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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, beispielsweise für ein Schienenfahrzeug und ein Schienenfahrzeug.
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Statorwicklungen einer elektrischen Maschine können innerhalb eines Wickelkopfs verschalten sein. Dabei können Spulenenden innerhalb des Wickelkopfs zu einem Sternpunkt zusammengefasst sein, während entgegensetzten Spulenenden zu mehrphasigen Anschlussterminals geführt sein können.
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Vor diesem Hintergrund wird mit dem hier vorgestellten Ansatz eine elektrische Maschine und ein Schienenfahrzeug, das diese Maschine verwendet, gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird der Wickelkopf von Statorwicklungen ausgedünnt, indem elektrische Anschlüsse und Verschaltungen im Bereich eines Lagerschilds der elektrischen Maschine angeordnet sind. Dadurch kann der Wickelkopf kleiner ausgeführt werden und eine Kühlung des Wickelkopfs verbessert werden. Bauraum, der bei einer herkömmlichen Maschine ungenutzt bleibt, wird bei dem hier vorgestellten Ansatz genutzt.
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Es wird eine elektrische Maschine vorgestellt, wobei die Maschine einen Sternpunktbus zum Ausbilden eines Sternpunkts der Maschine aufweist, wobei der Sternpunktbus elektrisch isoliert an einem Lagerschild der Maschine angeordnet ist und zum Sternpunkt führende Spulenenden von Statorwicklungen der Maschine elektrisch leitend direkt mit dem Sternpunktbus verbunden sind.
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Unter einer elektrischen Maschine kann ein Elektromotor oder ein Generator verstanden werden. Die elektrische Maschine kann motorisch und generatorisch betrieben werden. Unter einem Sternpunktbus kann ein Stromsammler verstanden werden, über den elektrische Ladungen zwischen den einzelnen Spulen des Stators der Maschine fließen können. Die Spulen können aus mehreren Spulenwicklungen zusammengesetzt sein. Ein Spulenende kann ein Anfang beziehungsweise ein Ende einer Spulenwicklung sein. Ein Lagerschild kann einen Deckel eines Gehäuses der Maschine darstellen. Das Lagerschild kann ausgeformt sein, um ein Lager eines Wellenendes eines Ankers der Maschine aufzunehmen. Die elektrische Maschine kann beispielsweise für einen Antrieb eines Schienenfahrzeugs eingesetzt werden. Alternativ kann die elektrische Maschine auch in anderen Anwendungsgebieten eingesetzt werden.
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Der Sternpunktbus kann als geschlossener Ring ausgeführt sein. Dadurch kann ein Ausgleichsstrom im Ring gleichmäßig fließen.
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Der Ring kann konzentrisch zu einer Rotationsachse der Maschine ausgerichtet sein. Dadurch können die Spulenenden gleich lang ausgeführt sein.
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Der Sternpunktbus kann mit einer Stirnseite des Lagerschilds verbunden sein. Im Bereich des Lagerschilds ist Bauraum verfügbar, der durch den Sternpunktbus vorteilhaft genutzt wird.
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Die Spulenenden können über gekrimpte Endschuhe mit dem Sternpunktbus verbunden sein. Endschuhe sorgen für eine sichere elektrisch leitende Verbindung. Die Endschuhe können mehrere Drähte an einem Kontaktpunkt zusammenfassen.
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Der Sternpunktbus kann als Stromschiene ausgeführt sein und einen größeren Leitungsquerschnitt aufweisen, als die Spulenenden. Der Sternpunktbus kann einen geringen elektrischen Widerstand aufweisen. Durch einen großen Leitungsquerschnitt wird eine geringe Erwärmung im Betrieb erreicht. Der Sterpunktbus kann aus Kupfer gefertigt sein.
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Ausführungskabel für die Statorwicklungen können im Wesentlichen radial durch den Lagerschild geführt sein. Verbindungsstellen zwischen den Ausführungskabeln und Spulenenden der Statorwicklungen können im Bereich des Lagerschilds angeordnet sein. Im Bereich des Lagerschilds ist Bauraum verfügbar, der durch die Ausführungskabel und Verbindungsstellen vorteilhaft genutzt wird.
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Eine Befestigungseinrichtung für die Ausführungskabel kann mit dem Lagerschild verbunden sein. Die Befestigungseinrichtung kann eine Zugentlastung für die Verbindungsstellen und Spulenenden bereitstellen.
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Die Befestigungseinrichtung kann auf einer Innenseite des Lagerschilds angeordnet sein. Im Bereich des Lagerschilds ist Bauraum verfügbar, der durch die Befestigungseinrichtung vorteilhaft genutzt wird.
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Eine Verbrennungskraftmaschine kann mit der elektrischen Maschine gekoppelt sein. Die elektrische Maschine kann als Traktionsgenerator verwendet werden. Somit kann eine Maschinenvorrichtung eine Verbrennungskraftmaschine und eine genannte elektrische Maschine aufweisen, wobei die elektrische Maschine mit der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt ist und als Traktionsgenerator verwendet wird.
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Weiterhin wird ein Fahrzeug, beispielsweise ein Schienenfahrzeug mit einer elektrischen Maschine oder einer Maschinenvorrichtung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt
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1 ein Blockschaltbild eines Schienenfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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2 eine Teilschnittdarstellung einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Schienenfahrzeugs 100 mit einer elektrischen Maschine 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die elektrische Maschine 102 ist hier beispielhaft als Traktionsgenerator 102 mit einer Verbrennungskraftmaschine 104 gekoppelt. Beispielsweise ist die Verbrennungskraftmaschine 104 ein Dieselmotor 104, wodurch das Schienenfahrzeug 100 ein dieselelektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug 100 ist. Der Traktionsgenerator 102 wandelt mechanische Energie in elektrische Energie. Die elektrische Energie wird über eine Steuerelektronik 106 an Antriebsmotoren 108 des Schienenfahrzeugs 100 weitergeleitet. Die Antriebsmotoren 108 wandeln die elektrische Energie wieder in mechanische Energie um. Die Antriebsmotoren 108 treiben Antriebsräder 110 des Schienenfahrzeugs 100 an.
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Der Traktionsgenerator 102, die Steuerelektronik 106 und die Antriebsmotoren 108 ersetzen dabei ein mechanisches Getriebe. Die Verbrennungskraftmaschine 104 kann in einem optimalen Arbeitsbereich betrieben werden, während die Steuerelektronik 106 die Antriebsmotoren 108 entsprechend den Anforderungen des Fahrbetriebs betreibt.
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Auch wenn die elektrische Maschine 102 hier im Zusammenhang mit einem Schienenfahrzeug 100 beschrieben ist, kann die elektrische Maschine 102 auch für andere Anwendungsgebiete verwendet werden.
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2 zeigt eine Teilschnittdarstellung einer elektrischen Maschine 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die elektrische Maschine 102 entspricht im Wesentlichen der elektrischen Maschine in 1. Die elektrische Maschine 102 weist ein Gehäuse 200, ein drehfest mit dem Gehäuse 200 verbundenes Statorpaket 202 und ein drehbar in einem Lagerschild 204 gelagertes Rotorpaket 206 auf. Das Gehäuse 200 ist im Wesentlichen hohlzylindrisch. Der Lagerschild 204 ist im Wesentlichen kreisrund und axial mit dem Gehäuse 200 verbunden. Eine Lagerstelle im Lagerschild 204 und eine Drehachse des Rotorpakets 206 sind hier nicht abgebildet.
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Das Statorpaket 202 weist elektrisch leitende Spulen auf, die in Nuten des Statorpakets 202 angeordnet sind. Ein Wickelkopf 208 der Spulen steht axial über das Statorpaket 202 über. Der Wickelkopf 208 besteht aus im Wesentlichen tangential verlaufenden Teilstücken der Spulen zwischen je zwei Nuten. Spulenenden 210, 212 der Spulen sind aus dem Wickelkopf 208 heraus geführt. Der Wickelkopf 208 ist im Wesentlichen innerhalb des Gehäuses 200 angeordnet.
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Die ersten Spulenenden 210 sind direkt mit einem Sternpunktbus 214 elektrisch leitend verbunden. Der Sternpunktbus 214 ist ein massiver Kupferring. Der Sternpunktbus 214 verbindet die ersten Drahtspulenenden 210 aller Spulen elektrisch leitend miteinander zu einem gemeinsamen Sternpunkt 216. Der Sternpunktbus 214 ist elektrisch isoliert an dem Lagerschild 204 befestigt. Hier ist der Sternpunktbus 214 mit Isolierkörpern 218 aus Isolationsmaterial verschraubt, die auf einer Innenseite einer Stirnfläche 220 des Lagerschilds 204 verschraubt sind.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Sternpunktbus 214 als Stromschiene mit rechteckigem Querschnitt ausgeführt. Der Sternpunktbus 214 ist als geschlossener Kreisring konzentrisch zu der Rotationsachse des Rotorpakets 206 angeordnet.
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Die zweiten Spulenenden 212 sind jeweils mit einem von drei Ausführungskabeln 222 elektrisch leitend verbunden. Die Ausführungskabel 222 sind dabei je einer elektrischen Phase einer nicht dargestellten Anschlussleitung zuordenbar. Die Ausführungskabel 222 sind im Wesentlichen radial im Lagerschild 204 angeordnet. Eine Befestigungseinrichtung 224 für die Ausführungskabel 222 ist auf der Innenseite des Lagerschilds 204 angeordnet.
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Die Spulenenden 210, 212 sind über gekrimpte oder gequetschte Verbindungselemente 226, 228 beziehungsweise Verbindungsstellen 226, 228 mit dem Sternpunktbus 214 beziehungsweise den Ausführungskabeln 222 verbunden. Die ersten Verbindungselemente 226 sind als Endschuhe ausgeführt und mit dem Sternpunktbus 214 verschraubt. Die ersten Verbindungselemente 226 können als aufgepresste Kabelschuhe 226 ausgeführt sein. Die zweiten Verbindungselemente 228 sind als Quetschverbinder beziehungsweise Crimpverbinder ausgeführt und verbinden die zweiten Spulenenden 212 im Bereich des Lagerschilds 204 mit den Adern der Ausführungskabel 222.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die Spulenenden 210, 212 als Bündel von Einzeldrähten ausgeführt. Dabei sind mehrere Einzeldrähte zusammen mit einem der Verbindungselemente 226, 228 verbunden.
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Mit anderen Worten zeigt 2 eine Kabelausführung 222 und Sternpunktverschaltung 216 für Generatoren 102 und Motoren 102. Die Sternpunktverschaltung 216 ist so ausgeführt, dass die Krimpstellen 226, 228 außerhalb des Wickelkopfs 208 angeordnet sind. Die Verschaltung erfolgt extern und die Ausführungen 222 sind Kabel. Der hier vorgestellte Ansatz kann insbesondere für Traktionsgeneratoren 102 mit niedriger Ausgangsspannung und sehr hohen Strömen verwendet werden.
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Bei Traktionsgeneratoren 102, die in Bahnanwendungen zum Einsatz kommen, resultiert ein großer Spulenquerschnitt aufgrund des niedrigen Spannungsniveaus. Der große Spulenquerschnitt ist auf eine Vielzahl von Leitern 210, 212 aufgeteilt. Die Leiter 210, 212 sind bei dem hier vorgestellten Ansatz aus dem Wickelkopf 208 ausgeführt und extern verschaltet. Durch den Entfall dieser Vielzahl, bei der verwendeten Runddrahtwicklung mittels Krimpen verbundenen großen Leiterquerschnitte im Wickelkopf 208, wird der Wickelkopfausbau in axialer und radialer Richtung verkleinert und der Wickelkopf 208 aufgelockert. Dadurch wird der Platzbedarf in diesem Bereich deutlich verringert und die Kühlung des Wickelkopfs 208 durch Verbesserung der Luftströmungen in diesem Bereich verbessert.
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Bei Generatoren 102 dieser Größenordnung können auch Formspulen auf Basis von Röbelstäben eingesetzt werden. Bei verlöteten Formspulen ist der Wickelkopf 208 fertigungsbedingt grobmaschig aufgebaut aber der Wickelkopfausbau ist deutlich größer als bei der hier gezeigten Runddrahtwicklung, die einen kompakteren Wickelkopfaufbau ermöglicht.
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Durch den hier vorgestellten Ansatz kann ein kürzerer Generator 102 mit einer verbesserten Kühlung im Bereich des Wickelkopfs 208 erreicht werden. Der vorgestellte Generator 102 erreicht damit eine höhere Leistungsdichte. Zusätzlich wird der Bauraum im Lagerschild 204 genützt. Dafür sind die notwendigen Verschaltungen des Sternpunkts 216 und der Ausführungskabel 222 außerhalb des Wickelkopfs 208 angeordnet, wodurch der Wickelkopf 208 kompakter und gleichzeitig luftdurchlässiger ist.
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Ein großer Kupferring 214 ist im Lagerschild 204 befestigt. Auf dem Kupferring 214 sind die einzelnen Runddrahtspulenenden 210 ohne zusätzliche Kabel zur Bildung eines gemeinsamen Sternpunkts 216 durch gekrimpte Kabelschuhe 226 direkt befestigt. Die Verbindungsstellen 228 der Ausführungskabel 222 sind im Lagerschild 204 untergebracht und die Ausführungskabel 222 am Lagerschild 204 innen zusätzlich befestigt.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ -Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
