Kontaktierung vorgesehen. Angedeutet sind ebenfalls die Kontaktschenkel 17 und 18 sowie der Verbindungsschenkel 19 einer der Windungen 11 sowie die für die Windung 11 zu realisierenden Biegeachsen 13 und 14. Wird das Metallband 27 um die Biegeachsen 13 und 14 für jede der Windungen 11 gebogen, so ergibt sich erneut der im Querschnitt gesehen S-förmige beziehungsweise meanderförmige Verlauf, analog zu der vorstehenden Beschreibung.
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Die 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Metallbands 27. Es wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Es ist deutlich erkennbar, dass eine kontinuierliche Abmessungsveränderung vorliegt. Auf diese Art und Weise lässt sich einfach die vorstehend beschriebene Zunahme der Breite der Windungen 11 realisieren.
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Die 4 zeigt erneut einen Querschnitt durch die elektrische Maschine 1. Erkennbar ist ein Joch 29, an welchem die Spule 4 sowie eine weitere Spule 30 angeordnet sind. Insbesondere geht der Spulenkern 5 sowie ein Spulenkern 31 der Spule 30 von dem Joch 29 aus. Die Spulenwicklung 6 sowie eine Spulenwicklung 32 der Spule 30 sind ebenfalls angedeutet. Es ist erkennbar, dass der Abstand in Umfangsrichtung zwischen den Spulen 4 und 30 beziehungsweise ihren Spulenwicklungen 6 und 32 in radialer Richtung nach außen zunimmt.
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Um eine effiziente Kühlung der Spulen 4 und 30 zu erzielen, ist im Querschnitt gesehen zwischen den Spulen 4 und 30 ein Strömungsleitelement 33 angeordnet. Dieses begrenzt in Umfangsrichtung auf einer Seite einen ersten Fluidspalt 34 und auf der anderen Seite einen zweiten Fluidspalt 35. Der Fluidspalt 34 wird in Umfangsrichtung auf seiner dem Strömungsleitelement 33 abgewandten Seite von der Spule 4 beziehungsweise ihrer Spulenwicklung 6 und der Fluidspalt 35 auf seiner dem Strömungsleitelement 33 abgewandten Seite von der Spule 30 beziehungsweise der Spulenwicklung 32 begrenzt. In radialer Richtung nach innen werden beide Fluidspalte 34 und 35 von dem Strömungsleitelement 33 und in radialer Richtung nach außen von dem Joch 29 begrenzt.
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Das Strömungsleitelement 33 ist bevorzugt formschlüssig befestigt. Hierzu weist es beispielsweise eine Halteausnehmung 36 und einen Haltevorsprung 37 auf, wobei in die Halteausnehmung 36 ein korrespondierender Haltevorsprung des Jochs eingreift und der Haltevorsprung 37 in eine Halteausnehmung 39 des Jochs 29 hineinragt. Die Halteausnehmungen 36 und 39 beziehungsweise die Haltevorsprünge 37 und 38 sind bevorzugt jeweils schwalbenschwanzartig ausgestaltet.
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Um den Wärmeübergang von den Spulen 4 und 30 auf ein Kühlfluid 40 zu verbessern, ragt in wenigstens einen der Fluidspalte 34 und 35 ein Turbulator 41 hinein. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedem Fluidspalt 34 und 35 wenigstens ein Turbulator 41 zugeordnet. Die Turbulatoren 41 stehen jeweils über eine plane Fläche 42 des Strömungsleitelements 33 über.
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Die 5 zeigt eine Detaildarstellung des Strömungsleitelements 33. Es ist erkennbar, dass mehrere Turbulatoren 41 unterschiedlicher Ausrichtung über die Fläche 42 überstehen. Beispielsweise sind die Turbulatoren 41 teilzylinderförmig, insbesondere teilkreiszylinderförmig.
