DE102016123068A1

DE102016123068A1 - Rotierende elektrische Maschine und besonders angepasstes Verfahren zum Herstellen einer solchen

Info

Publication number: DE102016123068A1
Application number: DE102016123068.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Malte Jaensch
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2018-05-30
Also published as: JP2018093715A; CN108123564B; US20180152067A1; JP6577993B2; US10622858B2; CN108123564A

Abstract

Die Erfindung stellt eine rotierende elektrische Maschine (10) mit den folgenden Merkmalen bereit: die elektrische Maschine (10) umfasst ein Rotoreisen (11), ein Statoreisen (12) und Leiterstäbe (17); ein Luftspalt (13) trennt das Rotoreisen (11) von dem Statoreisen (12); das Statoreisen (12) weist eine Nut (14) auf; die Leiterstäbe (17) verlaufen in der Nut (14); die Leiterstäbe (17) weisen in einem ersten Segment ein erstes Profil auf, die Leiterstäbe (17) weisen in einem zweiten Segment ein zweites Profil auf; und das erste Profil unterscheidet sich von dem zweiten Profil.Die Erfindung stellt ferner ein zur Herstellung einer elektrischen Maschine angepasstes Verfahren bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein zur Herstellung einer elektrischen Maschine angepasstes Verfahren.
Stand der Technik
Im Elektromaschinenbau wird unter dem Sammelbegriff der Spulenwickeltechnik jedwede Art und Methode des Aufwickelns elektrischer Leiter zu einer Spule verstanden. Als „Spulen“ sind hierbei nicht nur separate induktive passive Bauelemente zu verstehen; vielmehr erfasst der Begriff im vorliegenden Zusammenhang sämtliche Wicklungen und Wickelgüter, die geeignet sind, ein Magnetfeld zu erzeugen oder zu detektieren. Die Wicklungen von Aktoren, insbesondere des Stators und Rotors einer rotierenden elektrischen Maschine, werden in diesem weiteren Wortsinn nachfolgend ebenfalls als Spulen bezeichnet.
Die Wickeltechnik bestimmt somit wesentlich die Eigenschaften von wicklungsbehafteten, elektromechanischen Baugruppen. Dazu gehören die Isolationsfestigkeit, der Gütefaktor, die für eine bestimmte Leistung oder Magnetkraft erforderliche Größe oder auch das magnetische Streufeld. Weil die Anforderungen an die Energieeffizienz nach dem Stand der Technik stark zunehmen, wachsen insbesondere die Ansprüche an die Entwicklung von Bauteilen für elektromechanische Baugruppen wie Elektromotoren.
Wicklungen in Statoren und/oder in Rotoren erfolgen üblicherweise vor allem mit vergleichsweise dünnen - typisch sind bis zu 2 mm Durchmesser - Einzeldrähten, die manuell oder von entsprechenden Wickel- und Einziehautomaten in die Öffnungen des Stator- oder Rotoreisens (Nuten) eingebracht werden. Es ist bekannt, statt Einzeldrähten Stäbe in die Nuten einzubringen, diese Einzelstäbe zu formen und anschließend an den Enden zu einer kontinuierlichen Wicklung zu verbinden, beispielsweise zu verschweißen. Da nach dem Stand der Technik hierzu vor allem kurze U-oder V-förmige Einzelsegmente verwendet werden, die an Haarnadeln erinnern, werden derartige Stabwicklungen in Fachkreisen mitunter als Haarnadelleiter (hairpin conductors) bezeichnet.
Stabwicklungen bieten diverse Vorteile gegenüber Einzeldrahtwicklungen: Während Einzeldrahtwicklungen bei der Fertigung trotz hohen Automatisierungsgrades noch immer diverse manuelle Schritte erfordern, lassen sich Stabwicklungen vollautomatisch produzieren. Die Stäbe haben dabei üblicherweise einen rechteckigen Querschnitt und sind in gleichen Querschnitten in der Nut segmentiert. Stabwicklungen erlauben so eine bessere Ausnutzung der Nuten als Einzeldrähte, die auch bei dichter Packung Leerräume zurücklassen und wesentlichen Platzverlust durch Isolationsbeschichtung verursachen. Durch die höhere Füllung der Nuten mit Kupfer (der sog. Kupferfüllfaktor) lassen sich höhere Maschinenleistungen auf kleinerem Bauraum erreichen. Während bei Einzeldrähten Füllfaktoren von 30 % bis 50 % üblich sind, lassen sich mit Stabwicklungen gar mehr als 80 % erreichen. Durch die wohldefinierte Oberfläche und die größeren Abmessungen der Haarnadel- oder Stableiter ist eine verlässlichere Isolierung sowohl zwischen den Stäben als auch zwischen Stäben und Eisen möglich. Die Degradation der Isolierung ist einer der bedeutendsten Alterungsmechanismen und zentral für die Lebensdauer von elektrischen Maschinen. Bei U-förmigen Segmenten lassen sich die Einzelsegmente bei der Fertigung von der Stirnseite in die Nuten einschieben, wodurch zum Luftspalt hin geschlossene und halboffene Nuten realisierbar sind, die bei Einzeldrahtwicklungen mit kontinuierlichem Draht schwer oder gar nicht möglich sind, wie US Patent No. 8,330,318 verdeutlicht. Wird die elektrische Maschine mit einer Stabwicklung in hohen Drehzahlbereichen betrieben, erhöhen sich die Verluste der elektrischen Maschine aufgrund von Hochfrequenzeffekten.
In JP 2011 147 312 A wird eine Statorwicklung einer elektrischen Maschine beschrieben, wobei innerhalb der Nuten verschiedene Wicklungsquerschnitte vorgesehen sind. Dabei liegen die Wicklungen mit kleinerem Querschnitt vorzugsweise weiter innen als die Wicklungen mit höherem Querschnitt.
In US 2004 0207 284 A1 wird eine elektrische Maschine mit einer Statorwicklung aus radial angeordneten Leitersegmenten mit rechteckigem Querschnitt beschrieben.
In US 2012 0025 660 A1 wird eine elektrische Maschine mit einer Statorwicklung mit einer Vielzahl an Windungen mit rechteckigem Querschnitt beschrieben. Jede Windung besteht dabei aus zwei Abschnitten, wobei der innere Abschnitt einer Windung mit einem äußeren Abschnitt einer Windung in einer nicht angrenzenden Nut verbunden ist.
In US 2012 0274 172 A1 wird eine elektrische Maschine mit einer Statorwicklung aus einer Vielzahl an Leitungsbündeln beschrieben, wobei der Querschnitt der Leitungsbündel flexibel ist. Die Leitungsbündel sind dabei so angeordnet, dass sich benachbarte Leitungsbündel berühren.
In US 2015 0311 757 A1 wird eine elektrische Maschine mit einer Statorwicklung aus einer Vielzahl an Spulenleitern beschrieben. Dabei können die Spulenleiter verschiedene, insbesondere auch gewölbte Querschnitte aufweisen.
In US 2016 0013 692 A1 wird ein Stator für eine elektrische Maschine mit einer Vielzahl an Windungen beschrieben, welche radial angeordnet sind und deren Querschnitt sich abhängig ihrer Position ändert.
US 5 801 471 A und US 6 252 327 B1 zeigen weiteren Stand der Technik zu Statorwicklungen für elektrische Maschinen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine rotierende elektrische Maschine sowie ein zur Herstellung einer elektrischen Maschine angepasstes Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Die Erfindung erkennt, dass Stabwicklungen mit massiven i. d. R. rechteckigen Leitersegmenten in zentralen Kennzahlen deutliche Vorteile gegenüber konventionellen Einzeldrahtwicklungen bieten, insbesondere bei mittleren Drehzahlen von beispielsweise 500 U/min. Bei hohen Drehzahlen von beispielsweise 15.000 U/min zeigen sich jedoch Nachteile dieser Technologie, deren Erkenntnis auch dieser Erfindung zugrunde liegt und die nachfolgend beschrieben werden.
So weisen Stabwicklungen ein zentrales Problem auf: Intuitiv ließe sich annehmen, der höhere erreichbare Nutfüllfaktor würde einen geringeren Wicklungswiderstand und somit geringere Verluste ermöglichen. Dies gilt jedoch nur bei Gleichstrom. Bei höheren Frequenzen, wie sie in einer drehenden Maschine üblich sind, steigen die Verluste dagegen sogar. Obwohl Stabwicklungen bei niedrigen Drehzahlen Einzeldrahtwicklungen hinsichtlich ihrer Effizienz meist deutlich überlegen sind, steigen die Verluste somit bei hohen Drehzahlen meist stark an.
Hintergrund dieser Erscheinung sind Hochfrequenzeffekte aufgrund der mit der Drehzahl steigenden Frequenz sowohl des die Leiter in der Nut durchsetzenden Drehfeldes als auch des meist sinusförmigen Steuerstromes, der selbst ein magnetisches Feld um sich herum verursacht.
Es bestehen zwei Ursachen, die mit der Drehzahl steigende Verluste verursachen (näherungsweise quadratisch zunehmend): Eine erste Ursache liegt in sogenannten Skin- und Proximity-Effekten, die vor allem den effektiven Widerstand der Leiter erhöhen und dadurch indirekt höhere Verluste erzeugen, da der Strom einen höheren Widerstand überbrücken muss. Als zweiter Störfaktor erweisen sich Wirbelströme in benachbarten Leitern, die direkt erhöhte Verluste verursachen. Ein Ziel der Erfindung ist es, diese Verluste bei hohen Drehzahlen auf Kosten höherer Verluste bei niedrigen Drehzahlen zu vermindern.
Die Erfindung fußt auf der weiteren Erkenntnis, dass die magnetischen Felder nahe der Nutöffnung am größten ausfallen. Entsprechend sind dort auch die beiden genannten Effekte am stärksten. Grund hierfür sind sowohl die in die offene Nut einstreuenden Felder der vorbeilaufenden Rotorpole als auch die magnetischen Felder der Wicklung selbst, die aufgrund des Luftspaltes und dessen geringer Permeabilität nicht mehr vollständig aus der Nut ferngehalten und im Eisen konzentriert werden können, sondern bereits vorher vorzugsweise quer durch die Nut verlaufen. Insbesondere Wirbelströme führen zu einer mit zunehmender Nähe zur Nutöffnung ansteigenden Stromdichte durch zusätzliche Ströme. Die Wirbelströme verlaufen senkrecht zu den erzeugenden magnetischen Wechselfeldern, bilden zumeist lokale Ringströme ähnlich Wirbeln in einem Fluss und addieren sich zum gewöhnlichen Wicklungsstrom. Die Wirbelströme mögen hinsichtlich ihrer Amplitude deutlich kleiner als der gewollte und von außen eingeprägte Wicklungsstrom sein. Da die Ohmschen Verluste allerdings quadratisch mit der Stromdichte steigen, wirkt sich jeder zusätzliche Strom überproportional auf die Verluste aus. Die Wirbelstromverluste steigen somit in der Regel mindestens quadratisch mit der Frequenz (und somit der Drehzahl) und der Stromstärke (und somit dem Drehmoment der Maschine) an.
Unabhängig von den Wirbelströmen wirken zusätzlich die oben genannten Verschiebungseffekte (Skin- und Proximity-Effekt), die den Gesamtstrom im Querschnitt so verschieben, dass er dem eigenen Magnetfeld gleichsam ausweicht. Dies kann ebenfalls als Minimierung der Gesamtmagnetfeldenergie bzw. als Vermeidung hoher Induktivitäten jedes Teilstromes und damit Ausbildung des geringsten komplexen Widerstandes gesehen werden. Durch die Stromkonzentration in Querschnitt führt dies effektiv zu einer reellen Widerstandserhöhung und folglich höheren Verlusten. Die Verschiebung des Wicklungsstromes findet auch hier in der Regel im Querschnitt hin zum Luftspalt statt. Im Ergebnis steigen die Verluste und die Abwärme nahe des Luftspaltes lokal ungewöhnlich stark an.
Die den genannten Verlusten zugrundeliegenden Hochfrequenzeffekte steigen insbesondere mit dem Leiterquerschnitt in den Nuten an. Somit ergibt sich das Dilemma, dass eine Erhöhung des Querschnittes, die intuitiv zur Verringerung des Widerstandes gedacht ist, bei hohen Drehzahlen eine nachteilige Wirkung zeitigt.
Bekannte Gegenmaßnahmen nach dem Stand der Technik wie die Verwendung von Haarnadelleitern mit komplizierter Oberflächenstruktur, das Freilassen eines erheblichen Teils der Nut nahe des Luftspaltes, wo hohe magnetische Felddichten auftreten oder ein teilweises Schließen der Nutöffnung zur Verdrängung von Streufeldern aus der Nut in den entstehenden teilweisen Eisenpfad bergen die enormen Nachteile eines steigenden Verhältnisses von Gesamtoberfläche zu Gesamtquerschnitt aller Leiter einer Nut, zusätzlichen Leerraumes und somit fallenden Nutfüllfaktors. Diese Maßnahmen verkennen die Ursache der zusätzlichen Verluste. So führen vielmehr elektromagnetische Felder mit mehreren Quellen sowohl zum höheren Widerstand als auch den Wirbelstromverlusten: Das Rotorfeld der an der Nut vorbeirotierenden Rotorpole streut in die Nut hinein. Dieser Effekt lässt sich durch teilweises Schließen der Nutöffnung zumindest verringern. In der Regel treten diese Streufelder in der Nut mit einem hohen magnetischen Drehfeldanteil auf. Das Feld des Wechselstromes der Leiter in der Nut selbst ist an obigen Verlusten beteiligt. Jedes Leitersegment beeinflusst sowohl den Stromfluss in sich selbst und in allen anderen Leitersegmenten in der Nut. In diesem magnetischen Feldanteil dominiert, sofern nicht Leiter mehrerer Phasen mit komplizierterer räumlicher Verteilung in der Nut verwendet werden, gewöhnlich ein unidirektionaler Wechselfeldanteil.
Drehfelder unterscheidet von Wechselfeldern insofern, dass ihr Verlauf nicht konstant ist und somit auch die induzierte Strombahn nicht zeitlich konstant ist wie bei Wechselfeldern. Allerdings lassen sich Drehfelder stets durch mehrere zueinander senkrecht stehende Wechselfelder im Allgemeinen unterschiedlicher Frequenz und/oder Phase beschreiben. Insbesondere ist die Wirkung der beiden Felder nicht in allen Leitern einer Nut identisch. In der Regel treten bei beiden Feldanteilen die größten Feldstärken nahe der Nutöffnung auf, während sie am Nutgrund nahezu verschwinden. Somit liegen nahe der Nutöffnung sowohl der effektive Widerstand als auch die Hochfrequenzverluste am höchsten. Der Grund für diese Verlustkonzentration ist in erster Linie im Luftspalt, in geringerem Ausmaß auch im Rotorfeld zu sehen.
Für zwei alternative Pfade i und j durch denselben Leiter mit nicht vernachlässigbar großem Querschnitt gilt somit beispielsweise Z_i ≠ Z_j. Für zwei Leitersegmente in einer Nut, die elektrisch parallelgeschaltet sind, wird der Strom hierdurch in jenen mit dem niedrigeren Widerstand verdrängt. Bei elektrisch paralleler Verschaltung mag zwar ein Segment für den Strom einen sehr niedrigen Widerstand aufweisen, der vom anschließenden hochohmigen Segment aber mehr als überkompensiert wird. Somit ist in beiden Fällen der Gesamtwiderstand höher als jener, der sich bei einer gleichmäßigen Stromverteilung ergäbe. Für Wirbelströme lässt sich eine analoge Argumentation im Hinblick auf die induzierten Stromschleifen führen. Die Erfindung erkennt somit, dass eine gleichmäßigere Stromverteilung zu erzwingen vorteilhaft ist. Während dies am Nutgrund aufgrund der niedrigen Feldstärken in der Regel nicht nötig ist, sollte eine erfindungsgemäße Maßnahme vor allem in der Nähe des Luftspaltes ansetzen.
Die Erfindung besteht darin, die Form der Leiter im Querschnitt abhängig von der Lage in einer Nut zu gestalten. Da sich insbesondere bei Wechselfeldern die induzierten elektrischen Feld- und Stromverläufe im eigenen Leiter und benachbarten Leitern einer Nut exakt vorhersagen lassen, können Leiter so segmentiert werden, dass sie eine Minimierung der Verlustleistung begünstigen. Da induziertes elektrisches Feld und zugehöriger Stromverlauf stets senkrecht zu den magnetischen Feldlinien stehen, unterbricht eine optimale Segmentierung eben jenen Feld- und/oder Strompfad. Die Trennlinien zwischen zwei Leitern und folglich deren Oberfläche folgt erfindungsgemäß somit möglichst dem Verlauf der magnetischen Feldlinien.
Die Formung der elektrischen Leiter einer Nut gemäß der lokalen magnetischen Feldbedingungen beinhaltet zwei Aspekte. Mit zunehmender Stärke des magnetischen Feldes (oft dargestellt durch die Dichte der Feldlinien) sollte die Ausdehnung der Segmente im Nutquerschnitt senkrecht zu den magnetischen Feldlinien abnehmen, um den Stromfluss und Feldaufbau zu unterbinden. Die Form der Leiter sollte in horizontaler Richtung den Feldlinien folgen und somit von möglichst geringem Feld durchströmt werden. Da erfindungsgemäß segmentierte Leiter Verwendung finden, können dedizierte Segmente entsprechend der Lage verwendet und mit anderen Segmenten kombiniert werden, um eine kontinuierliche Leiterschleife zu bilden, die beispielsweise dünne und dicke Abschnitte aufweist.
Eine konkrete Ausführungsform der Erfindung beruht dabei auf einer geschickten lokalen Segmentierung in Leiter mit unterschiedlicher Querschnittsfläche. An Stellen mit hohen Wechselfeldern sollten die Leitersegmente entsprechend feiner unterteilt werden, um ungewollte Stromflüsse aufgrund von Magnetfeldern zu vermeiden. Die isolierende Grenzfläche zwischen zwei Leitern, die entweder durch einen Isolator (Isolationspapier, Isolationslack, Oxidierung) oder zumindest eine schlecht leitende Barriere (deutlich schlechter leitend als das Kupfer in Längsrichtung entlang mehrerer Windungszüge) gebildet werden kann, sollte möglichst quer zum Wirbelstrompfad oder der Verdrängungsrichtung ohne die Segmentierung erfolgen. Dies ist beispielsweise (aber nicht ausschließlich) bei einem Verlauf der Grenzflächen entlang der Magnetfeldrichtung gegeben. Da die magnetische Flussdichte in der Regel an der Nutöffnung am höchsten ist, dürfte auch dort in der Regel für nahezu alle Maschinentypen die feinste Segmentierung sinnvoll sein.
In üblichen elektrischen Maschinen liegen zumeist derartige magnetische Feldverhältnisse vor, dass gemäß dem erfindungsgemäßen Ansatz die Leitersegmente in Richtung der Nutöffnung und des Luftspaltes zunehmend an Dicke verlieren sollten. Im einfachsten Fall können die Segmente einen rechteckigen Querschnitt haben, wobei mindestens eine Kante näherungsweise senkrecht zu den Nutwänden verläuft. In einer besonderen Ausführungsform folgt die Grenze zwischen zwei Segmenten dem magnetischen Feld, das nahe dem Nutgrund nahezu ideal lokal horizontal verläuft und zum Luftspalt hin eine zum Nutgrund gerichtete Wölbung aufweist.
Gewöhnlich werden die Segmente für Stabwicklungen aus Profilstangen durch Ablängen vor dem Biegeschritt direkt bei der Fertigung erzeugt. Die Erzeugung von individuell formbaren Segmenten bedarf entweder eines Umformprozesses, beispielsweise Walzen, oder einer Vielzahl unterschiedlicher Rohprofilstangen. In einer besonderen Ausführungsform können entsprechend lediglich zwei oder drei unterschiedliche Querschnittsformen verwendet werden, die entsprechend kombiniert werden, um einen Kompromiss aus Fertigungsaufwand und Leistung der elektrischen Maschine zu finden.
Ein Vorzug der erfindungsgemäßen Maschine liegt somit in ihren durch Minimieren der Hochfrequenzeffekte gegenüber herkömmlichen Maschinen verringerten Verlusten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So können entlang der Rotationsachse der elektrischen Maschine viele verschiedene Ausführungsformen an Stäben - beispielsweise gewölbt, rechteckig oder horizontal segmentiert in verschiedenen Größen - vorkommen. Eine Wölbung kann beispielsweise vorzugsweise symmetrisch zu einer radialen Achse vorliegen. Dabei kann die Wölbung in beiderlei Richtungen erfolgen und vom Abstand zum Luftspalt abhängig stark ausgeprägt werden. Insbesondere kann die Formgebung, umfassend insbesondere die Form der Oberflächen, und die Größe des Querschnittes, beides im Folgenden unter dem Begriff Profil subsummiert, dem vektoriellen magnetischen Feldverlauf bzw. dem vektoriellen magnetischen Flussverlauf am entsprechenden Ort in der Nut folgen. Der örtliche Verlauf des vektoriellen magnetischen Feldes bzw. des vektoriellen magnetischen Flusses kann vorzugsweise bei der Auslegung und Berechnung der elektrischen Maschinen mit bekannten Rechenverfahren, beispielsweise der Finite-Elemente-Methode (FEM), der Finite-Differenzen-Methode (FDM) oder vergleichbaren mathematisch-physikalischen Ansätzen ermittelt werden. Erfindungsgemäß können entsprechend die jeweiligen Profile der Leiterstäbe so geformt werden, dass die auf die jeweilige lokale Oberflächennormale zumindest einer der Flächen mindestens eines Leiterstabes projizierte vektorielle magnetische Flussdichte minimal wird. Vorzugsweise werden die Profile der Leiterstäbe so geformt, dass die auf die jeweilige lokale Oberflächennormale der beiden näherungsweise zum Nutgrund parallelen Oberflächen mindestens eines Leiterstabes projizierte vektorielle magnetische Flussdichte minimal wird.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt eine erste elektrische Maschine mit Statoreisen (12) und Rotoreisen (11).
2 zeigt einen Schnitt durch die Maschine.
3 zeigt den bereichsweisen Längsschnitt einer zweiten elektrischen Maschine ohne Statorwicklungen.
4 zeigt einen entsprechenden Längsschnitt der Maschine mit Statorwicklungen.
5 zeigt den bereichsweisen Längsschnitt einer dritten elektrischen Maschine ohne Statorwicklungen.
6 zeigt einen entsprechenden Längsschnitt der Maschine mit Statorwicklungen.
7 zeigt den erweiterten Längsschnitt einer vierten elektrischen Maschine.
8 zeigt die vergrößerte Ansicht mehrerer Segmente eines ersten Leiterstabes im Bereich einer Verbindungsstelle.
9 zeigt die perspektivisch entsprechende Ansicht mehrerer Segmente eines zweiten Leiterstabes.
10 zeigt die perspektivische Ansicht einer Leiterschleife.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt den mechanischen Aufbau einer elektrischen Maschine (10) mit Rotoreisen (11), Statoreisen (12) und einer mehrere Leiterstäbe (17) umfassenden Statorwicklung.
2 stellt einen Schnitt der Maschine dar. Die vergrößert dargestellten Nuten (14) schließen Leiterstäbe (17) unterschiedlichen Querschnittes und/oder unterschiedlicher Wölbung ein. Beispielhaft nimmt der Querschnitt der Leiterstäbe (17) zum Luftspalt (13) hin ab.
3 illustriert den magnetischen Wechselfeldverlauf (15) in einer Nut (14) des Statoreisens (12) einer rotierenden elektrischen Maschine (10).
Das Statoreisen (12) ist dabei in zunächst herkömmlicher Weise durch einen Luftspalt (13) vom Rotoreisen (11) der Maschine (10) getrennt. Der Begriff „Luftspalt“ ist hierbei im Einklang mit der im Elektromaschinenbau üblichen Terminologie im Sinne eines Zwischenraumes zu deuten, der sich lediglich durch die Abwesenheit ferromagnetischen Materials, nicht aber zwingend durch seinen etwaigen Luftinhalt auszeichnet. In Betracht kommen somit gleichermaßen nicht ferromagnetische Niete, Folien oder pulvermetallurgische Verbundwerkstoffe, deren Zwischenräume in Fachkreisen mitunter als „verteilter Luftspalt“ bezeichnet werden.
4 verdeutlicht anhand dieses Wechselfeldverlaufes (15), durch welchen der Magnetfluss nahe dem Nutspalt in zunehmendem Maße zum Rotoreisen (11) hin abgelenkt (Bezugszeichen 16) wird, die erfindungsgemäße Formung der Leiterstäbe (17) mit Oberflächen parallel zum Verlauf des Wechselfeldanteils. Der Querschnittsflächeninhalt einzelner Leiterstäbe (17) verhält sich hierbei invers zur Feldstärke an deren Einbauort. Konkret sind die Leiterstäbe (17) beispielsweise auf gleichen Energieverlust bei identischem Strom ausgelegt.
Eine Zusammenschau der 5 und 6 beleuchtet das erfindungsgemäße Konstruktionsprinzip im Falle von dessen Übertragung auf eine zweite elektrische Maschine (10), deren vom Rotoreisen (11) her eingestreutes Wechselfeld durch einen konvexen Verlauf seiner Feldlinien geprägt ist. Auch hier verhält sich der Inhalt der Querschnittsfläche einzelner Leiterstäbe (17) im Wesentlichen invers zur Feldstärke an deren Einbauort.
7 veranschaulicht beispielhaft eine Segmentierung in abbildungsgemäß horizontaler Richtung zur Verminderung der vertikalen Anteile eines Drehfeldes. Derartige Drehfelder haben den Nachteil, dass sie keinen zeitlich festen Feldverlauf aufweisen, der lediglich in seiner Amplitude variiert. Allerdings lassen sich solcherlei Drehfelder in zwei bis drei Wechselfeldkomponenten unterteilen. Im Inneren der Nut (14) sind dabei typischerweise zwei Wechselfeldkomponenten, nämlich ein abbildungsgemäß horizontales und ein vertikales Wechselfeld, zur Modellierung der Wechselfeldanteile des Drehfeldes ausreichend. Die oben beschriebene Methode lässt sich nicht nur zur Segmentierung der abbildungsgemäß vertikalen Wechselfeldkomponente anwenden, sondern auch auf die horizontale Wechselfeldkomponente übertragen. Somit entsteht eine zweite Segmentierungsrichtung, die gleichzeitig beachtet werden sollte und in der Regel näherungsweise senkrecht zur anderen verläuft. Drehfelder des beschriebenen Typs können beispielsweise für das Statorfeld bei stark variierender Reluktanz in Abhängigkeit der Rotorstellung, durch im Betrieb periodisch auftretende starke Rotorstreufelder oder durch Überlagerung von nicht phasengleichen Rotor- und Statorfeldern in der Nut (14) entstehen.
Beispielhafte Auslegungskriterien für Querschnitte der einzelnen Pfade in einer Gruppe von parallelen Pfaden sind der folgenden Aufzählung zu entnehmen:

1. gleicher effektiver Widerstand bei Frequenz ω
2. gleiche Verlustleistung bei Frequenz ω
3. gleiche Verlustleistungsdichte bei Frequenz ω
4. Begrenzung der prozentualen Abweichung des Widerstandes der Pfade innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes
5. Erreichen ähnlicher Widerstandserhöhung $\frac{d R}{d ω}$
bzw. Verlusterhöhung $\frac{d W_{l o s s}}{d ω}$
bei Frequenz ω
6. Aufteilung derart, dass Verdrängung des Stromes in einen der beiden Pfade bei Frequenz ω unterbunden ist
7. Absenken der Verluste bei höheren Drehzahlen, leichte Erhöhung bei niedrigen Drehzahlen
8. Minimierung der Systemverluste für ein gegebenes Lastkollektiv oder einen gegebenen Fahrzyklus

Gemäß der Erfindung kann das Profil mindestens eines Leiterstabes (17) in mindestens einer Nut (14) dem vektoriellen magnetischen Feldverlauf bzw. dem vektoriellen magnetischen Flussverlauf des die Nut durchströmenden magnetischen Wechselfeldes (15) derart angepasst sein, dass durch das magnetische Wechselfeld (15) induzierte Ströme in dem mindestens einen Leiterstab (17) effektiv verringert werden. Vorzugsweise ist das Profil des mindestens einen Leiterstabes (17) so geformt, dass die auf die jeweilige lokale Oberflächennormale zumindest einer der Oberflächen (20) des mindestens eines Leiterstabes projizierte vektorielle magnetische Flussdichte minimal wird, so dass folglich die mindestens eine Oberfläche (20) weitestgehend tangential zur lokalen Richtung des vektoriellen magnetischen Flusses verläuft. Vorzugsweise verlaufen zumindest 50 % der mindestens einen Oberfläche (20), besonders vorteilhaft mehr als 75 %, tangential zur lokalen Richtung des vektoriellen magnetischen Flusses.
Ferner können gemäß der Erfindung mindestens zwei näherungsweise einander gegenüberliegende Oberflächen (20) mindestens eines Leiterstabes (17) der vektoriellen magnetischen Flussdichte derart folgen, dass die mindestens zwei näherungsweise gegenüberliegenden Oberflächen (20) weitestgehend tangential zur lokalen Richtung des vektoriellen magnetischen Flusses verlaufen. Da gemäß des Faraday'schen Induktionsgesetzes durch das magnetische Feld induzierte elektrische Felder, die letztendlich für Wirbelströme und Stromverdrängungseffekte verantwortlich sind, stets senkrecht zur zeitlichen Veränderung des vektoriellen magnetischen Flusses verläuft, stellt eine entlang dem lokalen vektoriellen magnetischen Fluss verlaufende Oberfläche zumindest bei magnetischen Wechselfeldern sicher, dass das induzierte elektrische Feld senkrecht zur Oberfläche verläuft und somit an der Oberfläche kein geschlossener Strompfad für einen vom induzierten elektrischen Feld zur Verfügung steht und diese somit lokal nicht auftreten.
Die 8 und 9 illustrieren eine erfindungsgemäße Verbindungstechnik zum Übergang von Segmenten ungleichen Querschnittes und von Einzelpfaden in parallele Pfade. Eine Verbindung (18) kann demnach beispielsweise durch Verschweißen, vor allem Wolfram-Inertgas-Schweißen (gas tungsten arc welding, GTAW; tungsten inert gas, TIG) und Widerstandsschweißen erfolgen. Ferner ist an Hartlöten oder Klemmen zu denken, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Auf diese Weise lässt sich eine elektrisch leitfähige Verbindung (18) zwischen mehr als zwei Segmenten unterschiedlichen Querschnittes oder zwischen allen Unterteilungen der Segmente herstellen.
Auch wenn die vorstehenden Ausführungen sich vor allem auf Wellenwicklungen beziehen, ist das Wirkprinzip der Erfindung auf Schleifenwicklungen übertragbar. 10 veranschaulicht die erfindungsgemäße Verwendung vorsegmentierter Spulenelemente für Schleifenwicklungen. Längere Leitersegmente mit mehr als zwei Nutabschnitten erlauben hierbei komplexere Verbindungen der Unterteilungen des Segments in nahezu beliebige Kombinationen aus Serien- und Parallelschaltungen. Insbesondere ergibt sich die Möglichkeit zur Parallelschaltung mehrerer dünner, nahe am Luftspalt (13) liegender Unterteilungen, die wiederum eine Serienschaltung mit großen, weiter am Nutgrund sitzendenden Untersegmenten bilden.
Diese Konfiguration bietet den Vorteil, dass trotz unterschiedlicher Querschnitte der einzelnen Unterteilungen des Segmentes durch die Parallel- und Serienschaltung ähnliche effektive Querschnitte entstehen und so mit dem verfügbaren Kupfer optimale Widerstandsverhältnisse geschaffen werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8330318 [0005]
JP 2011147312 A [0006]
US 20040207284 A1 [0007]
US 20120025660 A1 [0008]
US 20120274172 A1 [0009]
US 20150311757 A1 [0010]
US 20160013692 A1 [0011]
US 5801471 A [0012]
US 6252327 B1 [0012]

Claims

Rotierende elektrische Maschine (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die elektrische Maschine (10) umfasst ein Rotoreisen (11), ein Statoreisen (12) und Leiterstäbe (17), - ein Luftspalt (13) trennt das Rotoreisen (11) von dem Statoreisen (12), - das Statoreisen (12) weist eine Nut (14) auf, - die Leiterstäbe (17) verlaufen in der Nut (14), - die Leiterstäbe (17) weisen in einem ersten Segment ein erstes Profil auf, - die Leiterstäbe (17) weisen in einem zweiten Segment ein zweites Profil auf und - das erste Profil unterscheidet sich von dem zweiten Profil.
Rotierende elektrische Maschine (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Leiterstäbe (17) weisen eine gewölbte Oberfläche dergestalt auf, dass, wenn ein magnetisches Wechselfeld (15) die Nut (14) durchdringt, das Wechselfeld (15) an der Oberfläche eine gleichmäßige Flussdichte aufweist.
Rotierende elektrische Maschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das erste Segment und das zweite Segment weisen einen übereinstimmenden Abstand zu dem Rotoreisen (11) auf.
Rotierende elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Nut (14) weist einen dem Rotoreisen (11) zugewandten Nutspalt und einen dem Rotoreisen (11) abgewandten Nutgrund auf, - die Leiterstäbe (17) am Nutspalt weisen eine erste Querschnittsfläche auf, - die Leiterstäbe (17) am Nutgrund weisen eine zweite Querschnittfläche auf und - die zweite Querschnittsfläche übersteigt die erste Querschnittsfläche.
Rotierende elektrische Maschine (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Querschnittsflächen sind so gewählt, dass die Leiterstäbe (17) am Nutspalt und die Leiterstäbe (17) am Nutgrund einen übereinstimmenden effektiven Widerstand aufweisen, wenn das Wechselfeld (15) die Nut (14) mit einer gegebenen Frequenz durchdringt.
Rotierende elektrische Maschine (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Querschnittsflächen sind so gewählt, dass in den Leiterstäben (17) am Nutspalt und in den Leiterstäben (17) am Nutgrund eine übereinstimmende Verlustleistung umgesetzt wird, wenn das Wechselfeld (15) die Nut (14) mit einer gegebenen Frequenz durchdringt.
Rotierende elektrische Maschine (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Querschnittsflächen sind so gewählt, dass die Leiterstäbe (17) am Nutspalt und die Leiterstäbe (17) am Nutgrund eine übereinstimmende Verlustleistungsdichte aufweisen, wenn das Wechselfeld (15) die Nut (14) mit einer gegebenen Frequenz durchdringt.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine (10), insbesondere einer elektrischen Maschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - Leiterstäbe (17) werden zu einer Leiterschleife (19) gewickelt, - zwischen Segmenten der Leiterstäbe (17) wird eine elektrisch leitfähige Verbindung (18) hergestellt, - die Leiterschleife (19) wird in mindestens eine Nut (14) eines Statoreisens (12) eingelegt und - das Statoreisen (12) wird koaxial mit einem Rotoreisen (11) mechanisch verbunden, wobei zwischen dem Rotoreisen (11) und dem Statoreisen (12) ein Luftspalt (13) verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Verbindung (18) wird kraftschlüssig, insbesondere durch Klemmen hergestellt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Verbindung (18) wird stoffschlüssig, insbesondere durch Lichtbogenschmelzschweißen oder Widerstandspressschweißen hergestellt.
Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - Profil mindestens eines Leiterstabes (17) einer Nut (14) wird durch mathematisch-physikalische Berechnung des vektoriellen magnetischen Flusses derart geformt, dass die Projektion des vektoriellen magnetischen Flusses auf zumindest eine Oberfläche (20) des Leiterstabes (17) näherungsweise minimal wird.