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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Spulenanordnung, die wenigstens eine Leiterwindung mit zwei Leiterzweigen aufweist, wobei die einzelnen Leiterzweige als Litzenleiter mit einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Einzeldrähten ausgebildet sind. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einer solchen Spulenanordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen elektrischen Spulenanordnung.
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Nach dem Stand der Technik werden gewickelte Spulenanordnungen in elektrischen Maschinen zur Erzeugung von elektromagnetischen Feldern und/oder zur Induktion von elektrischen Strömen durch solche Felder eingesetzt. Beispielsweise finden gewickelte Spulenanordnungen Anwendung als Statorwicklungen oder auch als Rotorwicklungen in derartigen elektrischen Maschinen. Wenn elektrische Maschinen mit besonders großen Nennleistungen und/oder hohen Leistungsdichten benötigt werden, dann muss die Stromtragfähigkeit einer solchen Spulenanordnung entsprechend hoch sein, und gegebenenfalls muss außerdem ihr Gewichtsbeitrag entsprechend niedrig sein. Um diese Anforderungen zu erreichen, werden häufig zumindest in den Rotorwicklungen besonders leistungsstarker elektrischer Maschinen supraleitende Leitermaterialien eingesetzt. Diese haben den Vorteil eines vernachlässigbaren elektrischen Widerstandes sowie einer im Allgemeinen sehr hohen Stromtragfähigkeit. Mithilfe solcher supraleitenden Wicklungen können vorteilhaft sehr hohe magnetische Flussdichten erreicht werden. Für die Statorwicklungen solcher leistungsstarker elektrischer Maschinen werden typischerweise normalleitende Leitermaterialien, insbesondere kupferbasierte Leiter eingesetzt. Um die auch hier benötigten hohen Stromtragfähigkeiten zu gewährleisten, müssen diese Leiter einen vergleichsweise großen Querschnitt an Leitermaterial aufweisen. Um andererseits die beim Betrieb der elektrischen Maschine auftretenden Wechselstromverluste möglichst gering zu halten, werden für derartige Spulenanordnungen zumindest in Wechselstrommaschinen meist Litzenleiter eingesetzt. Diese Litzenleiter weisen jeweils eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Einzeldrähten auf, die zur Verringerung der elektrischen Verluste meist durch Umhüllung mit einem Isolationsmaterial elektrisch gegeneinander isoliert sind. Um dabei gleichzeitig einen hohen Anteil an Leitermaterial (einen hohen Füllfaktor der Einzeldrähte) und eine ausreichende mechanische Formstabilität zu erzielen, werden solche Litzenleiter oft zunächst gepresst und anschließend mit einem Füllmittel vergossen.
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Nachteilig bei einer Spulenanordnung mit den beschriebenen Litzenleitern ist, dass sie typischerweise nach der Herstellung relativ schwierig zu formen sind. Insbesondere ist es schwierig, beim Herstellen einer Wicklung aus solchen verpressten und vergossenen Litzenleitern an den Umkehrpunkten der jeweiligen Windungen einen geringen Biegeradius zu erreichen. Das Formen bei sehr hohem Füllfaktor ist daher allgemein schwierig, das Formen von bereits vergossenen Litzenleitern praktisch unmöglich. Das Vergießen kann daher erst erfolgen, nachdem der Litzenleiter bereits in der gewünschten Form ist. Wenn für eine elektrische Maschine mit einer sehr hohen geforderten Leistungsdichte eine entsprechend kompakte und leichte Spulenanordnung bereitgestellt werden soll, ist es jedoch unter Umständen nötig, in den Endbereichen der Wicklung Leiterabschnitte mit vergleichsweise niedrigen Biegeradien von nur wenigen mm vorzusehen.
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Bei elektrischen Maschinen mit supraleitenden Rotorwicklungen werden die Statorwicklungen häufig als sogenannte Luftspaltwicklungen ausgeführt. Eine solche Statorwicklung ist also nicht in Nuten eines Eisenkerns oder eines anderen weichmagnetischen Materials eingebettet, sondern sie ist in der Luftspalt-Region der Maschine angeordnet. Solche Luftspaltwicklungen werden vor allem dann eingesetzt, wenn die erzeugten Magnetfelder so stark sind, dass es bei einer herkömmlich aufgebauten Maschine zu einer Sättigung des weichmagnetischen, flussführenden Statormaterials kommen würde. Dies ist vor allem im Zusammenhang mit supraleitenden Rotorwicklungen der Fall. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von als Luftspaltwicklungen ausgeführten Statorwicklungen ist, dass der Platz und der Gewichtsbeitrag einer herkömmlichen flussführenden Struktur eingespart werden. Dies bedingt allerdings auch den Nachteil, dass in den axialen Endbereichen einer solchen Spulenanordnung wenig Platz für die Anordnung von Wicklungsköpfen zur Verfügung steht. Bei einer sogenannten verteilten Wicklung, wie sie häufig in einer Spulenanordnung in einem solchen Stator zum Tragen kommt, ist es dann besonders wichtig, die an verschiedenen Umfangspositionen angeordneten Wicklungsabschnitte durch möglichst platzsparende Wicklungsköpfe miteinander zu verbinden. Klassischerweise werden solche Spulenanordnungen durch Wickeln eines ausgedehnten Leiters „an einem Stück“ hergestellt, indem also sowohl die axialen Abschnitte, als auch gegebenenfalls vorliegende schräge Abschnitte und auch die Wicklungsköpfe aus aufeinanderfolgenden Abschnitten desselben einstückigen Leiters gebildet werden. Diese Art der Herstellung wird jedoch immer schwieriger, je kleiner die für eine kompakte Anordnung geforderten Biegeradien des Leiters sind.
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Ein weiteres Problem bei den beschriebenen herkömmlichen Spulenanordnungen ist, dass insbesondere bei einer kompakten Wicklungsanordnung die Abführung von Wärme aus den Leiterwindungen erschwert ist. Je höher die Nennleistung und/oder die Leistungsdichte der elektrischen Maschine ist, umso höher sind auch die Stromdichten in den elektrischen Leitern und umso höher ist entsprechend die dort entstehende Verlustwärme. Um eine zu starke Überhitzung der Leiterwindungen zu vermeiden, ist eine gute thermische Ankopplung an ein Kühlsystem, insbesondere an ein fluides Kühlmittel eines solchen Kühlsystems nötig. Bei der Herstellung einer sehr kompakten Spulenanordnung mit dicht beieinanderliegenden, eng gewickelten Windungen eines relativ steifen Litzenleiters steht der Platzbedarf für zusätzliche Kühlmittelkanäle jedoch dem allgemeinen Ziel eines hohen Füllfaktors des leitfähigen Materials bei gleichzeitiger geometrischer Stabilität grundsätzlich entgegen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische Spulenanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, welche die vorab beschriebenen Nachteile vermeidet. Insbesondere soll eine Spulenanordnung mit einem Litzenleiter angegeben werden, die insgesamt sehr kompakt ist und gleichzeitig vor allem im elektrisch aktiven Bereich einen hohen Füllfaktor an elektrischem Leitermaterial erreicht. Gleichzeitig soll möglichst die thermische Anbindung an ein Kühlsystem erleichtert werden. Eine weitere Aufgabe ist es, eine elektrische Maschine mit einer solchen Spulenanordnung anzugeben sowie weiterhin ein Herstellungsverfahren für eine solche Spulenanordnung anzugeben.
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Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Spulenanordnung, die in Anspruch 13 beschriebene elektrische Maschine sowie das in Anspruch 15 beschriebene Herstellungsverfahren gelöst.
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Die erfindungsgemäße elektrische Spulenanordnung umfasst wenigstens eine Leiterwindung mit zumindest zwei Leiterzweigen. Von diesen beiden Leiterzweigen ist der erste Leiterzweig bezüglich einer vorgegebenen Stromflussrichtung als Hinleiter ausgebildet, und der zweite Leiterzweig ist bezüglich dieser Stromflussrichtung als Rückleiter ausgebildet. Die einzelnen Leiterzweige sind jeweils als verpresste und mit einem gehärteten Füllmittel in eine stabile Form gebrachte Litzenleiter mit jeweils einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Einzeldrähten ausgebildet. Dabei sind die einzelnen Leiterzweige jeweils als separate, vorgefertigte Leitersegmente gebildet, welche jeweils nachträglich in wenigstens einem Endbereich elektrisch leitend mit einem anderen zugeordneten Leiterzweig verbunden sind.
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Bei dieser Spulenanordnung sind also die beiden zu derselben Leiterwindung gehörenden Leiterzweige in ihren Endbereichen so miteinander elektrisch verbunden, dass ein elektrischer Strom durch die schleifenartige Leiterwindung als Ganzes fließen kann. Bei einer Spulenanordnung mit einer Vielzahl solcher Leiterwindungen sind entsprechend die meisten Leiterzweige in ihren beiden Endbereichen mit benachbarten Leiterzweigen verbunden, sodass eine komplexere Spulenanordnung entsteht. Entsprechend soll unter dem „zugeordneten Leiterzweig“, mit dem ein gegebener Leiterzweig elektrisch verbunden wird, entweder der andere Leiterzweig derselben Windung oder der nächste Leiterzweig der benachbarten Windung verstanden werden. In jedem Fall werden immer „Hinleiter“ und „Rückleiter“ abwechselnd miteinander elektrisch verbunden, sodass in der Spulenanordnung insgesamt ein schleifenartiger Stromfluss über eine oder mehrere Windungen ermöglicht wird. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind die Bezeichnungen „Hinleiter“ und „Rückleiter“ nicht in Bezug auf eine absolute Stromflussrichtung, sondern nur relativ zueinander zu verstehen, da sich bei einem Betrieb der Spulenanordnung mit Wechselstrom die absolute Stromflussrichtung ständig ändert.
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Jede Leiterwindung der beschriebenen Spulenanordnung umfasst hier wenigstens zwei Leiterzweige, um einen schleifenartigen Stromfluss über die jeweilige Windung zu ermöglichen. Eine solche Windung kann jedoch auch optional mehr als zwei solche Leiterzweige aufweisen, insbesondere eine untereinander gleiche Anzahl von Hinleitern und Rückleitern, die jeweils bündelweise elektrisch parallel geschaltet sind. Eine solche Ausführungsform kann beispielsweise vorteilhaft sein, um Kühlkanäle zwischen den einzelnen parallelgeschalteten Leiterzweigen eines Bündels einzubetten.
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Bei der erfindungsgemäßen Spulenanordnung sind also die einzelnen Leiterzweige allgemein als Litzenleiter ausgebildet, welche insbesondere jeweils durch das Verpressen der Litze und das Einbringen und Härten des Füllmittels so steif sind, dass sehr geringe Biegeradien durch einfaches Wickeln nur schwer erreicht werden können. Daher werden bei der erfindungsgemäßen Spulenanordnung solche geringen Biegeradien der Litzenleiter grundsätzlich vermieden, indem die benachbarten Leiterzweige nicht aus demselben Leiterstück, sondern aus separaten vorgefertigten Leitersegmenten gebildet und erst nachträglich kontaktiert werden. Unter der „nachträglichen“ Kontaktierung soll im vorliegenden Zusammenhang verstanden werden, dass die elektrisch leitende Verbindung mit dem wenigstens einen anderen zugeordneten Leiterzweig erst nach dem Verpressen und der Härtung des Füllmittels des jeweiligen Leitersegments geschaffen wird. Insbesondere findet hier also die Formgebung der einzelnen Leitersegmente vor dem Anbringen der elektrischen Kontakte statt, durch die die übergeordnete Wicklungsgeometrie gebildet wird. Auch die Positionierung der einzelnen Leitersegmente zueinander, um die Wicklungsanordnung auszubilden, erfolgt hier vor der Ausbildung der elektrischen Kontakte. Diese Reihenfolge der beschriebenen Prozessschritte ist bei der fertigen Spulenanordnung insbesondere daran zu erkennen, dass durch die Steifigkeit der einzelnen Leitersegmente nach der Ausbildung der elektrischen Kontakte keine grundlegende Änderung der Geometrie der Wicklungsanordnung mehr möglich ist.
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Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Spulenanordnung ist, dass durch die nachträgliche elektrische Kontaktierung der vorgefertigten, gehärteten Leitersegmente im Bereich der Kontaktstellen ein Umkehrpunkt (also ein scharfer Knick) in die Wicklung eingebracht werden kann, dessen äußerst geringer Biegeradius durch ein Biegen des mit gehärtetem Füllmittel in Form gebrachten Litzenleiter gar nicht erreicht werden kann, ohne diesen zu zerstören oder zumindest zu schädigen. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine sehr kompakte Spulenanordnung bei gleichzeitig hoher Formstabilität geschaffen werden.
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Unter dem „gehärteten Füllmittel“ der Litzenleiter kann beispielsweise ein Vergussmittel verstanden werden, mit dem die verpressten Litzenleiter durch Verguss und anschließende Aushärtung in eine stabile Form gebracht sind. Alternativ kann unter dem Füllmittel jedoch auch ein Backlack verstanden werden, der als zweite Lackschicht auf einem die Einzelleiter umgebenden Isolierlack aufgebracht ist und bei erhöhter Temperatur schmilzt und nach dem Abkühlen wieder aushärtet. Bei diesem Erwärmen schmilzt der Isolierlack vorteilhaft nicht, so dass sich dann eine Matrix aus Backlack zwischen den einzelnen, nach wie vor mit Isolierlack umgebenen Einzelleitern ausbildet. Es kann sich auch um ein nachträglich aufgebrachtes und dann gehärtetes Imprägniermittel handeln. Wesentlich ist nur, dass das Füllmittel zwischen die Einzeldrähte des Litzenleiters eindringt und durch ein anschließendes Erhärten dem gesamten Litzenleiter eine stabile mechanische Form gibt. Diese Formstabilität soll gegenüber dem nur gepressten Litzenleiter durch das gehärtete Füllmittel wesentlich erhöht sein.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist wenigstens eine erfindungsgemäße Spulenanordnung auf. Sie kann vorteilhaft auch mehrere derartige Spulenanordnungen umfassen. Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind die Vorteile analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Spulenanordnung zu sehen. Ebenso liegen die Vorteile des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens darin, dass es die Herstellung der erfindungsgemäßen Spulenanordnung auf besonders einfache Weise ermöglicht, ohne dass dabei der Litzenleiter geschädigt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung weist die folgenden Schritte auf:
- - die Herstellung der Leitersegmente als einzelne vorgefertigte Bauteile durch Verpressen der Litzenleiter, anschließendes Versehen der jeweiligen Litzenleiter mit einem Füllmittel und Härten des Füllmittels
- - die anschließende Positionierung der so vorgefertigten Leitersegmente als Leiterwindungen der Spulenanordnung
- - sowie die anschließende elektrische Kontaktierung der einander zugeordneten Leiterzweige in ihren Endbereichen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 13 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Spulenanordnung, der elektrischen Maschine und des Herstellungsverfahrens vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
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Die Spulenanordnung kann eine Mehrzahl von Leiterwindungen umfassen, welche in der Art einer verteilten Wicklung um eine zentrale Achse der Spulenanordnung angeordnet sind. Dabei kann die Spulenanordnung insbesondere auch eine Mehrzahl von einzelnen Spulen (Teilspulen) aufweisen, welche über den Umfang der Spulenanordnung verteilt sind. Diese einzelnen Spulen können wiederum jeweils entweder nur eine oder auch mehrere Windungen aufweisen. Die Spulenanordnung kann also insgesamt eine zylinderartige Struktur aufweisen, über deren Umfang die einzelnen Windungen (und gegebenenfalls auch die einzelnen Teilspulen) verteilt sein können. Die zentrale Achse dieser Anordnung (in diesem Fall also die Zylinderachse) kann dann insbesondere der eingangs genannten vorbestimmten Stromflussrichtung entsprechen, bezüglich derer „Hinleiter“ und „Rückleiter“ zwei entgegengesetzte Zweige ausbilden. Diese Hinleiter und Rückleiter müssen jedoch nicht zwangsläufig entlang dieser Achse ausgerichtet sein. Sie müssen sich nur bezüglich der Richtungskomponente ihrer Stromflussrichtung entlang dieser Achse unterscheiden.
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Die einzelnen Leiterwindungen der Spulenanordnung - die gegebenenfalls auch separaten Einzelspulen angehören können - sind vorteilhaft in wenigstens zwei Lagen über den Umfang der Spulenanordnung verteilt. Diese Lagen unterscheiden sich insbesondere durch ihren radialen Abstand von der zentralen Achse der Spulenanordnung. So kann eine zweilagige Spulenanordnung insbesondere eine Unterlage und eine Oberlage von Leiterzweigen aufweisen. Dabei können jeweils ein Leiterzweig der Unterlage und ein Leiterzweig der Oberlage zusammen eine vollständige Windung ergeben. Die einzelnen Lagen der Spulenanordnung können jeweils im Querschnitt eine im Wesentlichen kreisförmige Grundform aufweisen. Dies ist jedoch nicht unbedingt notwendig - bei nicht kreisförmigen Grundformen soll dann unter dem radialen Abstand in entsprechender Weise der kürzeste Abstand einer Lage von Leiterzweigen von der zentralen Achse verstanden werden.
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Ein wesentlicher Vorteil einer zwei- oder mehr lagigen Anordnung der Leiterzweige liegt darin, dass so eine Vielzahl von Spulenwindungen erzeugt werden kann, ohne dass sich hierfür die Leiterzweige innerhalb einer Lage kreuzen müssen. Stattdessen verteilen sich die bei einer verteilten Wicklung vorliegenden Kreuzungspunkte zwischen den Leiterzweigen auf die unterschiedlichen Lagen. Durch die Vermeidung von Überkreuzungen innerhalb der einzelnen Lagen kann eine einfachere und hierdurch auch dichter gepacktere Spulenanordnung zur Verfügung gestellt werden. Dies ist insbesondere für Maschinen mit hoher Leistungsdichte von Vorteil.
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Allgemein können die einzelnen vorgefertigten Leitersegmente einen im Wesentlichen einheitlichen Leiterquerschnitt mit im Wesentlichen rechteckiger Grundform der Querschnittsfläche aufweisen. Mit anderen Worten können die Leitersegmente jeweils die Grundform eines rechteckigen Drahtes oder eines flachen Bandes aufweisen, welcher/welches aber insgesamt nicht vollständig planar sein muss, sondern durch Formung und Härten des Füllmittels in eine komplexere dreidimensionale Form gebracht sein kann. Diese komplexere Form kann dann beispielsweise lediglich planare Abschnitte aufweisen.
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Eine flache Grundform der Leitersegmente ist allgemein besonders vorteilhaft, um eine Vielzahl solcher Segmente platzsparend innerhalb einer übergeordneten Spulenanordnung mit hoher Packungsdichte zu stapeln. Auch dies ist wiederum vorteilhaft, um eine Maschine mit kompakter Bauweise und entsprechend hoher Leistungsdichte zur Verfügung zu stellen.
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Die einzelnen vorgefertigten Leitersegmente können jeweils auf einer planaren Grundstruktur basieren, die durch mehrere Knicke zu einem wannenförmigen Profil geformt ist. Eine solche Form der Leitersegmente kann vorteilhaft sein, um damit eine Spulenanordnung mit geraden - insbesondere in axialer Richtung liegenden - Leiterabschnitten und dazu beidseitig benachbart angeordneten schrägen Wicklungsabschnitten zur Überbrückung der in Umfangsrichtung vorliegenden Abstände darzustellen. Eine solche Form der Wicklung wird in der Fachwelt auch als „straight-with-end-turns“ Wicklung bezeichnet (z.B. im Artikel „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). Das beschriebene Wannenprofil kann vorteilhaft durch Knicken eines flachen gepressten Litzenleiters erzeugt werden, wobei beispielsweise entweder zwei oder vier solche Knickstellen eingebracht werden können, um aus dem planaren Leiter ein wannenförmiges Profil zu erzeugen: Insbesondere können zwei Knickstellen an den Übergängen zwischen dem zentralen, geraden Leiterabschnitt und den angrenzenden schrägen Leiterabschnitten vorgesehen sein. Die zwei optionalen zusätzlichen Knickstellen können weiter außen an diese jeweiligen schrägen Leiterabschnitte angrenzen und diese jeweils in einen Endbereich überführen, der zur Kontaktierung mit dem nächsten Leitersegment oder mit einem äußeren Stromkreis vorgesehen ist.
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Alternativ kann die Spulenanordnung jedoch auch als Schrägwicklung (helikale Wicklung) ausgestaltet sein. Insbesondere für eine solche Anordnung ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen vorgefertigten Leitersegmente als Helixabschnitte ausgebildet sind.
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Unabhängig von der genauen Form der einzelnen vorgefertigten Leitersegmente kann es vorteilhaft sein, wenn die Formgebung zur Bildung einer dreidimensionalen Struktur nach dem Pressen des planaren Litzenleiters, aber vor dem Härten des Füllmittels erfolgt. Alternativ ist es aber auch möglich - und unter Umständen besonders vorteilhaft - das Pressen zur Erzielung eines hohen Füllgrads und die Formgebung zur Bildung der gewünschten Struktur in einem gemeinsamen Prozessschritt durchzuführen. Durch die Zusammenfassung dieser beiden Schritte in einem Gemeinsamen Prozessschritt wird eine Doppelbelastung des Litzenleiters vermieden. Wenn der Litzenleiter nach diesem Pressen und Formgeben gleich anschließend (beispielsweise noch in der Pressform) vergossen oder auf andere Weise mit einem gehärteten Füllmittel umgeben wird, ist der Litzenleiter vor einer anschließenden Deformation der gewünschten Struktur geschützt. Allgemein kann durch das Aushärten des Füllmittels ein Beibehalten der so geformten dreidimensionalen Struktur bewirkt werden.
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Allgemein und unabhängig von der genauen Form der vorgefertigten Leitersegmente ist es vorteilhaft, wenn die Spulenanordnung eine Vielzahl untereinander gleich geformter und gleich dimensionierter Leitersegmente aufweist. Insbesondere können sogar alle Leitersegmente einer gegebenen Stromflussrichtung (also alle Hinleiter und/oder alle Rückleiter) innerhalb einer gegebenen Wicklungslage gleich geformt und gleich dimensioniert sein. Besonders vorteilhaft können sogar die Leitersegmente unterschiedlicher Stromflussrichtungen und/oder unterschiedlicher Lagen gleich geformt und/oder gleich dimensioniert sein. Ein wesentlicher Vorteil der genannten Ausführungsform ist, dass die Herstellung durch Verwendung von Gleichteilen wesentlich vereinfacht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die hohe Formtreue der beschriebenen Leitersegmente auch eine gute Stapelbarkeit mit entsprechend hoher Packungsdichte gegeben ist.
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Besonders vorteilhaft sind die Litzenleiter der Spulenanordnung so ausgestaltet, dass die leitfähigen Einzeldrähte darin eine Packungsdichte von wenigstens 70 %, insbesondere wenigstens 75 %, aufweisen. Eine solche Packungsdichte ist vorteilhaft, um eine elektrische Maschine mit besonders hoher Leistungsdichte zur Verfügung zu stellen. Litzenleiter mit derart hohen Packungsdichten können jedoch allgemein nicht mehr mit geringen Biegeradien gebogen werden, ohne dass es zu einer Schädigung des Litzenleiters kommt. Eine solche Schädigung kann beispielsweise durch ein Auffasern der einzelnen Drähte der Litze im Bereich der Biegung zum Ausdruck kommen. Unter einem „geringen Biegeradius“ soll im vorliegenden Zusammenhang ein Biegeradius verstanden werden, der kleiner als das Dreifache der Dicke der Litze (in radialer Richtung) ist.
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Die leitfähigen Einzeldrähte des Litzenleiters sind insbesondere aus einem normalleitenden Material - besonders vorteilhaft Kupfer oder einem kupferhaltigen Material- gebildet. Dies ist besonders vorteilhaft, um ohne eine aufwendige Kühlvorrichtung eine hohe Leitfähigkeit und insbesondere eine hohe Stromtragfähigkeit zu erreichen. Grundsätzlich aber alternativ auch eine supraleitende Ausgestaltung der Einzeldrähte möglich.
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Die einzelnen Litzenleiter - also die einzelnen vorgefertigten Leitersegmente - weisen vorteilhaft jeweils eine auf die Summe der einzelnen leitfähigen Einzeldrähte bezogene Querschnittsfläche von wenigstens 50 mm2 auf. Unter dieser genannten Querschnittsfläche soll also die Summe der Querschnittsflächen aller Einzeldrähte innerhalb eines vorgefertigten Leitersegments verstanden werden. Ein derartig hoher Leiterquerschnitt ist wiederum zweckmäßig, um eine elektrische Maschine innerhalb der vorteilhaften Bereiche für Leistung und/oder Leistungsdichte zur Verfügung zu stellen.
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Das für die Formgebung des Litzenleiters verwendete Füllmittel weist vorteilhaft eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 0,5 W/(m*K), insbesondere sogar wenigstens 1 W/(m*K), auf. Eine derart hohe thermische Leitfähigkeit des Füllmittels bewirkt vorteilhaft eine hohe thermische Leitfähigkeit des vorgefertigten Leitersegments insgesamt. Diese gesamte thermische Leitfähigkeit kann dabei insbesondere bei wenigstens 3 W/(m*K) oder sogar oberhalb von 4 W/(m*K) liegen. Durch ein starkes Verpressen kann sogar mit einem herkömmlichen Füllmaterial mit einer thermischen Leitfähigkeit im Bereich von etwa 0.2 W/(m*K) eine gesamte thermische Leitfähigkeit des Litzenleiters von 3 W/(m*K) oder mehr erreicht werden.
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Bei Verwendung von Materialien in den genannten Bereichen der thermischen Leitfähigkeit kann so eine effiziente Entwärmung der Litzenleiter, beispielsweise durch thermische Ankopplung an ein umgebendes Kühlmittel, erreicht werden. Bei entsprechend hoher thermischer Leitfähigkeit der Leitersegmente kann so ein Abtransport der beim Betrieb freigesetzten Wärme an ein fluides Kühlmittel gewährleistet werden. Dieses fluide Kühlmittel kann die Spulenanordnung umspülen und/oder in darin eingebetteten Kühlmittelkanälen strömen.
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Um eine entsprechend hohe thermische Leitfähigkeit zu erreichen, kann das Füllmittel beispielsweise ein Polymer, insbesondere ein Silikon oder Epoxidharz, enthalten. Zur weiteren Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit kann in ein solches Polymer zusätzlich noch ein Füllstoff mit einer noch höheren thermischen Leitfähigkeit eingebettet sein.
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Allgemein können die Einzeldrähte der Litzenleiter auf einem überwiegenden Teil ihrer Längsausdehnung von einem Isolationsmaterial umhüllt sein. Eine solche elektrische Isolation der einzelnen Drähte ist zweckmäßig, um Wechselstromverluste in einem solchen Litzenleiter gering zu halten. Ein solches Isolationsmaterial kann beispielsweise wiederum ein Polymer (insbesondere einen Polymerlack) oder auch ein elektrisch isolierendes Oxid umfassen. Auch dieses Isolationsmaterial weist vorteilhaft eine vergleichsweise hohe thermische Leitfähigkeit auf, die insbesondere im gleichen Bereich liegen kann wie die oben genannte thermische Leitfähigkeit des Füllmittels.
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Wenn die Einzeldrähte derart von einem Isolationsmaterial umhüllt sind, dann ist es vorteilhaft, wenn bei den vorgefertigten Leitersegmenten dieses Isolationsmaterial von den zu kontaktierenden Endbereichen entfernt ist. Dies gilt in analoger Weise für das Füllmittel des Litzenleiters. Eine solche Entfernung von Füllmittel und/oder Isolationsmaterial kann beispielsweise durch chemische oder mechanische Nachbehandlung des Leitersegments erfolgen. Diese Nachbehandlung kann insbesondere nach dem Pressen des Litzenleiters sowie vor der Positionierung des Leitersegments in der Spulenanordnung und vor dem Schritt der elektrischen Kontaktierung erfolgen. Sie kann entweder vor oder nach dem Härten des Füllmittels erfolgen.
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Allgemein können die einander zugeordneten Leiterzweige in ihren Endbereichen durch Schweiß- und/oder Lötverbindungen miteinander verbunden sein. Hierzu können die Einzeldrähte vor dem Schritt des Kontaktierens freigelegt worden sein, wie im vorherigen Absatz beschrieben. Als Kontaktierungsverfahren eignen sich insbesondere Laserschweißen, Laserlöten, Widerstandsschweißen und/oder Widerstandslöten (insbesondere mit Hartlot).
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Die einzelnen Leitersegmente der Spulenanordnung können vorteilhaft jeweils eine flache Grundstruktur mit zwei gegenüberliegenden Hauptflächen aufweisen. Dabei kann bei wenigstens einem Teil der Leitersegmente auf jeweils zumindest einer dieser Hauptflächen eine Mehrzahl von Abstandshaltern angeordnet sein. Durch diese Abstandshalter wird entsprechend beim Stapeln mehrerer solcher Leitersegmente ein Kühlmittelkanal zwischen benachbarten Leitersegmenten freigehalten. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, Kühlmittelkanäle mit relativ geringen Abständen innerhalb der Spulenanordnung vorzusehen, ohne dass dabei der Füllfaktor der leitenden Elemente allzu stark eingeschränkt wird. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die formstabilen vorgefertigten Leitersegmente im Zusammenspiel mit relativ klein dimensionierten Abstandshaltern eine präzise Definition von Kühlmittelkanälen mit geringem Querschnitt erlauben. Hierzu kann beispielsweise die Höhe der Abstandshalter (also die Abmessung in der Richtung senkrecht zur Leitersegmentoberfläche) zwischen 0,5 mm und 5 mm liegen. Allgemein können bei einer derartigen Ausführungsform die Abstandshalter ebenfalls aus dem Material des Füllmittels gebildet sein, was eine einfache Herstellung solcher Strukturen mithilfe einer Vergussform ermöglicht. Alternativ können Sie aber auch als zusätzliche Elemente auf der Oberfläche des Leitersegments angeordnet worden sein.
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Alternativ oder zusätzlich zu der vorab beschriebenen Ausführungsform mit Kühlmittelkanälen zwischen den Leitersegmenten können solche Kühlmittelkanäle auch innerhalb der einzelnen Leitersegmente eingebettet sein. Dies kann beispielsweise durch Einfügen von dünnen Rohren zwischen den zu vergießen Einzeldrähten des Litzenleiters ermöglicht werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Maschine kann die erfindungsgemäß ausgestaltete Spulenanordnung die Statorwicklung der Maschine sein oder einen Teil davon ausbilden. Um eine besonders hohe Leistung und/oder Leistungsdichte zu erreichen, kann eine derartige Maschine eine supraleitende Rotorwicklung aufweisen, die elektrisch mit der erfindungsgemäßen Statorwicklung zusammenwirkt. Es ist jedoch grundsätzlich nicht ausgeschlossen, dass es sich bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Spulenanordnung um die Rotorwicklung der elektrischen Maschine handelt, oder dass Rotorwicklung und Statorwicklung beide nach dem Prinzip der vorliegenden Erfindung ausgestaltet sind.
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Die erfindungsgemäß ausgestaltete Spulenanordnung der elektrischen Maschine kann insbesondere als Luftspaltwicklung ausgestaltet sein. Auch dies ist zur Erzielung einer hohen Leistungsdichte besonders vorteilhaft.
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Die elektrische Maschine ist vorteilhaft für eine Nennleistung von wenigstens 2 MW, insbesondere sogar wenigstens 5 MW ausgelegt. Alternativ oder zusätzlich kann sie vorteilhaft eine Leistungsdichte von wenigstens 10 kW/kg, insbesondere sogar wenigstens 20 kW/kg aufweisen. Eine hohe Leistungsdichte 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 und Ausführungsform der Maschine kann diese allgemein entweder als Motor und/oder als Generator betrieben werden. Besonders vorteilhaft kann die Maschine als Synchronmaschine ausgestaltet sein.
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Bei der Spulenanordnung kann es sich insbesondere bei der Ausführungsform als Statorwicklung um eine dreiphasige Wicklung handeln oder um eine Wicklung mit einer Strangzahl n, wobei n ein Vielfaches von drei ist.
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Die elektrische Maschine ist vorteilhaft als elektrische Wechselstrom-Maschine mit einer magnetischen Polzahl p ausgestaltet. 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 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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Bei dem Verfahren kann vorteilhaft im Rahmen der Herstellung der einzelnen Leitersegmente und vor ihrer Positionierung innerhalb der Spulenanordnung die Isolation der Einzelleiter und/oder das umgebenden Füllmittel in einem oder mehreren Endbereichen des Litzenleiters entfernt werden. Anschließend kann vorteilhaft ein Kompaktieren der derart freigelegten Leiterenden erfolgen, um eine schlüssige Verbindung der Einzelleiter in diesem Bereich zu erzielen. Dieser Schritt trägt ebenfalls dazu bei, die spätere Kontaktierung des Leitersegments in dem betreffenden Endbereich zu erleichtern. Nach dem Positionieren innerhalb der Spulenanordnung ist eine solche Kompaktierung dagegen aus Platzgründen deutlich schwerer zu erreichen.
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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 Spulenanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,
- 3 einen Ausschnitt einer Spulenanordnung nach dem Stand der Technik zeigt,
- 4 eine schematische Darstellung einer Spulenanordnung nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt,
- 5 eine schematische Darstellung eines vorgefertigten Leitersegments in der Spulenanordnung der 4 zeigt,
- 6 eine schematische Detailansicht eines Endbereichs eines vorgefertigten Leitersegments zeigt,
- 7 eine schematische Darstellung einer zylindrischen Spulenanordnung mit mehreren Einzelspulen nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt,
- 8 eine schematische Darstellung einer zylindrischen Spulenanordnung mit mehreren Einzelspulen nach einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt und
- 9 eine einzelne Spule der Spulenanordnung der 8 zeigt.
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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 einen 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 wi auf. Diese Statorwicklung 4 kann beispielsweise als gerade Wicklung mit schrägen Endbereichen („straight with end turns“) oder auch als helikale Wicklung ausgebildet sein, wie im Zusammenhang mit den detaillierteren Ausführungsbeispielen noch deutlich werden wird. In jedem Fall weist jede der einzelnen Leiterwindungen wi wenigstens zwei Leiterzweige auf, von denen einer bezüglich der zentralen Achse A als Hinleiter und der andere als Rückleiter ausgebildet ist. Insgesamt sind die Leiterzweige der einzelnen Leiterwindungen wi auf zwei Zylindermantelflächen verteilt, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch als Wicklungslagen bezeichnet werden. Es handelt sich hier um 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. In den axialen Endbereichen 17 der Statorwicklung 4 sind einander zugehörige Leiterzweige der Oberlage 4b und der Unterlage 4a elektrisch leitend miteinander verbunden, sodass sich eine übergeordnete Statorwicklung 4 ergibt. Im axial innenliegenden Bereich l sind 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 amagnetisch 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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Der genaue Aufbau der Statorwicklung 4 in der elektrischen Maschine 1 der 1 aus Spulenanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung soll im Zusammenhang mit den folgenden Figuren näher erläutert werden.
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So zeigt 2 eine schematische perspektivische Ansicht einer einzelnen Spule 21i, wie sie beispielsweise als Teil einer Spulenanordnung in der Statorwicklung 4 der elektrischen Maschine der 1 zum Einsatz kommen kann. In typischen Statorwicklungen werden die verwendeten Spulenanordnungen zweckmäßig eine Vielzahl solcher einzelnen Spulen 21i aufweisen, die dann beispielsweise in der Art einer verteilten Wicklung über den gesamten Umfang der Statorwicklung verteilt angeordnet sind. Prinzipiell reicht es aber aus, dass eine gemäß der Erfindung ausgeführte Spulenanordnung nur eine einzelne derartige Spule 21i umfasst. Die in 2 dargestellte einzelne Spule 21i weist zwei Leiterwindungen auf, die hier als w1 und w2 bezeichnet sind. Jede dieser beiden Leiterwindungen w1 und w2 weist wiederum zwei einzelne Leiterzweige auf, von denen einer jeweils als Hinleiter 23a und der andere als Rückleiter 23b ausgebildet ist. Bezüglich der vorgegebenen Stromflussrichtung 25, die für die elektrische Maschine mit der Richtung der zentralen Achse A gleich ist, unterscheiden sich somit die relativen Stromflüsse in den Hinleitern 23a und den Rückleitern 23b.
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Alle vier dargestellten Leiterzweige 23a und 23b der beiden Windungen w1 und w2 sind im gezeigten Beispiel als vorgefertigte Leitersegmente 27 ausgebildet, die jeweils als verpresste und anschließend durch Vergießen mit einem Füllmittel in eine stabile Form gebrachte Litzenleiter vorliegen. Da die in den axialen Endbereichen 17 miteinander elektrisch zu verbindenden Leiterzweige 23a und 23b unterschiedlichen Wicklungslagen angehören, muss zwischen ihnen hier der radiale Abstand r überwunden werden. Um eine derartige elektrische Kontaktierung mit geringem Platzbedarf zu erreichen, sind die einzelnen Leitersegmente 27 durch nachträglich eingebrachte Kontaktstellen 29 miteinander verbunden. Diese elektrischen Kontakte 29 können beispielsweise durch Schweißen oder Löten der vorpositionierten vorgefertigten Leitersegmente 27 erhalten werden. Mit anderen Worten kann es sich also bei diesen Kontaktstellen beispielsweise um Schweiß- oder Lötstellen handeln, bei denen die einander innerhalb der Spule 21i zugeordneten Leiterzweige über ihre Kontaktflächen elektrisch miteinander verbunden sind. Im Bereich dieser Kontaktflächen wird also ein vergleichsweise großflächiger elektrischer Kontakt zwischen den einzelnen vorgefertigten Litzenleitern 27 hergestellt, wobei jeweils eine Vielzahl von Einzeldrähten des einen Leiters mit einer Vielzahl von Einzeldrähten des anderen Leiters in elektrischen Kontakt gebracht werden. Um diese Kontaktierung zu ermöglichen bzw. zu erleichtern, werden die vorgefertigten Leitersegmente 27 zweckmäßig vor dem Kontaktieren in ihren Endbereichen 17 sowohl von Isoliermaterial zwischen den Einzeldrähten als auch von Füllmittel befreit oder von vorneherein von diesen Materialien freigehalten. Nach dem Freilegen der Endbereiche und vor der Positionierung der Litzenleiter in der Spulenanordnung können die Leiterenden noch kompaktiert werden, um sie besser kontaktieren zu können.
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Insgesamt liegen innerhalb der in 2 gezeigten Spule 21i mit ihren zwei Windungen und vier Leiterzweigen drei nachträglich eingebrachte Kontaktstellen 29 vor, sodass eine übergeordnete Wicklung entsteht. In dem in 2 hinten liegend dargestellten Endbereich sind die beiden außenliegenden Leiterzweige (vorderer Hinleiter 23a und hinterer Rückleiter 23b) nicht mehr mit einem nachfolgenden Leiterzweig, sondern stattdessen mit einem äußeren Stromkreis verbunden. Dies schließt auch die Möglichkeit einer elektrischen Verbindung mit anderen derartigen Spulen 13i mit ein.
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Die vorgefertigten Leitersegmente 27 in der Spule 21i der 2 weisen jeweils ein wannenförmigen Längsprofil auf, wobei ein sich axial erstreckender innerer Leiterabschnitt 31a jeweils von 2 schräg liegenden äußeren Leiterabschnitten 31b flankiert wird. Die axiale Länge der inneren Leiterabschnitte 31a definiert hierbei die axiale Länge des wesentlichen elektrisch aktiven Bereichs der entsprechenden elektrischen Maschine.
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Das beschriebene Vergießen der vorgefertigten Leitersegmente 27 mit einem Füllmittel und das anschließende Härten dieses Füllmittels ermöglichen es, diese Leitersegmente 27 sehr formstabil und dimensionstreu auszuführen. Die beschriebene nachträgliche Kontaktierung erlaubt es, trotz der geringen Beweglichkeit dieser vorgefertigten Leitersegmente den radialen Abstand r zwischen den beiden dargestellten Wicklungslagen mit geringem Raumbedarf für den Wicklungskopf zu überbrücken. Da hier kein einstückiger Leiter gebogen werden muss, besteht der Wicklungskopf nur aus den Endbereichen 17 der Leiterzweige und den jeweils dazwischen angeordneten Kontaktstellen 29. Der Platzbedarf hierfür ist wesentlich geringer, als dies beim Biegen eines einstückigen, relativ steifen Litzenleiters möglich wäre.
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3 zeigt zum Vergleich einen Ausschnitt einer ähnlichen herkömmlichen Spule 21i aus zwei Windungen w1 und w2. Diese herkömmliche Spule 21i wurde allerdings durch Wickeln eines einstückigen Litzenleiters 28 erzeugt. Im hier dargestellten axialen Endbereichen 17 wird eine Überbrückung des radialen Abstands r zwischen den beiden gezeigten Lagen durch ein Biegen dieses Litzenleiters mit einem sehr engen Biegeradius erreicht. Dieser Biegeradius ist wesentlich kleiner als die Breite und sogar kleiner als die Dicke des verwendeten Litzenleiters 28. Durch eine derart enge Biegung kommt es sehr leicht zu einer Schädigung dieses Litzenleiters 28, beispielsweise durch ein Auffasern der Einzeldrähte im Krümmungsbereich. Dieser Nachteil wird bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Spule 21i gemäß 2 vorteilhaft vermieden. Es wird dort nicht nur eine stabile elektrische Verbindung zwischen den Leiterzweigen auf engem Raum erreicht, sondern es wird durch Verwendung des gehärteten Füllmittels gleichzeitig eine hohe Formstabilität der einzelnen Leiterzweige erreicht.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist ebenfalls in 2 zu erkennen: durch das Vergießen der vorgefertigten Leitersegmente 27 mit einem Füllmittel können auf einfache Weise Abstandshalter im Bereich der Oberflächen der Leitersegmente 27 vorgesehen werden. Solche Abstandshalter ermöglichen es, mit vergleichsweise geringem Platzbedarf wohl definierte Kühlkanäle 35 zwischen den benachbarten Leiterwindungen w1 und w2 freizuhalten. In derartigen Kühlkanälen 35 kann ein fluides Kühlmittel strömen, wodurch eine effiziente Entwärmung der einzelnen Leiterzweige beim Betrieb der elektrischen Maschine gewährleistet werden kann.
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4 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Spule 21i, die als Grundlage einer Spulenanordnung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dient. Auch hier kann die Spulenanordnung darum entweder nur eine oder eine Vielzahl derartiger einzelner Spulen 21i umfassen. Die hier dargestellte Spule 21i ist im Wesentlichen analog aufgebaut zu der im Beispiel der 2 dargestellten Spule 21i. Auch hier umfasst die Spule 21i zwei Leiterzweige w1 und w2, die jeweils einen Hinleiter 23a und einen Rückleiter 23b aufweisen. Diese einzelnen Leiterzweige sind auch hier jeweils als vorgefertigte Leitersegmente 27 gebildet. Sie können beispielsweise entweder durch Vergießen eines gepressten Litzenleiters mit einer Vergussmasse oder durch Imprägnieren mit einem Imprägniermittels und anschließendes Härten der Vergussmasse oder des Imprägniermittel (also des Füllmittels) in eine mechanisch feste Form gebracht werden. Auch hier weisen die einzelnen Segmente 27 jeweils einen inneren Leiterabschnitt 31a und zwei dazu benachbarte schräge äußere Leiterabschnitte 31b auf. Im Unterschied zum Beispiel der 2 schließt sich an diese schrägen Leiterabschnitte 31b jeweils noch ein axialer Endabschnitt 31c an, der ebenfalls Teil des vorgefertigten Leitersegments ist. Mit anderen Worten weisen diese vorgefertigten Leitersegmente 27 ähnlich wie in 2 ebenfalls ein wannenförmiges Längsprofil auf. Im Unterschied dazu weisen sie doch jeweils nicht nur zwei Knicke, sondern vier Knicke 32 pro Leitersegment 27 auf. Hierdurch wird erreicht, dass sich die vorgefertigten Leitersegmente 27 auch in ihren Endbereichen 17 entlang der vorgegebenen Stromflussrichtung 25 erstrecken, entlang derer auch die inneren Leiterabschnitte 31a ausgerichtet sind. Diese vorgegebene Stromflussrichtung 25 entspricht in der gesamten Spulenanordnung der Statorwicklung 4 einer elektrischen Maschine der Richtung der zentralen Rotationsachse A. Es wird also durch den zusätzlichen Knick in jedem Endbereich 17 erreicht, dass sich hier die jeweils elektrisch miteinander zu verbindenden Leitersegmente 27 entlang derselben Richtung 25 erstrecken. Hierdurch wird eine größere Kontaktfläche zwischen den jeweils zu verbindenden Segmenten geschaffen, die wie in 4 gezeigt durch die nach dem Positionieren der Leitersegmente gebildeten Kontaktstellen 29 elektrisch verbunden werden. Ein Vorteil dieser Ausführungsform gegenüber dem Beispiel der 2 ist also entsprechend der großflächigere Kontakt in den axialen Endbereichen 17. Hierdurch fallen unter Umständen die elektrischen Verluste im Bereich dieser nachträglich geschaffenen Kontaktstellen 29 niedriger aus. Die Ausführungsform gemäß 2 weist jedoch den Vorteil auf, dass die gesamte Spulenanordnung der Statorwicklung 4 axial deutlich kürzer ausgestaltet werden kann. Hierdurch kann eine kompaktere Bauform und ein niedrigeres Gewicht, also unter Umständen eine höhere Leistungsdichte erreicht werden. Welche Bauform insgesamt die günstigere ist, hängt unter anderem davon ab, wie viel Platz in axialer Richtung zur Verfügung steht und welche elektrischen Verluste im Bereich der Kontaktstellen 29 toleriert werden können.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein einzelnes vorgefertigtes Leitersegment 27 in schematische perspektivische Ansicht. Auch dieses vorgefertigte Leitersegment 27 weist ein wannenförmiges Profil und einen einheitlichen, im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Eine solche im wesentlichen planare Grundform ist günstig, um derartige Leitersegmente 27, bzw. mit solchen Leitersegmenten ausgebildete Spulen 21i mit einer hohen Packungsdichte über den Umfang der gesamten Spulenanordnung zu stapeln. Dies wird durch die in 7 gezeigte vollständige Spulenanordnung 21 verdeutlicht. In der Ansicht der 5 ist weiterhin zu erkennen, dass das vorgefertigte Leitersegmente 27 auf einer oder mehrerer seiner Oberflächen mit Abstandshaltern 37 versehen sein kann. Hier ist beispielhaft nur die nach innen weisende Oberfläche des inneren Leiterabschnitts 31a mit solchen Abstandshaltern versehen. Dies ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen, und es kann vorteilhaft die gesamte nach innen weisende Oberfläche des Leitersegments (also auch im Bereich der äußeren Leiterabschnitte 31b) und/oder weitere Flächen des Leitersegments 27 mit solchen Abstandshaltern 37 versehen sein. Ein Vorteil derartiger Ausführungsformen mit Abstandshaltern ist, dass durch diese ein Kühlmittelkanal 35 zwischen benachbarten Leitersegmenten definiert werden kann, durch den ein fluides Kühlmittel strömen und so die Spulenanordnung effektiv kühlen kann.
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6 zeigt beispielhaft und sehr stark schematisch den Endbereich 17 eines vorgefertigten Leitersegments 27, wie es in den Spulenanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann. Beispielhaft sind hier nur drei Einzeldrähte 38 als Teile dieses Litzenleiters gezeigt, die jedoch stellvertretend für eine wesentlich größere Zahl von Einzeldrähten stehen sollen, beispielsweise einige 10 bis einige 1000. Die Drahtzahl kann sehr stark schwanken, je nachdem welcher Drahtdurchmesser und welche Stromtragfähigkeit benötigt werden. Auf dem größten Teil der Länge des Leitersegments 27 sind diese Einzeldrähte 38 jeweils von einem elektrisch isolierenden Isolationsmaterial 39 umgeben. Die so isolierten Einzeldrähte sind wiederum gemeinsam in ein Füllmaterial 40 eingebettet. Dieses kann entweder als Vergussmittel in einem Vergussverfahren um die zuvor miteinander verpressten Einzeldrähte 38 gegossen worden sein oder es kann in einem Imprägnierverfahren als Imprägniermittel (beispielsweise als Backlack) um die Einzeldrähte 38 herum aufgebracht worden sein. In jedem Fall ist das Füllmaterial 40 nach seinem Einbringen zwischen die Einzeldrähte 38 ausgehärtet worden, sodass das Leitersegment 27 hierdurch eine erhöhte mechanische Festigkeit und Formstabilität erhalten hat. In dem gezeigten Endbereich 17, in dem dieses Leitersegment 27 an ein anschließendes Leitersegment innerhalb der Spulenanordnung kontaktiert werden soll, sind hier sowohl Isolationsmaterial 39 als auch Füllmittel 40 entfernt worden. Diese Entfernung kann durch ein chemisches und/oder mechanisches und/oder thermisches Verfahren bewirkt worden sein, beispielsweise durch Ätzen. Die nun in diesem Endbereich 17 freiliegenden Einzeldrähte 38 (von denen wie gesagt eine wesentlich höhere Anzahl vorliegt) können nun in diesem Bereich über eine nachträglich zu schaffende Kontaktstelle mit einem weiteren derartigen Leitersegment elektrisch verbunden werden, beispielsweise durch Schweißen oder Löten. Die Einzeldrähte 38 des Litzenleiters sind über dessen Länge vorteilhaft miteinander verdrillt beziehungsweise verseilt, was jedoch der Übersichtlichkeit halber in 6 nicht gezeigt ist. Ebenso werden die Einzelleiter im Endbereich durch eine hier nicht dargestellte Kompaktierung miteinander in Kontakt gebracht.
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7 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer Spulenanordnung 21 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese Spulenanordnung 21 weist eine Vielzahl von einzelnen Spulen 21i auf, die zum Beispiel jeweils ähnlich wie in den Ausführungsbeispielen der 2 oder 4 ausgestaltet sein können. Diese einzelnen Spulen 21i sind jeweils so miteinander gestapelt, dass sich insgesamt eine übergeordnete Spulenanordnung 21 mit einer zylindrischen Grundform ergibt. Diese Spulenanordnung kann beispielsweise als Statorwicklung 4 in einer elektrischen Maschine 1 ähnlich wie in der 1 zum Einsatz kommen. Die zentrale Achse A der Spulenanordnung entspricht dann also der Rotationsachse A der elektrischen Maschine. Die Spulenanordnung 21 der 7 weist zwei unterschiedliche Wicklungslagen auf, nämlich eine Unterlage, die innerhalb einer inneren Zylindermantelfläche 20a ausgebildet ist, und eine Oberlage, die innerhalb einer äußeren Zylindermantelfläche 20b ausgebildet ist. Jede der gezeigten (hier 36) Einzelspulen 21i weist wiederum ähnlich wie in den 2 und 4 jeweils zwei Leiterwindungen auf (hier allgemein mit dem Bezugszeichen wi bezeichnet), wobei jede Windung wi einen Hinleiter und einen Rückleiter aufweist. Es können nun beispielsweise alle Hinleiter der einzelnen Spulen 21i innerhalb einer gemeinsamen Wicklungslage angeordnet sein, und alle Rückleiter können innerhalb der anderen Wicklungslage angeordnet sein. Auf diese Weise wird über alle einzelnen Spulen 21i insgesamt eine sehr hohe Packungsdichte erzielt, da Überkreuzungen der einzelnen Leiterzweige innerhalb einer Wicklungslage vorteilhaft vermieden werden.
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Zur Verdeutlichung der verschiedenen möglichen Ausführungsformen zeigt die 7 beispielhaft eine Mischung der zuvor diskutierten möglichen Arten der Kontaktstellen 29: So ist im vorne dargestellten axialen Endbereich 17a ein Kontaktierungstyp ähnlich wie in 4 gezeigt. Mit anderen Worten weisen die einzelnen Leitersegmente 27 hier auch Endabschnitte 31c auf, die sich entlang der gleichen vorgegebenen Stromflussrichtung 25 erstrecken, welche hier der Richtung der zentralen Zylinderachse A entspricht. Die Leitersegmente 27 weisen also in ihren axialen Endbereichen 17a einen zusätzlichen Klick auf, wodurch insgesamt der Überlapp zwischen den zu verbindenden Segmenten erhöht wird und der elektrische Widerstand im Bereich der Kontaktstellen 29 vermindert wird. Als Beispiel für eine andere Ausführungsform ist im hinten dargestellten axialen Endbereich 17b eine alternative Form und Art der Kontaktierung dargestellt, ähnlich wie im Beispiel der 2. Hier werden also jeweils die schrägen äußeren Leiterabschnitte 31b in ihrem Überlappbereich direkt miteinander verbunden, ohne dass durch einen weiteren Knick ein eigener Kontaktabschnitt in axialer Richtung geschaffen wird. Hierdurch wird in dem hinteren axialen Endbereich 17b erheblich Platz eingespart, und die gesamte Spulenanordnung 21 kann in axialer Richtung deutlich kürzer ausgeführt werden. So wird erreicht, dass die axiale Länge der gesamten Spulenanordnung 21 nicht noch mehr als nötig über die elektrisch aktive Länge dieser Spulenanordnung hinausgeht, welche im Wesentlichen der axialen Länge der geraden, inneren Leiterabschnitte 31a entspricht. In einer realen Spulenanordnung 21 würde zweckmäßig in beiden axialen Endbereichen 17a und 17b die gleiche Art von Kontaktierung und Leiterform gewählt. Die beiden unterschiedlichen Varianten sind hier nur beispielhaft mithilfe einer gemeinsamen Figur erklärt.
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8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Spulenanordnung 21, welche ebenfalls insbesondere als Statorwicklung einer elektrischen Maschine geeignet ist. Auch diese Spulenanordnung 21 weist eine Mehrzahl (hier zwölf) einzelne Spulen 21i auf. Jede dieser einzelnen Spulen 21i erstreckt sich über den gesamten Umfang der Spulenanordnung 21 und weist dabei vier Hinleiter 23a und vier Rückleiter 23b auf. Dieser Aufbau wird durch 9 verdeutlicht, in der nur eine ausgewählte Spule 21i der Spulenanordnung der 8 dargestellt ist. Die gezeigte Aufteilung einer solchen verteilten Spule 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.
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Jeder dieser Teilleiter 23a, 23b ist wiederum als vorgefertigtes Leitersegment 27 gebildet, welches analog zu den vorherigen Ausführungsbeispielen als gepresster und mit einem gehärteten Füllmittel in eine feste Form gebrachter Litzenleiter vorliegt. Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen sind die einzelnen Leitersegmente hier als Helixabschnitte ausgebildet. Es handelt sich hier also um eine helikale Wicklung, deren einzelne helixartige Leiterzweige in ihren axialen Endbereichen 17 wiederum über nachträglich eingefügte Kontaktstellen 29 zwischen den vorgefertigten Leitersegmenten verbunden sind. Auch bei einer solchen helikalen Wicklung (auch als Schrägwicklung bezeichnet) kommen die Vorteile der Erfindung wie oben beschrieben zum Tragen: auch hier kann eine sehr dichte Packung der einzelnen Spulen 21i erreicht werden und der Platzbedarf für die Verbindung der einzelnen Leiterzweige zwischen den beiden Wicklungslagen (Unterlage 4a und Oberlage 4b) kann durch die nachträgliche Kontaktierung gering gehalten werden. Weiterhin wird durch das Verpressen und Härten der einzelnen Leitersegmente bei ihrer vorangehenden Fertigung eine hohe Formtreue und mechanische Festigkeit erreicht. Insbesondere können - sowohl hier als auch bei den vorherigen Ausführungsbeispielen - die Leitersegmente untereinander zumindest gruppenweise mit gleicher Form und Größe ausgestaltet werden. So können hier beispielsweise alle Leitersegmente der Oberlage untereinander gleich ausgebildet sein und es können alle Leitersegmente der Unterlage untereinander gleich ausgebildet sein. So können innerhalb jeder dieser beiden Gruppen die Leitersegmente beispielsweise mit der gleichen Gussform hergestellt werden, was besonders vorteilhaft zur einfachen Herstellbarkeit und zur Reproduzierbarkeit der Formgebung und somit zu einer hohen Packungsdichte beiträgt.
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Bei der Spulenanordnung 21 der 8 sind die einzelnen Spulen 21 drei elektrischen Strängen 41, 42 und 43 zugeordnet. Diese Stränge entsprechen einzelnen Phasen des Dreiphasen-Wechselstroms, der mit der elektrischen Maschine entweder generiert oder in mechanische Energie umgesetzt werden kann. Jeder Strang weist vier in Umfangsrichtung nebeneinanderliegende Einzelspulen 21i auf, die jeweils aus einer Mehrzahl von zu einer Leiterschleife verbundenen Leiterzweigen zusammengesetzt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „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 [0022]
