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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Wechselstrommaschine mit einer magnetischen Polzahl p, wobei der Stator eine Statorwicklung mit einer Mehrzahl von Leiterwindungen aufweist, welche jeweils zumindest in einem Teilabschnitt helixartig verlaufen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem solchen Stator.
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Es sind Statorwicklungen bekannt, bei denen die Leiterwindungen bezüglich einer zentralen Achse des Stators helixartig angeordnet sind. Solche Wicklungen werden als helixartige Wicklungen oder auch als Schrägwicklungen bezeichnet. Die Verwendung eines solchen Wicklungstyps ist vor allem zur Erzielung einer besonders hohen Leistungsdichte einer elektrischen Maschine vorteilhaft, wie sie beispielsweise für die Anwendung in Antrieben von Fahrzeugen benötigt wird. Gerade bei der Anwendung in Luftfahrzeugen ist das Erreichen einer hohen Leistungsdichte ein vorrangiges Entwicklungsziel. Besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine hohe Leistungsdichte ist die Verwendung einer helixartigen Statorwicklung in Verbindung mit einem supraleitenden Rotor. Eine derartig aufgebaute Maschine wird beispielsweise in „Air-core armature shape: A comparison of helical and straight-with-end-turns windings“ von James L. Kirtley, Electric Machines and Power Systems, 23:263-278, 1995 beschrieben.
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Die Statorwicklungen von klassischen elektrischen Maschinen sind meist als gerade Wicklungen aufgebaut, in denen sich die für die elektrische Induktion wirksamen Leiterzweige parallel zur zentralen Achse der Maschine erstrecken. Diese geraden Abschnitte werden dann in ihren axialen Endbereichen durch sogenannte Wickelköpfe verbunden, wobei durch die Wickelköpfe die geraden Abschnitte der einzelnen Windungen in Umfangsrichtung überbrückt werden. Nachteilig bei einer solchen klassischen Geometrie ist, dass diese Wickelköpfe einerseits einen hohen Gewichtsbeitrag zum Gesamtgewicht des Stators leisten und andererseits schwer zu kühlen und auch schwer zu fertigen sind. Die Wickelköpfe haben auch einen hohen Platzbedarf, was das Bauvolumen der elektrischen Maschine insgesamt vergrößert. Um eine Maschine mit hoher Leistungsdichte zu erreichen ist es daher allgemein vorteilhaft, die Wickelköpfe möglichst klein zu gestalten oder idealerweise ganz auf sie zu verzichten. Dies wird durch die Verwendung einer helixartigen Wicklung erreicht, wie sie beispielsweise in der oben zitierten Veröffentlichung beschrieben wird. Die dort beschriebene Statorwicklung weist zwei radial ineinander liegende Wicklungslagen auf, wobei sich der Drehsinn der helixartigen Windungen in der inneren und der äußeren Wicklungslage unterscheidet. Durch die Verbindung der einzelnen inneren und äußeren Leiterabschnitte werden übergeordnete, zusammenhängende Leiterschleifen erhalten, in denen eine elektrische Induktion erfolgen kann. Auf klassische Wickelköpfe kann vollständig verzichtet werden, wenn - wie in der Veröffentlichung beschrieben - die zu verbindenden oberen und unteren Leiterabschnitte in den axialen Endbereichen jeweils an denselben Umfangspositionen aufeinandertreffen. Dann wird durch die in den Endbereichen vorgesehenen Verbindungsstücke nur der radiale Abstand zwischen Oberlage und Unterlage überbrückt. Die Verbindungsstücke können also extrem kurz und damit platz- und gewichtssparend ausgeführt werden. Ein klassischer Wickelkopf mit einer räumlichen Ausdehnung in Umfangsrichtung wird nicht benötigt. Die beschriebene Statorwicklung ist in drei separate Stränge aufgeteilt, wobei jeder Strang einer Phase zugeordnet ist, so dass die elektrische Maschine mit klassischem Dreiphasen-Wechselstrom betreibbar ist.
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Ein Nachteil der beschriebenen helixartigen Statorwicklung ist jedoch, dass die Feldausnutzung geringer ist als die Feldausnutzung einer klassischen elektrischen Maschine mit einer geraden, im Wesentlichen axial verlaufenden Statorwicklung.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Stator mit einer helixartigen Wicklung anzugeben, welcher die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Stator zur Verfügung gestellt werden, bei welchem die Feldausnutzung im Vergleich zu bekannten helixartigen Wicklungen erhöht ist. Eine weitere Aufgabe ist es, eine elektrische Maschine mit einem derartig verbesserten Stator anzugeben.
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Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen Stator und die in Anspruch 10 beschriebene elektrische Maschine gelöst.
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Der erfindungsgemäße Stator ist für eine elektrische Wechselstrom-Maschine mit einer magnetischen Polzahl p ausgelegt. Der Stator weist eine Statorwicklung mit einer Mehrzahl von Leiterwindungen auf, welche jeweils zumindest in einem Teilabschnitt helixartig verlaufen. Dabei sind die einzelnen Leiterwindungen zu insgesamt n elektrischen Strängen gruppiert. Die Anzahl n der Stränge ist dabei größer als drei, insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches von drei.
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Der Stator ist also zur Induktion von Spannungen in einem p-poligen Magnetfeld ausgelegt. Hierzu kann die Anordnung der Statorwicklungen insbesondere eine im Wesentlichen p/2-zählige Rotationssymmetrie bezüglich einer zentralen Achse des Stators aufweisen.
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Die helixartigen Teilabschnitte der Leiterwindungen verlaufen schräg zu der zentralen Achse des Stators. Es handelt sich also mit anderen Worten um eine helixartige Wicklung, die im deutschen auch Schrägwicklung genannt wird. Die einzelnen Windungen liegen dabei insbesondere auf einer oder mehreren gemeinsamen Zylindermantelflächen, deren Zylinderachse wiederum die zentrale Achse des Stators ist. Die verschiedenen Leiterzweige können dabei über mehrere ineinander geschachtelte Zylindermantelflächen verteilt sein. In den helixartigen Abschnitten weisen die Leiterwindungen also insbesondere keine radiale Komponente auf.
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Die einzelnen Stränge sind so ausgestaltet, dass jeder Strang einer elektrischen Phase zugeordnet ist. Mit anderen Worten kann in den ihnen zugeordneten Leiterwindungen ein gegenüber den anderen Strängen phasenverschobener Wechselstrom fließen.
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Für die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist es ausreichend, wenn die Leiterwindungen jeweils zumindest in einem Teilbereich helixartig verlaufen. Dies kann insbesondere ein für alle Windungen gemeinsamer axialer Abschnitt des Stators sein. Dies kann insbesondere ein axial innenliegender Abschnitt sein. Es soll also nicht ausgeschlossen sein, dass der Verlauf der Leiterwindungen in bestimmten Teilbereichen, vor allem den axialen Endbereichen, eine andere als die helixartige Form aufweist. In dem helixartig ausgebildeten Teilabschnitt der Statorwicklung können einzelne Leiterzweige der jeweiligen Stränge nebeneinander - also in Umfangsrichtung um einen bestimmten Winkel versetzt - auf einer gemeinsamen Zylindermantelfläche angeordnet sein. Sie können insbesondere gleichmäßig auf dieser Zylindermantelfläche verteilt sein, so dass sich eine mehrgängige Helix ergibt.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt darin, dass die gegenüber der klassischen dreiphasigen Wicklung erhöhte Anzahl von Strängen eine Verbesserung der Feldausnutzung ermöglicht. Berechnungen zeigen, dass die Feldausnutzung durch eine Erhöhung der Phasenzahl vor allem im axial innenliegenden Bereich erhöht wird. Mit anderen Worten wird die Feldausnutzung im Bereich ihres Maximums verbessert. Im axial innenliegenden Bereich kann auf diese Weise mit einer helixartigen Wicklung eine Feldausnutzung erreicht werden, die in der Nähe der Feldausnutzung einer geraden Wicklung liegt. Die Erhöhung der Feldausnutzung und gleichzeitige Verringerung der Oberfelder ist vor allem darauf zurückzuführen, dass das Drehfeld im Luftspalt bei Vorliegen von mehr als drei Strängen durch ein Polygon mit entsprechend mehr Ecken ausgebildet wird und sich daher stärker der idealen Kreisform annähert. Bei einer Wicklung mit drei Strängen, die jeweils Hin- und Rückleiter umfassen, wird das Drehfeld beispielsweise durch ein Hexagon aufgebaut. Wenn die Anzahl der Stränge erfindungsgemäß erhöht ist, entsteht ein Polygon mit mehr als diesen sechs Zeigern (beispielsweise einem Vielfachen davon). Je größer die Zahl der Ecken ist, umso stärker nähert sich das entstehende Polygon dem idealen Kreis.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen erfindungsgemäßen Stator auf. Zweckmäßig weist eine solche Maschine zusätzlich einen Rotor zur Erzeugung eines rotierenden magnetischen Felds auf. Die Vorteile der elektrischen Maschine ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Stators.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 10 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Stators und der elektrischen Maschine allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
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Besonders vorteilhaft kann die Strangzahl n Werte von 6, 9 oder 12 aufweisen. Solche kleinen ganzzahligen Vielfachen von drei sind besonders günstig, da hiermit ein symmetrischer Aufbau realisiert werden kann, bei dem jede der drei Phasen einer klassischen Dreiphasen-Wechselstrommaschine in mehrere zueinander phasenverschobene Teilphasen aufgespalten ist.
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So können die Leiterwindungen vorteilhaft jeweils einen ersten und einen zweiten Leiterzweig mit jeweils einer unterschiedlichen axialen Richtungskomponente aufweisen, wobei diese Leiterzweige auf dem überwiegenden Teil ihrer Länge helixartig um die zentrale Achse des Stators angeordnet sind.
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Mit anderen Worten kann jede Leiterwindung bezogen auf die Richtung der zentralen Achse einen Hinleiter (den ersten Leiterzweig) und einen Rückleiter (den zweiten Leiterzweig) aufweisen. Diese beiden Leiterzweige können insbesondere mit verschiedenen Windungsrichtungen um die zentrale Achse angeordnet sein. Insbesondere können alle ersten Leiterzweige der einzelnen Windungen untereinander dieselbe Windungsrichtung aufweisen, und entsprechend können alle zweiten Leiterzweige der einzelnen Windungen untereinander dieselbe, den ersten Leiterzweigen entgegengesetzte Windungsrichtung aufweisen. Die Statorwicklung als Ganzes kann dann aus einer Verkettung der helixartigen ersten und zweiten Leiterzweige über den gesamten Umfang des Stators zusammengesetzt sein. Da die Leiterzweige auf einem überwiegenden Teil ihrer axialen Länge helixförmig sind, handelt es sich insgesamt um eine helixförmige Wicklung. Die helixartigen Leiterzweige können wiederum in ihren axialen Endbereichen durch nicht helixartig verlaufende Verbindungsleiter verbunden sein. Dabei kann es sich grundsätzlich entweder um separate Verbindungsstücke oder um einstückig mit den Leiterzweigen ausgestaltete Leiterabschnitte handeln. Bei einer solchen einstückigen Ausgestaltung ergeben sich die Verbindungsleiter also nur als Leiterabschnitte einer aus einem durchgehenden Leiter gewickelten Wicklung und nicht als nachträglich zwischen die Leiterzweige eingebrachte Verbindungsstücke.
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Der Vorteil einer derartigen, insgesamt helixförmigen Wicklung ist, dass in dem Stator die Vorteile der helixartigen Wicklung - also vor allem das Wegfallen aufwendiger und schwer zu kühlender Wickelköpfe - besonders gut zum Tragen kommen. Es ist aber grundsätzlich auch möglich, dass der Stator nur in einem oder mehreren (beispielsweise axialen) Teilbereichen eine helixartige Wicklung aufweist, während die Wicklung in einem oder mehreren anderen Teilbereichen gerade, also parallel zur Hauptachse des Stators verläuft.
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Die Statorwicklung kann vorteilhaft eine Anzahl i von Leiterwindungen aufweisen, wobei i wenigstens der Hälfte des Produkts von Polzahl p und Phasenzahl n entspricht. Wenn jede Leiterwindung einen Hin- und einen Rückleiter aufweist, entspricht die Zahl der Leiterzweige dann insgesamt 2i und somit wenigstens p*n. Insbesondere ergibt sich dann für jeden der n Stränge eine zusammenhängende Schleife aus i=p/2 einzelnen Hinleitern und i=p/2 einzelnen Rückleitern, die sich insgesamt in einem helixartigen Zick-Zack-Muster über den Umfang des Stators erstreckt. Diese einzelnen Zick-Zack-Schleifen der jeweiligen Stränge können dann im Umfangsrichtung nebeneinander auf den Mantelflächen des Stators angeordnet sein. Dabei kann es sich insbesondere um zwei radial ineinanderliegende Mantelflächen handeln, wie weiter unten noch ausführlicher erläutert wird. Bei einfacher Zonung liegen zweckmäßig genau i=n*p/2 Hinleiter und i=n*p/2 Rückleiter vor. Bei doppelter Zonung sind es dagegen i=n*p Hinleiter und i=n*p Rückleiter.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung soll unter dem Begriff „doppelte Zonung“ verstanden werden, dass die Zonenbreite doppelt so groß ist wie bei einer „einfachen Zonung“. Dabei stellt die Zonenbreite den Anteil des Umfangs dar, den die Spulenseiten (also hier die Leiterzweige) eines Strangs im Bereich eines elektrischen Polpaares einnehmen. Bei der „einfachen Zonung“ sind also die Leiterzweige der jeweiligen Stränge nur halb so breit wie bei der „doppelten Zonung“.
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Die genannten Leiterwindungen und Leiterzweige sind allgemein nicht auf einzelne Leiter beschränkt. So kann jede Leiterwindung und jeder Leiterzweig optional aus mehreren Teilleitern zusammengesetzt sein. Diese Teilleiter können in Bündeln im Wesentlichen parallel zueinander geführt sein. Es können auch einzelne Teilleiter miteinander verseilt oder nach der Art eines Roebelleiters transponiert sein. Dabei ist es auch möglich, dass mehrere verseilte und/oder transponierte Teilleiter als parallel verlaufendes Bündel nebeneinander innerhalb eines Leiterzweigs geführt sind. Diese Teilleiter können elektrisch entweder parallel oder in Reihe geschaltet sein. Sie können insbesondere in Umfangsrichtung nebeneinander liegen und/oder in radialer Richtung gestapelt sein.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform soll die Zahl i der Leiterwindungen wenigstens dem Produkt von p/2 und n entsprechen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn i entweder genau dem Produkt von p/2 und n entspricht oder einem ganzzahligen Vielfachen dieses Produkts entspricht. So kann auf besonders einfache Weise eine Statorwicklung mit p/2-zähliger Rotationssymmetrie und n separaten Strängen gebildet werden.
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Besonders vorteilhaft können einerseits die ersten Leiterzweige der einzelnen Leiterwindungen auf einer gemeinsamen inneren Zylindermantelfläche angeordnet sein und andererseits die zweiten Leiterzweige der einzelnen Leiterwindungen auf einer gemeinsamen äußeren Zylindermantelfläche angeordnet sein. Dabei können die ersten Leiterzweige auf der inneren Zylindermantelfläche eine untereinander gemeinsame erste Windungsrichtung aufweisen und die zweiten Leiterzweige auf der äußeren Zylindermantelfläche können eine untereinander gemeinsame, den ersten Leiterzweigen entgegengesetzte Windungsrichtung aufweisen.
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Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die helixartige Wicklung so besonders platzsparend ausgeführt werden kann. Durch die Trennung in innere und äußere Zylindermantelfläche entsprechend der axialen Richtung und der Windungsrichtung kann erreicht werden, dass im axial innenliegenden Bereich innerhalb der jeweiligen Zylindermantelfläche Kreuzungen von Leiterzweigen vermieden werden. Auf jeder der beiden Mantelflächen weisen die zugehörigen Leiterzweige dieselbe Windungsrichtung auf. Zweckmäßig weisen sie ebenfalls dieselbe Ganghöhe auf und können daher ohne Überkreuzungen nebeneinander auf derselben Mantelfläche angeordnet werden. Benachbarte Leiterzweige weisen nur einen Winkelversatz, also einen Versatz in Umfangsrichtung des Stators auf. Im vorliegenden Zusammenhang soll unter der Ganghöhe einer Helix gemäß der üblichen geometrischen Definition die axiale Länge verstanden werden, die für eine volle Umdrehung der Helix benötigt wird.
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Die Statorwicklung kann in den axialen Endbereichen elektrisch leitende Verbindungsleiter zwischen den jeweils zueinander gehörigen Leiterzweigen aufweisen. Dies können Leiterzweige derselben oder benachbarter Spulenwindungen sein, die somit zu einer übergeordneten Spulenanordnung für jeden Strang verbunden werden. Insbesondere kann bei der beschriebenen Verteilung der ersten und zweiten Leiterzweige auf innere und äußere Mantelflächen pro Verbindungsleiter jeweils ein innerer, erster Leiterzweig mit einem äußeren, zweiten Leiterzweig verbunden sein. Unabhängig von der genauen Positionierung der einzelnen Leiterzweige wird durch die Verbindungsleiter erreicht, dass für jeden Strang eine zusammenhängende übergeordnete Spulenanordnung gebildet wird, die sich insbesondere als Schleife über den ganzen Umfang des Stators erstrecken kann und die dort zur Induktion von Spannungen und/oder zur Ausbildung von Magnetfeldern genutzt werden kann. Für jeden Strang (also jede Phase) umfasst eine solche zusammenhängende Spulenanordnung zumindest einen ersten und einen zweiten Leiterzweig. Bei mehr als zwei Polen kann sie entsprechend mehr miteinander verbundene Paare von Leiterzweigen umfassen, also beispielsweise p Leiterzweige pro Strang (oder ein ganzzahliges Vielfaches von p an Leiterzweigen) bei einer p-poligen Maschine.
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Vorteilhaft können die helixartig angeordneten Leiterzweige jeweils eine Ganghöhe h aufweisen, die wenigstens so groß ist wie das Produkt der axialen Länge l der helixartigen Leiterzweige und der Polzahl p. Hierbei ist die axiale Länge l die effektive Länge der helixartigen Statorwicklung, also die Länge des Bereichs der Wicklung, auf dem die Leiterzweige helixartig geführt sind. Bei einem im Wesentlichen komplett helixartigen Verlauf der Wicklung ist l also mit anderen Worten die axiale Länge der Wicklung abzüglich der Länge der Endbereiche, die zur Verbindung der Leiterzweige benötigt werden. Wenn die Ganghöhe h genau dem Produkt l*p entspricht, dann kann die Statorwicklung insbesondere so ausgelegt sein, dass die miteinander zu verbindenden Leiterzweige in Umfangsrichtung genau aufeinandertreffen. Dann können die Verbindungsleiter also als rein radiale Verbindungen ausgestaltet sein, und es muss keine Lücke in Umfangsrichtung überbrückt werden. Es ist aber grundsätzlich auch möglich, dass die Ganghöhe größer ist als das Produkt l * p. In diesem Fall ist die Schrägung der einzelnen Leiterzweige gegen die zentrale Achse A also etwas geringer als im vorhergehend beschriebenen Fall, und die Verbindungsleiter werden dann zweckmäßig so ausgestaltet, dass sie eine Lücke in Umfangsrichtung zwischen den zu verbindenden Leiterzweigen überbrücken können. In diesem Fall können die Verbindungsstücke also sowohl eine radiale Komponente als auch eine Komponente in Umfangsrichtung aufweisen.
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Die Statorwicklung weist vorteilhaft eine Anzahl i von ersten Leiterzweigen und eine gleiche Anzahl i von zweiten Leiterzweigen auf, wobei i entweder dem Produkt von Polzahl p und Strangzahl n (bei einfacher Zonung) oder der Hälfte von dem genannten Produkt (bei doppelter Zonung) entspricht. Dabei ist die Ganghöhe h der helixartigen Leiterzweige so gewählt, dass die jeweiligen Leiterzweige sich über ihre axiale Länge l helixartig um einen Winkel α drehen, wobei α einen Wert zwischen
aufweist.
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Bei der oberen Grenze dieses Bereichs von α = 360°/p ist die Ganghöhe so gewählt, dass sich in den axialen Endbereichen zwischen den zu verbindenden Leiterzweigen kein Versatz in Umfangsrichtung ergibt, wie oben beschrieben. Besonders vorteilhaft ist die Ganghöhe aber so gewählt dass der Winkel α unterhalb dieser Obergrenze liegt. Die Schrägung der Leiterzweige ist dann also im Vergleich zu der oben beschriebenen angepassten Geometrie leicht reduziert, und die Verbindungsleiter müssen entsprechend eine Lücke in Umfangsrichtung überbrücken. Hierbei ist es allgemein vorteilhaft, wenn α bei wenigstens 360°/p - 2*360°/i liegt, damit diese zu überbrückende Lücke nicht allzu groß ist und der eingangs beschriebene Vorteil des geringen Platzbedarfs für die Verbindungsleiter im Vergleich zu herkömmlichen Wickelköpfen trotzdem noch realisiert wird. Ganz besonders Vorteilhaft kann der Winkel α im Bereich von etwa 360°/p - 360°/i liegen. Mit anderen Worten ist er im Vergleich zur Konfiguration ohne Versatz in Umfangsrichtung so gewählt, dass sich in jedem der Endbereiche ein Versatz von etwa einer Strangzonenteilung zwischen den zu verbindenden Enden der Leiterzweige ergibt. Bei dem angegebenen Minimalwert des Winkels von 360°/p - 2*360°/i ergibt sich dagegen ein Versatz von zwei Strangzonenteilungen an jedem axialen Ende der zu verbindenden Leiterzweige. Der Begriff „Strangzonenteilung“ wird hier für den Winkelversatz von 360°/i verwendet. Er soll analog zu dem in der Fachwelt üblichen Begriff der „Nutteilung“ verstanden werden, welcher sich daraus ergibt, dass die i Leiterzweige auf jedem Zylindermantel in Nuten eines Statorträgers angeordnet sein können. Eine Nutteilung 360°/i ist dann entsprechend der Winkelversatz zwischen zwei solchen in Umfangsrichtung benachbart liegenden Nuten. Bei dem angegebenen vorteilhaften Wert des Winkels von 360°/p - 360°/i muss an jedem axialen Ende nur eine entsprechende Strangzonenteilung durch die Verbindungsleiter überbrückt werden, und die Ausbildung eines zu voluminösen Wickelkopfes wird vorteilhaft vermieden.
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Allgemein liegt der Vorteil einer reduzierten Schrägung der Leiterzweige und einem Versatz zwischen den zu verbindenden Leiterenden darin, dass durch diese Maßnahme die Feldausnutzung der Statorwicklung erhöht wird. Vor allem wird dadurch die Feldausnutzung in den axialen Endbereichen der Statorwicklung erhöht, denn die Fläche zwischen dem Hin- und Rückleiter (also dem ersten und zweiten Leiterzweig) einer gegebenen Statorwindung wird in den Endbereichen größer. Durch die reduzierte Schrägung wird also in den Endbereichen eine Feldausnutzung erreicht, die nicht gegen Null abfällt und insgesamt näher bei der Feldausnutzung einer geraden Statorwicklung liegt.
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Die gesamte Feldausnutzung der Statorwicklung - also die über die axiale Länge l der Statorwicklung gemittelte Feldausnutzung - kann also besonders vorteilhaft durch die Kombination der beiden genannten Merkmale erhöht werden: Einerseits führt die Erhöhung der Strangzahl auf einen Wert größer als drei zu einer Verbesserung der Feldausnutzung im axial innenliegenden Bereich der Wicklung. Andererseits führt der beschriebene leichte Versatz der Teilleiter in Umfangsrichtung zu einer Verbesserung der Feldausnutzung in den axialen Endbereichen. Durch die Kombination der beiden Maßnahmen, aber auch durch jede der beiden Maßnahmen für sich, kann so die Feldausnutzung einer helixartigen Wicklung im Vergleich zum Stand der Technik erhöht werden. Dabei ist zu betonen, dass jede der beiden Maßnahmen auch für sich alleine wirkt. Insbesondere ist es also auch möglich, dass bei einer helixartigen Statorwicklung mit nur drei Strängen eine Reduzierung der Schrägung vorgesehen ist, so dass sich ein Versatz in Umfangsrichtung zwischen den zu verbindenden Leiterzweigen ergibt.
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Allgemein und unabhängig von der genauen Ausführung der helixartigen Statorwicklung kann diese bevorzugt als Luftspaltwicklung ausgeführt sein. Mit anderen Worten ist die Statorwicklung nicht in Nuten eines Eisenkerns oder eines anderen weichmagnetischen Materials eingebettet, sondern sie ist in der Luftspalt-Region der Maschine angeordnet. Die Statorwicklung kann auch bei dieser Ausführungsform in den Nuten einer Trägerstruktur angeordnet sein. Wesentlich ist aber, dass sich zwischen diesen Nuten kein weichmagnetisches Material befindet. Diese Ausführung als Luftspaltwicklung ist besonders vorteilhaft in einer elektrischen Maschine, die einen supraleitenden Rotor aufweist, da dann die Magnetfelder so stark sind, dass es bei einer klassischen Maschine zu einer zu starken Sättigung des weichmagnetischen Statormaterials kommen würde.
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Die elektrische Maschine kann vorteilhaft zusätzlich einen Rotor aufweisen, der zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit p Polen ausgebildet ist. Im Zusammenspiel mit einem solchen Rotor kommen die beschriebenen Vorteile des erfindungsgemäßen Stators besonders zum Tragen.
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Insbesondere kann ein solcher Rotor mit einer supraleitenden Erregerwicklung ausgestattet sein. Eine solche Ausführung ist besonders vorteilhaft, um mit der Maschine eine sehr hohe Leistungsdichte zu erreichen. Dies ist besonders für Generatoren oder Motoren in Fahrzeugen relevant, die beim Antrieb eines solchen Fahrzeuges mit bewegt werden müssen. Ganz besonders kritisch ist die Leistungsdichte bei elektrischen Maschinen in Luftfahrzeugen. Unabhängig von der genauen Anwendung der Maschine kann diese allgemein entweder als Motor und/oder als Generator betrieben werden. Besonders vorteilhaft kann die Maschine als Synchronmaschine ausgebildet sein.
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Die elektrische Maschine kann wenigstens einen Umrichter aufweisen, um eine Phasenverschiebung zwischen den in den einzelnen Strängen der Statorwicklung fließenden Strömen zu erzeugen und/oder aufzuheben. Derartige Umrichter können dazu genutzt werden, um beispielsweise den von einem erfindungsgemäß ausgestalteten Generator erzeugten höherphasigen Wechselstrom in herkömmlichen Dreiphasen-Wechselstrom oder auch Gleichstrom umzuwandeln. Umgekehrt können derartige Umrichter auch dazu genutzt werden, um herkömmlichen Dreiphasen-Wechselstrom oder Gleichstrom aus einer anderen Stromquelle in höherphasigen Wechselstrom für einen erfindungsgemäßen Motor umzuwandeln. Alternativ zu der beschriebenen Verwendung von Umrichtern ist es aber auch möglich, dass ein erfindungsgemäßer Generator als Stromquelle für den höherphasigen Wechselstrom genutzt wird und dieser beispielsweise ohne dazwischen gelagerte Phasenverschiebung in eine entsprechenden höherphasigen Motor als Verbraucher eingespeist wird. Eine weitere Alternative ist, dass ein erfindungsgemäßer Generator mehrere 3-phasige getrennte Netze einspeist.
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Unabhängig davon, ob Umrichter verwendet werden oder ob der höherphasige Wechselstrom direkt genutzt wird, ist es allgemein vorteilhaft, wenn die Strangzahl ein kleines ganzzahliges Vielfaches von drei ist, wenn also beispielsweise Sechsphasen-, Neunphasen- oder Zwölfphasenwechselstrom erzeugt oder verbraucht wird.
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Bei Vorliegen von n Strängen kann die Phasenverschiebung zwischen einzelnen benachbarten Strängen bevorzugt entweder bei 360°/n oder bei 360°/(2n) liegen. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Strangzahl n ein Vielfaches von drei beträgt, und dass die n Stränge in drei übergeordnete Gruppen aufgeteilt sind. Dann kann die Phasenverschiebung zwischen den mittleren Phasen der jeweiligen Gruppen 120° betragen, und die Phasenverschiebung innerhalb der jeweiligen Gruppe kann beispielsweise entweder 360°/n oder 360°/(2n) betragen. Dabei ist eine Phasenverschiebung von 360°/n bei doppelter Zonung besonders bevorzugt, und eine Phasenverschiebung von 360°/(2n) ist bei einfacher Zonung besonders bevorzugt. Bei diesen bevorzugten Ausgestaltungen sind die Phasenverschiebungen aller benachbarten Leiterzweige insgesamt gleichverteilt, und die räumliche und zeitliche Phasenverschiebung stimmt für die jeweiligen Stränge überein. Eine solche Gleichverteilung und Übereinstimmung ist für das Erreichen einer hohen Feldausnutzung besonders günstig.
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Die magnetische Polzahl p der elektrischen Maschine kann vorteilhaft zwischen 2 und 12, insbesondere zwischen 6 und 12 und besonders vorteilhaft bei genau 8 liegen. Eine derartige Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, um eine hohe Leistungsdichte zu erreichen. Der bevorzugte Bereich ergibt sich dabei daraus, dass einerseits mit steigender Polzahl das radiale Luftspaltfeld und somit die die induzierte Spannung sinkt, dass aber andererseits mit steigender Polzahl die elektrische Frequenz bei gleicher Drehzahl steigt. Der zweite Effekt steigert die induzierte Spannung, so dass sich insgesamt bei typischen Geometrien ein Optimum für die Leistung innerhalb der genannten Bereiche ergibt. Zusätzlich gibt es noch weitere Effekte, beispielsweise dass bei kleinen Polzahlen eine größere Jochdicke gewählt werden muss, was wiederum das Gewicht beeinflusst. Solche Faktoren bestimmen ebenfalls den bevorzugten Polzahlbereich für eine optimale Leistungsdichte.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt einer elektrischen Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
- 2 eine schematische perspektivische Ansicht einer Statorwicklung nach einem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt,
- 3 eine Spulenanordnung eines ausgewählten Strangs u1 aus der Statorwicklung der 2 zeigt,
- 4 das Wickelschema und die zugehörige Feldausnutzung der Statorwicklung der 2 zeigt,
- 5 zum Vergleich das Wickelschema und die zugehörige Feldausnutzung einer Statorwicklung nach dem Stand der Technik zeigt,
- 6 bis 10 die Wickelschemata und die zugehörigen Feldausnutzungen für fünf weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen.
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In 1 ist eine elektrische Maschine 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im schematischen Längsschnitt gezeigt. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Rotor 7 und einen Stator 3. Der Rotor 7 ist mittels einer Rotorwelle 9 um eine Rotationsachse A drehbar gelagert. Hierzu ist die Rotorwelle 9 über die Lager 10 gegen das Maschinengehäuse 11 abgestützt. Gezeigt ist ein Längsschnitt entlang der Rotationsachse A, die gleichzeitig die zentrale Maschinenachse ist. Bei der elektrischen Maschine kann es sich grundsätzlich um eine Motor oder einen Generator handeln oder auch um eine Maschine, die in beiden Modi betrieben werden kann.
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Der Stator 3 weist eine Statorwicklung 4 mit einer Mehrzahl von Leiterwindungen 13j auf. Im axial innenliegenden Teilbereich l des Stators 3 - der hier den Hauptteil der axialen Länge ausmacht - sind diese Leiterwindungen 13j helixartig ausgestaltet. Die einzelnen Leiterwindungen 13j verlaufen also schräg zur Hauptachse und sind jeweils auf einer Zylindermantelfläche um diese Achse A angeordnet. Insgesamt sind die Leiterzweige der einzelnen Leiterwindungen 13j auf zwei solchen Zylindermantelflächen verteilt, nämlich auf eine Unterlage 4a im Bereich einer inneren Zylindermantelfläche 20a und eine Oberlage 4b im Bereich einer äußeren Zylindermantelfläche 20b, wobei diese beiden Lagen ineinander geschachtelt und konzentrisch um die zentrale Achse A angeordnet sind. Die Leiterzweige der Unterlage 4a und der Oberlage 4b weisen einen entgegengesetzten Drehsinn auf, was im Zusammenhang mit 2 und 3 noch deutlicher wird. In den axialen Endbereichen 17 der Statorwicklung 4 sind einander zugehörige Leiterzweige der Oberlage 4b und der Unterlage 4a durch Verbindungsleiter 19 elektrisch leitend miteinander verbunden. Im axial innenliegenden Bereich l sind dagegen Oberlage 4b und Unterlage 4a durch eine Lagenisolation 15 elektrisch gegeneinander isoliert. Alternativ oder zusätzlich kann eine solche Isolation der beiden Leiterlagen aber auch durch eine isolierende Umhüllung jedes einzelnen Leiterzweiges erreicht werden.
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Vor allem die im Teilbereich l axial weiter innenliegenden Bereiche der Statorwicklung 4 treten beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 in elektromagnetische Wechselwirkung mit einem Feld des Rotors. Diese Wechselwirkung findet über einen Luftspalt 6 hinweg statt, der radial zwischen Rotor 7 und Stator 3 liegt. Die Statorwicklung 4 wird im gezeigten Beispiel von einem magnetisch ausgebildeten Statorträger 5 getragen, es handelt sich hier also um eine Luftspaltwicklung ohne Eisenzähne zwischen den Windungen der Wicklung.
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Die elektrische Maschine der 1 weist im Rotor 7 eine supraleitende Feldwicklung 8 auf. Hierzu kann der Rotor 7 im Betrieb auf eine kryogene Temperatur gekühlt werden, die unterhalb der Sprungtemperatur des verwendeten Supraleiters liegt. Diese Betriebstemperatur kann beispielsweise im Bereich von etwa 20 K bis 77 K liegen. Die Kühlung kann mit einem in der Abbildung nicht näher dargestellten Kühlsystem erreicht werden. Die tiefkalten Komponenten sollten außerdem thermisch gegen die warme Umgebung isoliert sein.
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2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Statorwicklung 4, wie sie beispielsweise in einer elektrischen Maschine gemäß 1 zum Einsatz kommen kann. Diese Statorwicklung 4 ist als helixartige Wicklung ausgebildet, bei der die einzelnen Leiterwindungen 13j innerhalb des axial innenliegenden Bereichs l helixartig um die zentrale Achse A angeordnet sind. Die Statorwicklung 4 des gezeigten Beispiels ist in zwölf einzelne Stränge u1 bis w4 unterteilt. Diese Stränge entsprechen einzelnen Phasen des Wechselstroms, der mit der elektrischen Maschine entweder generiert oder in mechanische Energie umgesetzt werden kann. Jeder Strang weist mehrere einzelne Leiterzweige auf, die zusammen eine übergeordnete Spulenanordnung ergeben. Diese Leiterzweige sind in eine Gruppe von ersten Leiterzweigen gegliedert, die auf der Unterlage 4a der Spulenwicklung angeordnet sind und in eine Gruppe von zweiten Leiterzweigen, die auf der Oberlage 4b der Spulenwicklung angeordnet sind. Die Leiterzweite der Unterlage 4a liegen also alle auf einer inneren Zylindermantelfläche, und die Leiterzweige der Oberlage liegen alle auf einer äußeren Zylindermantelfläche. Innerhalb jeder der beiden Lagen 4a und 4b weisen die Leiterzweige alle dieselbe Schrägung und denselben Drehsinn auf, so dass innerhalb der einzelnen Lagen Überkreuzungen von Leiterzweigen vermieden werden. Im axialen Bereich l sind die einzelnen Leiter gegeneinander elektrisch isoliert und Ober- und Unterlage sind nicht miteinander verbunden. Die elektrischen Verbindungen, die die Leiterzweige zu einer übergeordneten Spulenanordnung zusammenfügen, sind in den axialen Endbereichen 17 angebracht. Hier sind Verbindungsleiter 19 zur Verbindung von Ober- und Unterlage angeordnet. Im gezeigten Beispiel der 4 ist die Schrägung der einzelnen Leiterzweige so gewählt, dass die zueinander gehörigen Leiterzweige eines Strangs in den Endbereichen 17 gerade an derselben Umfangsposition aufeinander treffen. Durch die Verbindungsleiter 19 muss hier also nur der radiale Abstand von Ober- und Unterlage überbrückt werden. Der Verbindungsleiter überbrückt dementsprechend keinen Abstand in Umfangsrichtung.
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Zum besseren Verständnis zeigt 3 beispielhaft den Verlauf der einzelnen Leiterzweige eines ausgewählten Strangs, hier des Strangs u1. Zur besseren Übersicht ist noch die Zylindermantelfläche eingezeichnet, die genau zwischen der Oberlage 4b und der Unterlage 4a der Wicklung verläuft. Die Spulenanordnung 21 des ausgewählten Strangs u1 weist vier einzelne Windungen 13j auf, wobei jede dieser Windungen zwei Leiterzweige aufweist: einen ersten Leiterzweig 23a, der als Hinleiter den Strom mit einer ersten axialen Richtungskomponente leitet und einen zweiten Leiterzweig 23b, der als Rückleiter den Strom bei gleicher übergeordneter Stromrichtung mit einer entgegengesetzten zweiten axialen Richtungskomponente leitet. Diese Richtungskomponenten sind beispielhaft für eine vorgegebene übergeordnete Stromrichtung zu einem gegebenen Zeitpunkt durch die Pfeile in 3 angedeutet. Die vier ersten Leiterzweige 23a sind entsprechend zusammen auf der Zylindermantelfläche der Unterlage 4a angeordnet, und die vier zweiten Leiterzweige 23b sind zusammen auf der Zylindermantelfläche der Oberlage 4b angeordnet. Diese acht Leiterzweige 23a und 23b sind über die in den axialen Endbereichen 17 vorgesehenen Verbindungsleiter 19 zu der zusammenhängenden zick-zack-förmigen Spulenanordnung 21 verbunden. Die Spulenanordnungen der übrigen elf Stränge u2 bis w4 sind analog aufgebaut und auf denselben Zylindermantelflächen angeordnet. Sie sind nur jeweils in Umfangsrichtung entsprechend versetzt, wie in 2 zu erkennen. Die gezeigte Aufteilung eines solchen Strangs in vier Hin- und vier Rückleiter entspricht der Ausbildung der Statorwicklung zur Anwendung in einer achtpoligen elektrischen Maschine, mit anderen Worten einer Maschine, deren Rotor zur Ausbildung eines achtpoligen rotierenden Magnetfeldes ausgelegt ist. Für allgemeine Polzahlen p entspricht die Zahl i der Leiterwindungen 13j in einem solchen Strang vorteilhaft der halben Anzahl der magnetischen Pole oder einem ganzzahligen Vielfachen davon. Die Gesamtzahl i der Leiterwindungen 13j (und somit sowohl die Zahl der jeweiligen Hinleiter 23a als auch der jeweiligen Rückleiter 23b) in einem Stator mit n Strängen entspricht also wenigstens n*p/2.
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Im Beispiel der 3 ist die Ganghöhe h der helixförmigen Leiterabschnitte so gewählt, dass sie genau dem Produkt von axialer Länge l der helixförmigen Leiterabschnitte und der Polzahl p entspricht. Da die Ganghöhe h als die axiale Länge für eine volle Umdrehung der Helix definiert ist, wird also auf der gegebenen Länge l genau der Winkelbereich eines magnetischen Pols überstrichen. Diesen Winkelbereich von 360°/p bezeichnet man auch als „Polteilung“. Im gezeigten Beispiel ist die Ganghöhe also so gewählt, dass die einzelnen Leiterzweige 23a bzw. 23b auf ihrer axialen Länge l sich genau um den Winkel α von einer Polteilung, also 360°/p drehen. Aufgrund der Polzahl von p = 8 ergibt sich hier pro Leiterzweig ein Winkel von α = 45°.
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4 zeigt das Wickelschema und die zugehörige Feldausnutzung der Statorwicklung 4 der 1. Das Wickelschema ist in ein Teilschema 24a für die Unterlage 4a und ein Teilschema 24b für die Oberlage 4b der Wicklung aufgeteilt. Das Wickelschema 24a verdeutlicht also die geometrische Anordnung der ersten Leiterzweige 23a auf dem inneren Zylindermantel, und das Wickelschema 24b verdeutlicht die Anordnung der zweiten Leiterzweige 23b auf dem äußeren Zylindermantel. In den beiden Wickelschemata 24a und 24b sind die Anordnungen der Leiterzweige der jeweiligen Stränge u1 bis w4 in Abhängigkeit von der axialen Länge 25 und vom elektrischen Winkel 26 gezeigt. Der elektrische Winkel ergibt sich dabei als Produkt von geometrischem Winkel und Polpaarzahl. Mit anderen Worten ist bei einer zweipoligen Maschine der elektrische Winkel mit dem geometrischen Drehwinkel bezüglich der Wicklungsachse A identisch. Bei höherpoligen Maschinen ist dagegen ein elektrischer Winkel von 360° erreicht, wenn ein geometrischer Winkel überstrichen wurde, der dem Winkelabstand zweier benachbarter gleicher magnetischer Pole (z.B. Nordpol - Nordpol) entspricht. Das Wickelschema 24a der 4 zeigt also entsprechend den geometrischen Verlauf der Leiterzweige der zwölf Stränge u1 bis w4 über die gesamte axiale Länge l und über einen Winkelbereich zwischen zwei magnetischen Nordpolen. Der gezeigte elektrische Winkelbereich von 0° bis 360° entspricht bei der in 2 gezeigten achtpoligen Statorwicklung (vier Polpaare, p=8) einem geometrischen Winkelbereich von 0° bis 90°, also einem Viertel des vollen Wicklungsumfangs. Der gesamte geometrische Wicklungsverlauf ergibt sich dann entsprechend durch vierfaches Aneinanderreihen des gezeigten Wickelschemas 24a für die Unterlage und des gezeigten Wickelschemas 24b für die Oberlage. Auch aus den beiden Wickelschemata 24a und 24b ist ersichtlich, dass - wie bereits aus den 2 und 3 erkennbar - die an den axialen Enden zu verbindenden Leiterzweige eines jeweiligen Stranges ohne Versatz an denselben Umfangspositionen aneinanderstoßen.
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Im rechten Teil der 4 ist die Feldausnutzung 27 dieser Statorwicklung als Funktion der axialen Position 25 (wiederum in Prozent der Gesamtlänge l) gezeigt. Diese Feldausnutzung ist als relative Feldausnutzung des im Bereich der Statorwicklung wirksamen Erregerfeldes zu verstehen, und zwar in Relation zur Feldausnutzung einer vergleichbaren elektrischen Maschine mit einer geraden Wicklung und einer Lochzahl von 1 (also bei einer Nut pro Polzahl und Strang). Numerisch wurde dafür jeweils der Mittelwert des Wicklungsfaktors der Grundwelle über die axiale Länge bestimmt. Es ist leicht zu erkennen, dass die Feldausnutzung nur im mittleren Bereich der axialen Länge in der Nähe des Vergleichswertes von 100% liegt. In den axialen Endbereichen ist dagegen ein steiler Abfall gegen 0% zu erkennen. Der Abfall auf 0% ist ein grundlegender Nachteil der helixartigen Wicklung ohne Umfangsversatz zwischen den zueinander gehörigen Leiterzweigen in den axialen Endbereichen. Die Feldausnutzung im Bereich des Maximums ist aber für diese Statorwicklung im Vergleich zu einer oberfeldarmen Statorwicklung mit nur drei Phasen, wie sie in 5 beschrieben wird, deutlich erhöht. Dies ist aus der mittleren (also über die axiale Länge l gemittelten) Feldausnutzung x ersichtlich, die für dieses Ausführungsbeispiel bei 62,6 % liegt. Die elektrische Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Strängen beträgt hierbei jeweils 30°.
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Zum Vergleich sind in 5 die entsprechenden Wickelschemata 24a und 24b und die Feldausnutzung für eine helixartige Statorwicklung nach dem Stand der Technik gezeigt. Diese Statorwicklung ist bezüglich der helixartigen Anordnung der Leiterzweige und der Aufteilung auf eine Oberlage und Unterlage ähnlich aufgebaut wie die Statorwicklung des vorab beschriebenen Ausführungsbeispiels. Allerdings ist sie als herkömmliche Helixwicklung nur in drei separate Stränge u1, v1 und w1 aufgeteilt. Die Feldausnutzung dieser herkömmlichen Spiralwicklung zeigt qualitativ einen ähnlichen Verlauf wie die Feldausnutzung der erfindungsgemäßen Wicklung in 4. Allerdings ist das Maximum und damit auch die mittlere Feldausnutzung deutlich niedriger. Ein Vergleich der über die axiale Länge l gemittelten Feldausnutzungen ergibt eine Erhöhung von x = 53% auf x = 62,8% durch die beschriebene Vervierfachung der Anzahl der Stränge von drei auf zwölf.
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In den 6 bis 9 sind weitere Wickelschemata und Feldausnutzungen für weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung mit alternativen Strangzahlen n, unterschiedlicher Phasenverschiebung zwischen den Strängen und unterschiedlicher Schrägung der Leiterzweige gezeigt.
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So zeigt 6 die entsprechenden Wickelschemata 24a und 24b von Unter- und Oberlage sowie die Feldausnutzung für eine Statorwicklung ähnlich wie in 2, die jedoch nur sechs statt zwölf Stränge aufweist. Hier ist die mittlere Feldausnutzung gegenüber dem in 5 angegebenen Stand der Technik immerhin von 53% auf 61,2% erhöht. Die elektrische Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Strängen beträgt hierbei jeweils 60°.
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7 zeigt die entsprechenden Wickelschemata 24a und 24b von Unter- und Oberlage sowie die Feldausnutzung für eine Statorwicklung ähnlich wie in 2, die jedoch neun statt zwölf Stränge aufweist. Hier ist die mittlere Feldausnutzung gegenüber dem in 5 angegebenen Stand der Technik von 53% auf 62,3% erhöht. Die elektrische Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Strängen beträgt hierbei jeweils 40°.
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8 zeigt die entsprechenden Wickelschemata 24a und 24b von Unter- und Oberlage sowie die Feldausnutzung für eine Statorwicklung ähnlich wie in 7, bei der die Stränge innerhalb von jeder der drei Gruppen (also u1 bis u3, v1 bis v3 beziehungsweise w1 bis w3 eine Phasenverschiebung von nur 20° aufweisen. Hiermit wird die mittlere Feldausnutzung nicht ganz so stark wie beim Beispiel der 7 erhöht, da die zeitliche Phasenverschiebung innerhalb der jeweiligen Gruppe nicht mit der geometrischen Phasenverschiebung übereinstimmt. Die Feldausnutzung steigt jedoch zumindest von 53% auf 59,8%.
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9 zeigt die entsprechenden Wickelschemata 24a und 24b für ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu den bisherigen Beispielen, die jeweils eine Wicklung mit doppelter Zonung darstellten, ist hier eine Wicklung mit einfacher Zonung gezeigt. Die Leiterzweige sind also bei vergleichbarer Strangzahl n nur jeweils halb so breit wie bei den bisherigen Beispielen. Die Strangzahl ist im Beispiel der 9 genau gleich gewählt wie bei den Beispielen der 7 und 8, es gilt also n=9. Im Unterschied zu den beiden vorhergehenden Beispielen umfassen jedoch das Wicklungsschema der Unterlage 24a und das Wicklungsschema der Oberlage 24b im gezeigten Bereich des elektrischen Winkels von 0° bis 360° (also im Bereich zweier Pole) die doppelte Anzahl von Teilleitern, hier also 2*n = 18. Dies ist dadurch bedingt, dass im gezeigten Winkelbereich pro Wicklungslage für jeden Strang ein Hinleiter und ein Rückleiter vorliegt, also beispielsweise die durch „+v1“ und „-v1“ gekennzeichneten Zonen für den Strang v1. Analoges gilt für die anderen Stränge. Der Übersichtlichkeit halber sind die Stränge der jeweiligen Buchstabengruppen zusammengefasst mit diesem Buchstaben bezeichnet, also beispielsweise +v1, +v2, +v3 zusammen mit +v und -v1, - v2, -v3 zusammen mit -v und so fort. Im Wicklungsschema jeder der beiden Lagen sind die Leiter der jeweiligen Buchstabengruppe also immer benachbart angeordnet. Außerdem wechselt zwischen diesen benachbarten Buchstabengruppen die Richtung des Stromtransports, und die einzelnen Buchstabengruppen wiederholen sich alle neun Stränge.
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Auf dem gesamten Umfang der Wicklung mit acht Polen sind bei der vorliegenden Geometrie also entsprechend 72 Leiterzweige in der Oberlage und 72 in der Unterlage angeordnet. Diese Leiterzweige pro Lage weisen im Beispiel der 9 jeweils die gleiche Windungsrichtung auf. Ober- und Unterlage weisen aber unterschiedlichen Windungsrichtungen auf. Die Leiterzweige treffen in den axialen Endbereichen mit dem jeweils demselben Strang zugeordneten Leiterzweig der anderen Wicklungslage ohne Versatz aufeinander. Sie sind in diesen axialen Endbereichen elektrisch leitend verbunden, so dass sich aus jeweils zwei Leiterzweigen eine elektrisch zusammenhängende Spulenanordnung ergibt. Für jedes Polpaar liegen zwei solche Spulenanordnungen aus zwei Leiterzweigen vor, so dass sich für jeden Strang insgesamt p, also hier acht solche Spulenanordnungen pro Strang ergeben. Die beschriebene Anordnung mit einfacher Zonung lässt sich selbstverständlich auf andere Polzahlen p und andere Strangzahlen verallgemeinern. Für jeden Strang n ergeben sich dann zwei solche zickzackartige Spulenanordnungen: Für das Beispiel des Strangs v1 sind dann nämlich bei der ersten Spulenanordnung jeweils die Hinleiter v1 der Oberlage mit den Rückleitern -v1 der Unterlage elektrisch verbunden, und bei der zweiten derartigen Spulenanordnung sind dann jeweils die Rückleiter -v1 der Oberlage mit den Hinleitern v1 der Unterlage elektrisch verbunden.
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Allgemein und unabhängig von der genauen Art der elektrischen Verbindung ist es bei einfacher Zonung allgemein vorteilhaft, wenn die Phasenverschiebung zwischen den einzelnen benachbarten Strängen 360°/2n beträgt. Dies ist im Beispiel der 9 der Fall, denn die Phasenverschiebung zwischen benachbarten Leiterzweigen soll hier 20° betragen. So wird bei einfacher Zonung eine gleichmäßige Verteilung der Phasenverschiebungen erreicht, und die zeitliche Phasenverschiebung entspricht der räumlichen Anordnung. Durch diese günstige Wahl wird bei dem Ausführungsbeispiel der 9 eine mittlere Feldausnutzung von 63,3% erreicht, also ein noch etwas höherer Wert als bei den Beispielen der 7 und 8. Allerdings ist hierzu eine um einen Faktor zwei erhöhte Anzahl von Leiterzweigen pro Lage nötig.
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Alternativ zu dem beschriebenen Beispiel ist es aber auch möglich, dass die Phasenverschiebung einen niedrigeren oder höheren Wert annimmt als die beschriebenen 360°/2n. Beispielsweise kann die Phasenverschiebung zwischen den benachbarten Strängen einer Buchstabengruppe bei 40° liegen (und somit bei 360°/2), analog wie bei dem Beispiel mit zweifacher Zonung in 7. Die Verschiebung der mittleren Phase zwischen den einzelnen Buchstabengruppen beträgt auch bei diesem alternativen Ausführungsbeispiel wiederum 180°, so dass die Phasenverschiebungen der benachbarten Stränge durch die höhere Leiterzahl i pro Lage etwas ineinander verschachtelt sind. Hierdurch stimmt die räumliche Verschiebung nicht mehr mit der zeitlichen Phasenverschiebung überein, so dass bei einem solchen Ausführungsbeispiel eine etwas verminderte mittlere Feldausnutzung von nur 60,8 % erreicht wird.
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10 zeigt die entsprechenden Wickelschemata 24a und 24b von Unter- und Oberlage sowie die Feldausnutzung für eine Statorwicklung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist wiederum eine neunphasige Wicklung mit doppelter Zonung, ähnlich wie beim Schema der 7 und 8. Die Phasenverschiebung beträgt wiederum 40°, analog zum Beispiel der 7. Im Unterschied dazu erreichen hier jedoch die einzelnen Teilleiter eines Stranges die axialen Endbereiche nicht an denselben Umfangspositionen, sondern sie sind jeweils um eine Strangzonenteilung in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt. Eine Strangzonenteilung ist dabei der Winkelversatz zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Leiterzweigen, also 360°/i, wobei i die Gesamtzahl der Leiterwindungen und damit der Leiterzweige auf einer Lage ist. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel mit neun Strängen und einer achtpoligen Ausführung ähnlich wie bei der Wicklung der 2 ist i = n * p/2 = 36 und somit entspricht eine Strangzonenteilung 10° in geometrischen Winkelkoordinaten und 40° in elektrischen Winkelkoordinaten. Entsprechend ist in den beiden Wickelschemata 24a und 24b für einen gegebenen Strang (z.B. u1) sowohl bei 0% als auch bei 100% axialer Länge ein Versatz im elektrischen Winkel von 40° zu erkennen. Dieser Versatz bzw. die 10° in geometrischen Winkelkoordinaten muss durch die in den axialen Endbereichen angeordneten Verbindungsleiter zusätzlich überbrückt werden. Es geben sich also etwas aufwändigere und platzintensivere Leiterverbindungen, wodurch jedoch eine wesentlich bessere Feldausnutzung vor allem in den axialen Endbereichen erreicht wird. Die Feldausnutzung sinkt an den axialen Enden der Wicklung durch die verminderte Schrägung nicht mehr auf 0% sondern nur auf knapp über 30% ab. Die mittlere Feldausnutzung ist durch diesen zusätzlichen Effekt insgesamt auf 75,4 % erhöht.
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Insbesondere durch die Kombination der beschriebenen Maßnahmen - also durch die Erhöhung der Phasenzahl einerseits und durch die verminderte Schrägung kombiniert mit Versatz in Umfangsrichtung andererseits - ergibt sich insgesamt eine deutliche Steigerung der mittleren Feldausnutzung im Vergleich zum Stand der Technik. Es kann jedoch auch jede der beiden Maßnahmen für sich angewendet werden (und insbesondere auch für sich allein mit anderen beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen kombiniert werden), um bereits einen Teil der maximal möglichen Verbesserung der Feldausnutzung mit einem gegenüber der Kombination beider Maßnahmen reduzierten apparativen Aufwand zu erreichen.
