DE102017102314A1 - Wicklung einer elektrischen Maschine mit gesteigertem Füllgrad - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (100) aufweisend: mindestens einen Stator (110) mit zwei radialsymmetrischen Deckflächen (120); wobei der Stator (110) mindestens zwei Nuten (130) aufweist und sich diese jeweils in axialer oder schräg-axialer Richtung von einer Deckfläche (120) zur gegenüberliegenden Deckfläche (120) durch den gesamten Stator (110) hindurch- sowie in radialer Richtung in den Stator (110) hineinerstrecken und eine innenliegende Stirnflächen (330) aufweisen; und zumindest eine Flachdrahtwicklung (140), gebildet aus mindestens zwei Spulenwindungen (220) mittels einem Flachdraht (210). Wobei diese (220) frei von Fügestellen und derart übereinander gestapelt angeordnet sind, dass der Flachdraht (210) jeweils überwiegend parallel zum jeweils benachbarten Flachdraht (210) verläuft und überwiegend aneinander angrenzend gebildet ist. Wobei die Flachdrahtwicklung (140) zumindest teilweise derart innerhalb der Nuten (130) eingebracht ist, dass die erste Spulenwindung (220) überwiegend angrenzend an die Stirnfläche (330) der jeweiligen Nut (130) verläuft und zumindest ein Bereich der Flachdrahtwicklung (140), der außerhalb der Nuten (130) angeordnet ist, entlang eines nutfreien Bereichs (180) angeordnet ist, und überwiegend parallel zur jeweiligen Deckfläche (120) verläuft.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine elektrische Maschine, insbesondere eine Wicklung einer elektrischen Maschine mit gesteigertem Füllgrad.
• Die Erfindung betrifft allgemein rotierende elektrische Maschinen mit mehreren Phasen und einer verteilten Wicklung. Drehfeldmaschinen werden durch Wechselströme, oder Wechselspannung, gespeist, welche die gleiche Frequenz aufweisen und um einen festen Phasenwinkel zu einander verschoben sind. In Drehfeldmaschinen wird ein drehendes Magnetfeld dadurch erzeugt, dass eine zur Anzahl der Wechselströme, oder Wechselspannungen, korrespondierende Anzahl an Spulen räumlich um feste Winkel zueinander angeordnet sind, wobei diese Winkel möglichst den festen Phasenwinkeln der speisenden Wechselströme, bzw. Wechselspannungen entsprechen. Die Leiter, bzw. Spulenwindungen, welche sich zu einer dieser Spulen zuordnen lassen werden dann allgemein als zu dieser Phase zugehörig bezeichnet. Im Falle einer Maschine mit drei Phasen, spricht man dann auch von einer Dreiphasenwechselstrommaschinen. Bei einer verteilten Wicklung wird im Unterschied zur konzentrierten Wicklung nicht jeder Zahnpol einzeln bewickelt, sondern Spulen welche mehrere Zahnpole umfassen in die Statornuten eingebracht. Hierin ist unter „Statornut“ eine Nut zu verstehen, die zur Füllung mit einer Wicklung mit einem elektrisch leitfähigen Draht bzw. Flachdraht vorgesehen ist und in den Stator gefräst, gestanzt, gelasert, wasserstrahlgeschnitten, erodiert und/oder geschnitten bzw. jeweils in ein Statorblech eines Statorblechpakets gefräst, gestanzt, gelasert, wasserstrahlgeschnitten, erodiert und/oder geschnitten wurde. Hierin ist unter einem Flachdraht ein Draht zu verstehen, dessen Querschnitt im Wesentlichen gemäß einem Rechteck bzw. quadratisch ist, wobei die Kanten zumindest teilweise abgerundet bzw. abgeschrägt sein können. D.h. mit anderen Worten, dass ein Flachdraht einen im Wesentlichen rechteckigen bzw. quadratischen Querschnitt aufweist, wobei die Kanten des Querschnitts zumindest teilweise schräg bzw. eine Rundung aufweisen können. Der Flachdraht kann zumindest eines der Materialien aus der Gruppe von elektrisch leitfähigen Materialien aufweisen bzw. daraus gebildet sein, wobei diese Gruppe umfasst:
• Kupfer, Kupferlegierungen, Silber, Silberlegierungen, Gold, Goldlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierung oder jedes weiter elektrisch leitfähige oder supraleitende Material. Erfindungsgemäß ist der Draht bzw. der Flachdraht derart gebildet, dass bei der Wicklung des Drahts bzw. Flachdrahts an den Kontaktpunkten bzw. - flächen ein Kurzschluss verhindert wird. D.h. der Draht kann zumindest teilweise mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet sein und/oder es kann zwischen aneinander angrenzenden Drahtwicklungen elektrisch isolierendes Material angeordnet sein.
• Auch die Kontaktpunkte bzw. -flächen zwischen Draht bzw. Flachdraht und Statorblech sind mit zumindest einem der oben genannten elektrisch isolierenden Materialien voneinander elektrisch isoliert.
• Das elektrisch isolierende Material weist zumindest ein Material aus der Gruppe von elektrisch isolierenden Materialien auf bzw. ist daraus gebildet, wobei diese Gruppe umfasst: Flächenisolierstoffe zum Beispiel aus Kunststofffolien wie Polyimid, Polyester, Polyetheretherketon, Polyamid, Polyethylen oder anderen Thermoplasten oder anderen Flächenwerkstoffen wie Aramid-Papier, Glasgewebe oder ähnlich, welche auch z.B. mit Harz getränkt werden können. Es können auch verschiedene Folien mit unterschiedlichen Eigenschaftsprofilen in sogenannten Mehrschichtisolationsystemen aufeinander verbunden werden. Sinnvoll ist dies, wenn mechanisch widerstandsfähige Schichten eine andere, elektrisch hoch-isolierende Schicht ein- oder beidseitig schützen. Neben den flexiblen Isolierstoffen können auch vorgeformte Isolierstoffe aus der Gruppe der Keramiken, Glimmer oder der Duroplaste verwendet werden. Ebenso möglich sind bei niedrigeren Spannungsanforderungen Beschichtungen des Stators zum Beispiel durch Pulverbeschichten, aber auch Tränken mit Harz oder der Verzicht auf einen zusätzlichen Flächenisolierstoff. Die zwischen den Statornuten verbleibenden Bereiche werden als Zahn oder Zahnpol bezeichnet.
• Insbesondere betrifft die Erfindung einen Stator mit mindestens einer Wicklung bzw. einer Flachdrahtwicklung. Mittels Flachdrahtwicklungen können gesteigerte Füllgrade erreicht werden. Hierin wird unter einem gesteigerten Füllgrad verstanden, dass mittels der Wicklung bzw. Flachdrahtwicklung es ermöglicht wird, dass das maximal zu Verfügung stehende Volumen in den dafür vorgesehenen Nuten in den Statornuten vollständig bzw. möglichst vollständig genutzt wird. Der Begriff „gesteigert“ bezieht sich hierin auf bisherige konventionelle Lösungen, wie bspw. Wicklungen mit einem Runddraht. Mit anderen Worten, mittels einer erfindungsgemäßen Wicklung bzw. Flachdrahtwicklung soll das in den Statornuten bereitgestellte Volumen für die Wicklung bzw. Flachdrahtwicklung vollständig bzw. nahezu vollständig befüllt bzw. genutzt werden, wobei hierbei keine bzw. lediglich eine geringe Anzahl an Fügestellen erforderlich ist.
• Bei konventionellen Lösungen wird oftmals eine vergleichbare Wicklung dadurch gebildet, dass man den Stator segmentiert und nach Einlegen einer vorgeformten Wicklung zusammen „schiebt“. Der Aufwand für die Segmentierung und die elektromagnetischen Nachteil sind jedoch sehr hoch.
• WO 2007 / 146 252 A2 offenbart ein Verfahren zum Erzielen eines hohen Kupferfüllgrad mit verteilter Wicklung, welches an einem nicht segmentierten Statorpaket eingesetzt werden kann. Hierzu werden vorgeformte Kupferstäbe mit rechteckigem Querschnitt durch die Nuten eines Stators gesteckt, auf der gegenüberliegenden Seite umgeformt und durch ein Fügeverfahren, wie Schweißen oder Crimpen, miteinander leitend verbunden. Hierdurch entsteht eine mehrphasige Wicklung mit hohem Füllfaktor. Die nach diesem Verfahren gebildeten Wicklungen weisen eine hohe Anzahl an Fügestellen auf. Fügestellen zeichnen sich durch schlechtere mechanische und elektrische Eigenschaften aus, als durchgängiger Draht. Für die Fertigung der Fügestellen wird ausreichend Platz benötigt. Aus diesen Gründen ist diese Art der Wicklung nur sinnvoll, wenn eine geringe Anzahl an Windungen und große Drahtquerschnitte verwendet werden. Große Drahtquerschnitte in radialer Nutrichtung führen jedoch zu zusätzlichen Stromverdrängungseffekten und Wirbelströmen in den Leitern und dadurch zu höheren Verlusten bei hohen elektrischen Frequenzen.
• Zudem ist die Maschinenauslegung durch die niedrige Windungszahl eingeschränkt.
• In EP 1 255 344 A1 ist ein Verfahren offenbart, nach dem eine vorgefertigte Wicklung aus Flachdrähten in einen segmentierten Stator eingebracht wird. Das Einlegen der Wicklung ist dabei nur durch anschließendes oder gleichzeitiges zusammenfügen der Statorsegmente möglich. Die Fügestelle der Statorsegmente kann beispielhaft durch einen Schwalbenschwanzverbindung ausgeführt werden. Das Fügen von segmentierten Statorblechpaketen führt zu einem zusätzlichen Luftspalt in der Verbindungsstelle und häufig auch zu ungewollten elektrischen Verbindungen zwischen verschiedenen Blechebenen der Blechpakete, hervorgerufen zum Beispiel durch einen leichten axialen Versatz oder Gradbildung beim Fügen. Zusätzliche Luftspalte führen zu einem erhöhten Magnetisierungsstrombedarf des Elektroblechs und elektrische Verbindungen zwischen den Blechebenen zu zusätzlichen Wirbelströmen.
• Gemäß CA 2539592 A1 ist ein Verfahren zum Einsetzen vorgefertigter Spulen aus Flachdraht in die offenen Nuten eines Statorpakets offenbart. Stromverdrängungseffekte und Wirbelstromverluste in den Flachleitern werden minimiert, indem die Flachdrähte der Spulen mit ihrer breiteren Seite aufeinander liegend ausgeführt sind. Um die Spulen durch den Nutschlitz einsetzen zu können, muss der Nutschlitz größer als die Breite der Spule sein, also breiter als die breitere Kantenlange des Flachdrahtquerschnitts. Der große Nutzschlitz schränkt die Maschinenauslegung stark ein, führt zu einem reduzierten Drehmoment und bei permanenterregten Synchronmaschinen zu höheren Rotorverlusten. Um die Spulen bei der Montage nicht verformen zu müssen, sind in der Nut entsprechende Aussparungen vorzusehen, welche zu einem reduzierten Kupferfüllgrad führen.
• WO 2004 / 055 957 A1 offenbart einen Wickelkopf in ein thermisch leitendes Material einzubetten, um eine gute Kühlungsanbindung an das gekühlte Gehäuse der Maschine zu erzielen. Es wird hierbei jedoch keine spezielle Formung des Wickelkopfes betrachtet.
• EP 2 562 917 A1 offenbart, dass die Spulen vorab gewickelt werden und in axialer Richtung in die Statornuten eingeschoben werden können. Die Wickelkopfform ist dabei klassisch, mit dem Unterschied, dass der Wickelkopf auf einer Seite nach innen (zum Rotor hin) gebogen ist, um das Einbringen in die Nuten zu ermöglichen.
• US 2015 0364977 A1 offenbart eine Ergänzung zur Hairpin-Wicklung, welche auch in der Erfindungsmeldung angegeben ist. In dieser Veröffentlichung wird eine Methode vorgeschlagen, wie man die Isolierung zwischen den Phasen dieser Maschinen gestalten kann. Um die Spulen zu verbinden, müssen diese durch Schweißen oder Crimpen gefügt werden.
• EP 2 782 220 A2 offenbart eine Weiterführung von EP 2562917 A1 . Die Spulen werden auch hier vorab gefertigt und axial in den Stator geschoben. Die Neuerung bei dieser Offenlegung ist, dass die Spulen weniger Wickelkopflänge haben als in EP 2562917 A1 und, dass die Wickelkopfseiten der Spulen eine ebene Fläche bilden. Dies sind gleichzeitig auch die Ansprüche der Veröffentlichung.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine Wicklung bzw. Flachdrahtwicklung und einen Statorblechpaket einer elektrischen Maschine bzw. rotierenden elektrischen Maschine oder einem Elektromotor aufweist, die es ermöglicht einen gesteigerten Füllgrad in den Statornuten zu erzielen, wobei keine bzw. lediglich eine geringe Anzahl an Fügestellen hierfür erforderlich sein soll.
• Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Hierauf bezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Ausführungsformen wieder. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
• Im Folgenden werden die Begriffe „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dem entsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d. h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
• Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, das das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
• Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise (bspw.)“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform“ oder durch „in einer weiteren Ausführungsform“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleitete Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
• Unter dem Begriff „überwiegend“ ist hierin zu verstehen, dass ein Bereich von mindestens 50 % bis zu einschließlich 100 % des Merkmals vorliegen muss. D. h.
• - „überwiegend parallel“ beschreibt hierin, dass jeweils benachbarte Spulenwindungen in einem Bereich von mindestens 50 % bis zu einschließlich 100 % parallel zu einander verlaufen;
• - „überwiegend angrenzend“ beschreibt hierin, dass der Flachdraht von zwei benachbarten Spulenwindungen mindestens in einem Bereich von 50 % bis zu einschließlich 100 % aneinander angrenzend gebildet ist;
• - „überwiegend angrenzend an die Stirnfläche der jeweiligen Nut“ beschreibt hierin, dass die Flachdrahtwicklung zumindest teilweise derart innerhalb der Nuten eingebracht ist, dass die erste Spulenwindung mindestens in einem Bereich von mindestens 50 % bis zu einschließlich 100 % angrenzend an die Stirnfläche der jeweiligen Nut verläuft, und
• - „überwiegend parallel“ beschreibt in einem weiteren Merkmal, dass zumindest ein Bereich von mindestens 50 % bis zu einschließlich 100 % der Flachdrahtwicklung parallel zur jeweiligen Deckfläche verläuft.
• Die Begriffe „Wicklung“ bzw. „Flachdrahtwicklung“ werden in der vorliegenden Beschreibung bzw. den Ansprüchen synonym verwendet.
• Unter einem „Wickelkopf“ ist der Teil der Wicklung bzw. Flachdrahtwicklung zu verstehen, der außerhalb der Nuten des Stators bzw. Statorblechpakets verläuft.
• Die Begriffe „Stator“ bzw. „Statorblechpaket“ werden hierin synonym verwendet.
• Unter dem Begriff „erfindungsgemäße Vorrichtung“ ist hierin eine Vorrichtung bzw. eine Ausführungsform zu verstehen, die zumindest alle Merkmale gemäß dem Gegenstand des ersten unabhängigen Anspruchs aufweist bzw. unter dessen Schutzbereich fällt. Darüber hinaus sind auch alle Vorrichtungen bzw. Ausführungsformen zu verstehen, die zusätzlich ein Merkmal bzw. mehrere Merkmale zumindest eines abhängigen Anspruchs aufweisen bzw. unter den Schutzbereich eines abhängigen Anspruchs bzw. mehrerer abhängiger Ansprüche fallen.
• In einer ersten Ausführungsform weist eine Vorrichtung auf: mindestens einen segmentfreien Stator, der gemäß eines axialsymmetrischen Hohlzylinders gebildet ist, wobei der Stator zumindest eine äußere und eine innere axialsymmetrische Mantelfläche aufweist, sowie an beiden Enden des Hohlzylinders, jeweils zumindest eine abschließende radialsymmetrische Deckfläche, wobei sich die Deckflächen gegenüberliegen, und wobei die Deckflächen jeweils zumindest einem ersten und einem zweiten radialsymmetrischen Bereich aufweisen; und wobei der Stator mindestens zwei Nuten aufweist, wobei sich die Nuten jeweils in axialer oder schräg-axialer Richtung, von einer Deckfläche zur gegenüberliegenden Deckfläche durch den gesamten Stator hindurch erstrecken, und wobei sich die Nuten von der inneren Mantelfläche in radialer Richtung zumindest teilweise in den Stator hineinerstrecken, und wobei die Nuten jeweils zumindest zwei radial verlaufende innenliegende Seitenflächen und eine innenliegende Stirnflächen aufweisen; wobei jeweils im ersten radialsymmetrischen Bereich Nuten gebildet sind und der zweite radialsymmetrischen Bereich frei von Nuten ist, und wobei die Nuten im Bereich der inneren Mantelfläche jeweils mittels zumindest eines Zahnkopfes verjüngt sind; und zumindest eine Flachdrahtwicklung, gebildet aus mindestens zwei Spulenwindungen mittels mindestens einem Flachdraht, wobei die Spulenwindungen jeweils frei von Fügestellen sind, wobei die Spulenwindungen derart übereinander gestapelt angeordnet sind, dass der Flachdraht einer Spulenwindung jeweils überwiegend parallel zum Flachdraht der benachbarten Spulenwindung bzw. den benachbarten Spulenwindungen verläuft, und der Flachdraht von zwei benachbarten Spulenwindungen jeweils überwiegend aneinander angrenzend gebildet ist; wobei die Flachdrahtwicklung zumindest teilweise derart innerhalb der Nuten eingebracht ist, dass die erste Spulenwindung überwiegend angrenzend an die Stirnfläche der jeweiligen Nut verläuft; und wobei zumindest teilweise ein Bereich der Flachdrahtwicklung, welcher außerhalb der Nuten verläuft, entlang des zweiten radialsymmetrischen Bereichs angeordnet ist, und überwiegend parallel zur jeweiligen Deckfläche verläuft.
• Hierin werden mit dem Begriff „schräg-axial“ in Verbindung mit Nuten eines jeweiligen Stators, der aus mehreren einzelnen Statorblechen gebildet ist, einer erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung Nuten definiert bzw. sind darunter zu verstehen, die nicht über die gesamte Länge des Stators gleichmäßig parallel zur Rotationsachse des Stators verlaufen, sondern zueinander parallel und verdreht entlang dessen Rotationsachse verlaufen. Ein Stator mit geschrägten Statornuten ist derart gebildet, dass hierfür dessen Statorbleche jeweils in axialer Richtung leicht um die Rotationsachse des Stators zueinander verdreht sind. D. h. mit anderen Worten die einzelnen Statorbleche sind jeweils zueinander um einen vorbestimmten Winkel in einer radialen Richtung um die Rotationsachse des Stators verdreht, wobei dieser Winkel in einem Bereich von mehr als 0° bis zu ungefähr 5° liegt bzw. vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 0.0175° bis zu ungefähr 5° bzw. insbesondere in einem Bereich von ungefähr 0.00006° bis zu ungefähr 5° bzw. auch in einem Bereich von ungefähr 0.6° bis zu ungefähr 5°. Durch das oben beschriebene Verdrehen der Statorbleche zueinander wird ein Stator gebildet, dessen Nuten schräg-axial entweder entlang seiner inneren Mantelfläche oder entlang seiner äußeren Mantelfläche verlaufen. Hierdurch können Drehmomentwelligkeiten, Geräuschanregungen, aber auch der Oberwellengehalt z.B. der induzierten Spannung aber auch viele weitere durch Oberwelle verursachte Effekte gegenüber Statoren mit gerade verlaufenden Nuten reduziert werden. Die übliche Schrägung bzw. axiale Schrägung des Stators beträgt eine halbe Nutteilung über die komplette Statorlänge L_Stator. Die Nutteilung ist die Distanz zwischen zwei Nuten. Bei einer verteilten Wicklung ergibt sich zum Beispiel ein Schrägungswinkel Ω_opt über die komplette Länge des Stators nach der Formel (1): $${\mathrm{\Omega }}_{opt}=\frac{360°}{2\cdot \text{m}\cdot \text{p}\cdot \text{q}}$$

  

  mit der Phasenzahl bzw. der Anzahl der Phasen m, der Polpaarzahl, welche die Anzahl der Paare an magnetischen Polen in rotierenden elektrischen Maschinen angibt, bzw. Anzahl der Polpaare p und der Lochzahl einer Hilfgröße zur Beschreibung von Magnetfeldern in elektrischen Maschinen, welche sich aus der Anzahl der Nuten N pro Polzahl 2p und Phasen m ergibt, des jeweiligen Stators und der Verdrehwinkel y zwischen den einzelnen Blechen des Stators ergibt sich dann bspw. aus der Formel (2): $$\gamma =\frac{{\mathrm{\Omega }}_{opt}}{N_{Bleche}}$$

  

  wobei N_Bleche die Anzahl der Bleche eines Stators repräsentiert. Typische Winkel über die gesamte Statorlänge bzw. zwischen den Blechen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

  	m	P	Q	Ωopt [°]	LStator [mm]	DBlech [mm]	NBlech	γ [°]
  1.	3	3	2	10	200	0,35	571	0,0175
  2.	5	10	3	1,2	500	0,025	200000	0,00006
  3.	3	1	1	60	500	0,5	100	0,6

  wobei D_Blech die Dicke der einzelnen Bleche des Stators repräsentiert. In der 1. Zeile der oben stehenden Tabelle sind bspw. typische Winkel Ω_opt und y angegeben. Zum Beispiel sind in der 2. Zeile der oben stehenden Tabelle bspw. eine untere Bereichsgrenze für Ω_opt und γ offenbart und in der 3. Zeile der oben stehenden Tabelle sind bspw. Werte für eine obere Bereichsgrenze für Ω_opt und γ angegeben.
• In einer weiteren Ausführungsform ist jeweils die Form der Nuten derart an den Flachdraht angepasst ist, dass jeweils zwei sich gegenüberliegende Seiten des Flachdrahts an die jeweiligen zwei Seitenflächen der Nuten angrenzend eingebracht sind.
• In einer weiteren Ausführungsform ist der Bereich zwischen Deckfläche und dem Bereich der Drahtwicklung, welcher außerhalb der Nuten verläuft, zumindest teilweise mit einem wärmeleitfähigen Material gefüllt, und wobei das wärmeleitfähige Material zumindest ein Material aus der Gruppe von Materialien aufweist bzw. daraus gebildet ist, wobei diese Gruppe umfasst: Vergussmasse zum Beispiel auf Epoxidharz-, Silikon oder Polyesterbasis, wobei der Vergussmasse zur besseren Wärmeleitfähigkeit Zusatzstoffe, wie beispielsweise Keramikpulver, typischerweise Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid, aber auch beliebige andere Füllstoffe in verschiedenen Formen mit höherer Wärmeleitfähigkeit als das Vergussmaterial, z. B. Kohlenstoff in Form von Graphit oder Nanomaterialien. Des Weiteren kann das wärmeleitfähige Material auch aus der Gruppe der Imprägniermittel oder der Flächenisolierwerkstoffe bestehen.
• Gegenüber dem Stand der Technik liegt der Erfindung eine Wicklung bzw. Flachdrahtwicklung mit gesteigertem Füllgrad zu Grunde, welche die vorerwähnten Nachteile nach dem Stand der Technik vermeidet.
• D.h. bspw. in Hinsicht auf die o. g. Druckschrift EP 2 562 917 A1 , dass Nutöffnungen zum Rotor hin müssen weiter sein als breite Flachdrahtseite, während dies bei der Erfindungsmeldung eben nicht der Fall ist und der Wickelkopf auf einer Seite in den Rotorraum gebogen sein muss, während dies bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht notwendig ist. Wiederum hinsichtlich der o. g. Druckschrift US 2015 0 364 977 A1 werden die Spulen eingesteckt, gebogen und in jeder Windung mindestens einmal geschweißt, während in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mindestens zwei Windungen ohne Fügestelle bereitgestellt sind, wobei die in der o. g.
• US 2015 0364977 A1 offenbarte Art der Phasentrenner bzw. Isolation ist für eine erfindungsgemäße Vorrichtung nicht relevant. Bezüglich der o. g. EP 2 782 220 A2 ist anzumerken, dass die darin offenbarten Nutöffnungen zum Rotor hin weiter sein müssen als zumindest eine breite Flachdrahtseite, während dies bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eben gerade nicht der Fall ist. Des Weitern muss ein Wickelkopf gemäß der o. g. EP 2 782 220 A2 auf einer Seite in den Rotorraum gebogen sein, während dies bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht notwendig ist. Somit fällt keine erfindungsgemäße Vorrichtung unter den Schutzbereich der Ansprüche dieser Offenlegung, da die Fläche aller Drähte im Wickelkopf keine ebene Fläche bildet. Insbesondere ist zur zuletzt genannten Druckschrift anzumerken, dass diese sich auch aufgrund der Art der Herstellung fundamental von einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unterscheidet, d.h. hierbei werden die dafür weit geöffneten Nut mittels axialem Einschieben befüllt.
• Eine erfindungsgemäße Wicklung ist bspw. dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Flachdraht also einem Leitermaterial mit bevorzugt annähernd rechteckigem Querschnitt, wobei eine Kantenlange eine größere Weite aufweist als die zweite, besteht, die Windungen in der Nut mehrheitlich mit den breiteren Flachdrahtseiten aufeinander liegen und die Leiter in die Nuten eines nicht, zur Vereinfachung der Wicklungseinbringung, segmentierten Statorblechpakets eingebracht sind, wobei dieses Statorblechpaket Nuten aufweist, deren, dem rotierenden Maschinenteil zugewandte, Nutöffnung eine kleinere Weite aufweist als die breitere Querschnittskantenlange des Flachdrahtes und der Flachdraht für mindestens zwei Spulenwindungen keine Fügestelle aufweist. Die Wicklung ist zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Phase einzelne Windungen an einem Wickelkopf derart geformt sind, dass der Flachdraht axial aus einer ersten Nut austritt und im folgenden räumlichen Verlauf entlang des Flachdrahtes zunächst um seine breitere Querschnittskante gebogen ist, anschließend um seine schmalere Querschnittskante gebogen ist, einen Teil des Weges zu einer zweiten Nut zurücklegt, anschließend um die schmalere Querschnittskante gebogen ist und nach einer weiteren Biegung um die breitere Querschnittskante in die zweite Nut eintritt. Eine Biegung sei definiert als Richtungsänderung des Drahtes von mehr als 45° in einem, in der Profilmitte gemessenen, kürzerem Drahtabschnitt als fünfmal der breiteren Querschnittskante des Drahtes.
• Eine Einbringung der Wicklung in die Nuten kann beispielsweise durch einfädeln erfolgen.
• Erfindungsgemäß kann in einer Ausführungsform zusätzlich der Wickelkopf derart gebildet sein, dass er thermisch an eine Mantelkühlung angeschlossen werden kann und durch den definierten Lagenaufbau wird eine automatisierte Fertigung ermöglicht.
• Als weiterer Vorteil der Erfindung wird angeführt, dass durch den definierten Lagenaufbau der Wicklung und des Wickelkopfes die automatisierte Fertigung einer Wicklung mit den angeführten Merkmalen ermöglicht wird.
• Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Wickelköpfe ergibt sich eine kurze axiale Länge der Wickelköpfe.
• Die gute thermische Anbindung des Wickelkopfes erfolgt dadurch, dass große Teile des Wickelkopfes räumlich sehr nahe an einer den Stator umschließenden, gekühlten Gehäusewandung verlaufen. Ein guter wärmeleitender Kontakt kann zum Beispiel durch Vergießen oder Imprägnieren der Wicklung hergestellt werden.
• Erfindungsgemäß sind folgende Merkmale wesentlich
1. 1. Wicklung einer rotierenden elektrischen Maschine.
2. 2. Wicklung aus Flachdraht, also Draht mit annähernd rechteckigem Querschnittprofil.
3. 3. Die Wicklung weist für mindestens zwei zusammenhängende Spulenwindungen keine Fügestelle auf.
4. 4. Wicklung eingebracht in einem nicht, zur Vereinfachung der Wicklungseinbringung, segmentierten Statorblechpaket.
• In einer Ausführungsform ist das Statorblechpaket aus vielen Einzelblechen gebildet, welche durch eine dünne Isolationsschicht von einender getrennt sind. Von einer Segmentierung spricht man in der Regel, wenn das Blechpaket durch Schnitte in axialer Richtung in mehrere Einzelteile getrennt ist.
• In einer Ausführungsform weist der Stator bzw. das Statorblechpaket zumindest zwei Nuten auf. Die Nutöffnung ist jeweils bzw. zumindest teilweise durch einen Zahnkopf verjüngt, so dass der Flachdraht nicht mit seiner breiteren Profilbreite hindurch passt. Dadurch soll bspw. vermieden werden dass die Nutöffnung gleich der Nutbreite ist, dann kann eine vorgefertigte Wicklung axial eingeschoben werden. In dem Fall, dass sich die Nut am Zahnkopf nicht gegenüber der eigentlichen Nutbreite verjüngt, wird ein Freiheitsgrad bei der elektromagnetischen Auslegung des Magnetkreises eingeschränkt. Diese Ausführungsform sei im Folgenden als „Maschine ohne ausgeprägten Zahnkopf“ bezeichnet, während als „Maschine mit ausgeprägtem Zahnkopf“ eine Maschine bezeichnet, welche eben eine Verjüngung der Nut im Bereichs des Zahnkopfes, als an der Nutöffnung, gegenüber der eigentlichen Nutbreite aufweist. Luft weist eine gegenüber Eisen kleine magnetische Permeabilität auf. In der Maschinenauslegung ist es daher wünschenswert den durch den Zahn geführten Fluss über einen Zahnkopf auf einen breiten Bereich des Luftspalts zu verteilen. Eine Maschine mit ausgeprägtem Zahnkopf weist damit in der Regel ein höheres Drehmoment auf, als eine Maschine ohne ausgeprägten Zahnkopf. Der Verzicht auf einen ausgeprägten Zahnkopf führt in der Regel auch zu höheren Zahnpulsationsverlusten. Des Weiteren kann in vielen Fällen durch einen ausgeprägten Zahnkopfes die Drehmomentwelligkeit der Maschine reduziert werden.
• Folgende Ausführungsformen von Wickelkopfgestaltung sind erfindungsgemäß umfasst:
• In einer Ausführungsform tritt zumindest eine Spulenwindung aus einer Nut in axialer Richtung aus. Nach dem Austritt aus der Nut ist der Draht biegbar, so dass er in radialer Richtung, vom drehenden Maschinenteil „Rotor“ weg, verläuft. Bei einem Innenläufer entspricht dies „nach außen“ hin. Hierzu ist anzumerken, dass diese Formulierung für Radialflussmaschinen gilt. Radialflussmaschinen sind die am weitest verbreiteten Maschinenbauweisen. Prinzipiell ist die erfindungsgemäßen Vorrichtungen bzw. Ausführungsformen aber auch auf Axialflussmaschinen anwendbar bzw. können als solche gebildet werden, wobei dabei die Bezeichnungen „axial“ und „radial“ dann vertauscht werden müssen. Eine alternative Formulierung hierfür wäre bspw., dass der Rotor in senkrechter Richtung zum Drahtverlauf in der Nut und senkrecht zum Luftspalt vom Luftspalt weg verläuft.
• In einer weiteren Ausführungsform weist der Draht im Wickelkopf eine weitere Biegung auf, durch welche er in einer Bahn, welche konzentrisch (bzw. bei Linearmaschine parallel) zum Luftspalt verläuft.
• Mit Ausnahme der Biegung am Nutaustritt liegt der Draht für den Verlauf bis zur Biegung am nächsten Nutaustritt bzw. Nuteintritt überwiegend in einer Ebene und ist überwiegend frei von Verdrehung um seine Profilachse.
• Durch die Wicklung der zuerst gewickelten Phase werden die Nuten der anderen Phasen in axialer Richtung nicht verdeckt.
• Folgende Merkmale erfindungsgemäßer Ausführungsformen können folgende Vorteile aufweisen:
1. 1. Die Nut weist bis auf die Nutöffnung einen rechteckigen Querschnitt auf. Dann wird sie durch einen Draht mit konstantem Querschnitt maximal ausgefüllt.
2. 2. Zur besseren Wärmeabfuhr ist der Raum zwischen Wickelkopf und Gehäuse mit einem gut wärmeleitenden Material gefüllt ist.
3. 3. Die Windungen im Wickelkopf einer Phase in mehreren radial Schichten geführt wird, um den Wickelkopf axial kürzer zu gestalten.
4. 4. Die zuletzt bewickelte Phase vom Wickelschema wird unterschiedlich zu den vorhergehenden Wicklungen gebildet, um dadurch eine kürzere Wickelkopflänge zu erzielen.
5. 5. An den axialen Enden können optional zusätzlich Vorrichtungen vorgesehen sind, um die Verlustwärme der zuletzt gewickelten Phase in axialer Richtung abzuführen.
• In einer weiteren Ausführungsform ist die Wicklung einer rotierenden elektrischen Mehrphasenmaschine dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Flachdraht, also einem Leitermaterial mit annähernd rechteckigem Querschnitt, wobei eine Kantenlange eine größere Weite aufweist als die zweite, besteht, die Windungen in der Nut überwiegend mit den breiteren Flachdrahtseiten aufeinander liegen und die Leiter in die Nuten eines nicht, zur Vereinfachung der Wicklungseinbringung, segmentierten Statorblechpakets eingebracht sind, wobei dieses Statorblechpaket Nuten aufweist, deren, dem rotierenden Maschinenteil zugewandte, Nutöffnung eine kleinere Weite aufweist als die breitere Querschnittskantenlange des Flachdrahtes und der Flachdraht für mindestens zwei Spulenwindungen keine Fügestelle aufweist. Die Wicklung ist zusätzlich dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Phase einzelne Windungen an einem Wickelkopf derart geformt sind, dass der Flachdraht axial aus einer ersten Nut austritt und im folgenden räumlichen Verlauf entlang des Flachdrahtes zunächst um seine breitere Querschnittskante gebogen ist, anschließend um seine schmalere Querschnittskante gebogen ist, einen Teil des Weges zu einer zweiten Nut zurücklegt, anschließend um die schmalere Querschnittskante gebogen ist und nach einer weiteren Biegung um die breitere Querschnittskante in die zweite Nut eintritt. Eine Biegung sei definiert als Richtungsänderung des Drahtes von mehr als 45° in einem, in der Profilmitte gemessenen, kürzerem Drahtabschnitt als fünfmal der breiteren Querschnittskante des Drahtes.
• In einer weiteren Ausführungsform ist zur besseren Wärmeabfuhr der Raum zwischen Wickelkopf und Gehäuse mit einem wärmeleitenden Material gefüllt ist.
• In einer weiteren Ausführungsform sind die Windungen im Wickelkopf einer Phase in mehreren radialen Schichten geführt, um den Wickelkopf, im Vergleich zur Ausführung der Windungen im Wickelkopf einer Phase mit nur einer radialen Schicht, in axialer Richtung kürzer, das heißt mit einem geringeren axialen Überstand des gesamten Wickelkopfs, welcher über den Stator axial herausragt, zu gestalten. Dies ist möglich, wenn im Bereich des Jochs ausreichend Platz für radiale Schichten vorhanden ist. Ein erster Teil der aus der Nut austretenden Spulenwindungen verläuft beispielsweise in einem radial nur geringfügig kleineren Durchmesser als der Außendurchmesser des Stators. Hierdurch ermöglicht sich für den zweiten Teil der aus der Nut austretenden Spulenwindungen eine Wickelkopf, bei welchem die Spulenwindungen dieser zweiten Gruppe ebenfalls in axialer Richtung parallel zueinander liegen, aber radial in einem Bereich liegen, welcher zwischen der ersten Gruppe an Spulenwindungen und dem Innendurchmesser des Stators liegt.
• In einer weiteren Ausführungsform weicht die jeweils zuletzt bewickelte Phase vom Wickelschema gemäß Anspruch 1 derart ab, dass die Wicklung im Bereich des Wickelkopfes einen direkteren Weg von der austretenden zur wieder eintretenden Nut nimmt, um den Wickelkopf, im Vergleich zu den vorhergehend bewickelten Phasen, sowohl in axialer Richtung kürzer, das heißt mit einem geringeren axialen Überstand des gesamten Wickelkopfs, welcher über den Stator axial herausragt, als auch kürzer bezüglich der Weglänge des Drahtes, welchen dieser nach dem Austritt aus einer ersten Nut bis zum Eintritt in eine zweite Nut außerhalb der Statornuten zurücklegt, wodurch ohmsche Verluste im Draht reduziert werden, zu gestalten. Dies ist möglich, da bei der zuletzt bewickelten Phase keine Nuten einer noch zu bewickelten Phase in axialer Richtung für das spätere Bewickeln freigehalten werden müssen. Ein kurzer Wickelkopf ergibt sich zum Beispiel, wenn die Windungen in einem bogenförmigen Verlauf von der austretenden zur eintretenden Nut gebildet sind und dabei nur geringe Biegungen in radialer Richtung aufweisen.
• In einer weiteren Ausführungsform ist an den axialen Enden optional zusätzlich mindestens eine Vorrichtung vorgesehen, um die Verlustwärme der letzten gewickelten Phase in axialer Richtung abzuführen.
• In einer weiteren Ausführungsform ist die Wicklung dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Phase einzelne Windungen an beiden Wickelköpfen derart geformt sind, dass der Flachdraht axial aus einer ersten Nut austritt und im folgenden räumlichen Verlauf entlang des Flachdrahtes zunächst um seine, dem rotierenden Maschinenteil abgewandte, breite Querschnittskante gebogen ist, anschließen um seine schmalere Querschnittskante gebogen ist, einen Teil des Weges zu einer zweiten Nut zurücklegt, anschließend um die schmalere Querschnittskante gebogen ist und nach einer weiteren Biegung um die breitere Querschnittskante in die zweite Nut eintritt. Eine Biegung sei definiert als Richtungsänderung des Drahtes von mehr als 45° in einem, in der Profilmitte gemessenen, kürzerem Drahtabschnitt als fünfmal der breiteren Querschnittskante des Drahtes.
• Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, insbesondere in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
• Die Ausführungsbeispiele sind schematisch in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugsziffern in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
• Zur Veranschaulich und ohne einschränkende Wirkung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung aus der Beschreibung der beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
• 1 eine schematische Schrägansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
• 2 eine schematische radiale Querschnittsansicht gemäß 1;
• 3 einen vergrößerten Ausschnitt der schematischen Querschnittsansicht gemäß 2;
• 4 eine schematische axiale Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
• 5 eine schematische axiale Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
• 6 eine schematische Schrägansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
• 7 eine schematische radiale Querschnittsansicht gemäß 6;
• 8 einen vergrößerten Ausschnitt der schematischen Querschnittsansicht gemäß 7, und
• 9 zwei schematische Seitenansichten von Ausführungsformen erfindungsgemäßer Vorrichtungen.
• 1 zeigt eine schematische Schrägansicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 weist mindestens einen segmentfreien Stator bzw. ein Statorblechpaket 110 auf. Der Stator 110 ist gemäß einem axialsymmetrischen Hohlzylinder gebildet. Der Stator 110 weist zumindest eine äußere axialsymmetrische Mantelfläche 150 und eine innere axialsymmetrische Mantelfläche 160 auf, sowie an beiden Enden des Hohlzylinders, jeweils zumindest eine abschließende radialsymmetrische Deckfläche 120, wobei sich diese Deckflächen gegenüberliegen und sie jeweils zumindest einem ersten radialsymmetrischen Bereich 170 und einem zweiten radialsymmetrischen Bereich 180 aufweisen. Der Stator 110 weist mindestens zwei Nuten auf 130. Die Nuten 130 erstrecken sich jeweils in axialer oder schräg-axialer Richtung von einer Deckfläche 120 zur gegenüberliegenden Deckfläche (nicht sichtbar) durch den gesamten Stator 110 hindurch. Die Nuten 130 erstrecken sich von der inneren Mantelfläche 160 in radialer Richtung zumindest teilweise in den Stator 110 hineinerstrecken. Die Nuten 130 weisen jeweils zumindest zwei radial verlaufende innenliegende Seitenflächen und eine innenliegende Stirnflächen auf. Im Stator 110 sind jeweils im ersten radialsymmetrischen Bereich 170 Nuten 130 gebildet und der zweite radialsymmetrischen Bereich 180 ist frei von Nuten 130. Die Nuten 130 im Bereich der inneren Mantelfläche 160 gemäß der Ausführungsform 100 sind jeweils mittels zumindest eines Zahnkopfes verjüngt. Die Vorrichtung 100 weist ferner zumindest eine Flachdrahtwicklung 140 auf, wobei ein Teil der Flachdrahtwicklung 140, der außerhalb der Nuten 130 angeordnet ist, hierin als Wickelkopf 190 bezeichnet wird. Die Vorrichtung weist somit in dieser Ausführungsform beispielhaft zwei Wickelköpfe 190 auf, wobei hier beispielhaft jeweils der Wickelkopf 190 auf jeder Seite des Stators 110 mit einer Phase 195 bzw. Wicklungen bzw. Flachdrahtwicklungen 140 gebildet ist, wobei eine erfindungsgemäße Vorrichtung auf mehr als zwei Wickelköpfe 190 und mehr als eine Phase 195. Zur Vereinfachung der Darstellung und um das Prinzip zu verdeutlichen, wurde hierbei lediglich beispielhaft eine Phase 195 dargestellt. Die Flachdrahtwicklung 140 ist jeweils aus mindestens zwei Spulenwindungen mittels mindestens einem Flachdraht gebildet. Die Spulenwindungen sind jeweils frei von Fügestellen. Die Spulenwindungen sind derart übereinander gestapelt angeordnet, dass der Flachdraht einer Spulenwindung jeweils überwiegend parallel zum Flachdraht der benachbarten Spulenwindung bzw. den benachbarten Spulenwindungen verläuft und er von zwei benachbarten Spulenwindungen jeweils überwiegend aneinander angrenzend gebildet ist. Die Flachdrahtwicklung 140 ist zumindest teilweise derart innerhalb der Nuten 130 eingebracht, dass die erste Spulenwindung überwiegend angrenzend an die Stirnfläche der jeweiligen Nut 130 verläuft. Wobei zumindest teilweise ein Bereich der Flachdrahtwicklung 140, welcher außerhalb der Nuten 130 verläuft, entlang des zweiten radialsymmetrischen Bereichs 180 angeordnet ist, und überwiegend parallel zur jeweiligen Deckfläche 120 bzw. zum zweiten radialsymmetrischen Bereich 180 der jeweiligen Deckfläche 120 verläuft. Das Statorblechpaket 110 in dessen Nuten 130 die Wicklung 140 der ersten Phase, mit in diesem Fall beispielhaft zehn Windung, eingelegt ist. Die Wicklung 140 der ersten Phase umfasst in diesem Fall sechs Spulen. Die zweite Phase kann analog zur ersten Phase gewickelt werden, nur um den entsprechenden Winkel verdreht und axial über die erste Phase herausragend. Für die Wickelköpfe der letzten Phase ist es zulässig, dass diese aus axialer Sicht alle Nuten bedecken. Es müssen aus axialer Sicht keine Nuten mehr zum Bewickeln mit einer weiteren Phase freigehalten werden. Idealerweise wird dieser Umstand genutzt, um möglichst kurze Wickelköpfe zu erhalten und um einen axial bündigen Abschluss dieser Wicklung zu erhalten, welcher mittels eines thermisch leitfähiges Material axial an ein weiteres Bauteil angebunden werden kann. Somit ist die Vorrichtung 100 derart gebildet, dass ein Rotor innerhalb der Vorrichtung 100 angeordnet werden kann.
• 2 zeigt eine schematische radiale Querschnittsansicht 200 durch die Vorrichtung 100 gemäß 1. Hierin ist sind die in den Nuten 130 verlaufenden, übereinandergestapelten Spulenwindungen 220 des Flachdrahts 210 schematisch dargestellt. Die Flachdrahtwicklungen 140 füllen, gemäß ihrem an die Nuten 130 angepassten Querschnitt, das dafür vorgesehene Volumen in Nuten 130 vollständig bzw. fast vollständig aus. Im Bereich der Öffnungen im Inneren des Stators 110, d.h. im Bereich der inneren Mantelfläche 160, sind hier jeweils beispielhaft zwei Zahnköpfe 230 an beiden Seiten der Nuten 130 angeordnet, wobei optional auch nur ein Zahnkopf 230 an einer Seite der Öffnung der Nuten 130 angeordnet sein kann. Der jeweils eine Zahnkopf 230 bzw. die zwei Zahnköpfe 230 begrenzen jeweils das Volumen innerhalb der Nuten 130 für die Flachdrahtwicklungen 140 und verhindern ein Herausrutschen der Flachdrahtwicklungen aus den Nuten 130 in den inneren Bereich des Stators 110. Mit anderen Worten, 2 zeigt einen den Schnitt durch das Statorblechpaket 110 in axialer Richtung. Hierin sind schematisch die Statorblechpaket 110 hat Nuten 110, in welche die Leiter bzw. den elektrisch leitfähigen Flachdraht 210 der Wicklung 140 eingelegt sind. Die Nutöffnung zum rotierenden Maschinenteil hin wird auch als Nutschlitz bezeichnet.
• 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt 300 der schematischen Querschnittsansicht der Vorrichtung 100 gemäß 2. Insbesondere sind in 3 die innere Stirnfläche 330 der Nuten 130 dargestellt, entlang derer jeweils der erste Flachdraht 210, der innerhalb einer Nut 130 verläuft, der ersten Spulenwindung 220 einer Wicklung 140 überwiegend angrenzend verläuft. Auch in 3 ist dargestellt, dass jeweils sich benachbarte Spulenwindungen 220 der Wicklung 140 überwiegend parallel zueinander verlaufen. Darüber hinaus sind die die zwei radial verlaufenden innenliegenden Seitenflächen 310 und 320 dargestellt. Ebenso zeigt dieser vergrößerte Ausschnitt 300, dass die Form der Nuten 130 an den Querschnitt des Flachdrahts 210 derart angepasst sind, dass dieser das zur Verfügung stehende Volumen fasst vollständig ausfüllt. Darüber hinaus ist die beispielhafte Ausführung von jeweils zwei Zahnköpfen 230 im Bereich der inneren Mantelfläche des Stators 110 dargestellt.
• 4 zeigt eine schematische axiale Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 400. Dabei zeigt 4 den axialen Schnitt von der Seite durch den Stator 110, bestehend aus Statorblechpaket 110, einem Gehäuse 410 und Wicklung 140. In das Gehäuse 410 sind Kühlkanäle 420 eingebracht. Kühlkanäle führen ein Kühlmedium. Über die mit dem Kühlmedium in Kontakt stehenden Oberflächen kommt es zu einem Wärmeaustausch.
• In 4 sind beispielhaft drei Phasen dargestellt. Zur Herstellung der Wicklung 140 kann eine Scheibe 430, welche die gleichen Nutgeometrie wie das Statorblech aufweist, aus isolierendem Material zwischen Statorblechpaket 110 und den Wickelköpfen 190 der Wicklung 140 oder auch zwischen verschiedenen Phasen 195 angeordnet sein, wobei das isolierende Material mindestens ein Material aus der Gruppe von isolierenden Materialien aufweist und wobei die Gruppe umfasst: Hartpapier, Pertinax, Mehrschichtisolation, Keramik oder Kunststoff. Die zuletzt bzw. zu allerletzt bewickelte bzw. gewickelte Phase 440 kann vereinfacht gewickelt werden, um die Länge des Wickelkopfs 190 zu verkürzen. Dabei bildet prinzipiell die zuletzt gewickelte Phase 440 auch einen Bereich, an dem axial Wärme abgeführt werden kann. Für die Wickelköpfe der letzten Phase ist es zulässig, dass diese aus axialer Sicht alle Nuten bedecken. Es müssen aus axialer Sicht keine Nuten mehr zum Bewickeln mit einer weiteren Phase freigehalten werden. Idealerweise wird dieser Umstand genutzt, um möglichst kurze Wickelköpfe zu erhalten und um einen axial bündigen Abschluss dieser Wicklung zu erhalten, welcher mittels eines thermisch leitfähiges Material axial an ein weiteres Bauteil angebunden werden kann.
• 5 zeigt den Detailausschnitt 500 der Vorrichtung 400 gemäß 3 des Wickelkopfes 190. Der Abstand zwischen Wicklung 140 und Gehäuse 410 ist gering, idealerweise im Bereich von 0,01mm bis 1mm., wodurch Verlustwärme durch ein wärmeleitendes Material 510 abgeführt werden kann, wobei das wärmeleitende Material 510 mindesten ein Material aus der Gruppe von wärmeleitenden Materialien aufweist, wobei die Gruppe umfasst: Vergussharze zu Beispiel Epoxidharz-basiert oder auf Silikonbasis, Tränkharze und alle Duroplaste. Für eine höhere Wärmeleitfähigkeit können die die Materialien mit zusätzlichen Partikeln, Fasern oder allgemein Füllstoffen gefüllt werden. Ein Beispiel hierfür ist die Füllung mit Aluminiumoxid-Keramikpulver.
• 6 zeigt eine schematische Schrägansicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 600. Die Vorrichtung 600 weist mindestens einen segmentfreien Stator bzw. ein Statorblechpaket 110 auf. Der Stator 110 ist gemäß einem axialsymmetrischen Hohlzylinder gebildet. Der Stator 110 weist zumindest eine äußere axialsymmetrische Mantelfläche 150 und eine innere axialsymmetrische Mantelfläche 160 auf, sowie an beiden Enden des Hohlzylinders, jeweils zumindest eine abschließende radialsymmetrische Deckfläche 120 (wobei nur eine der beiden Deckflächen in 6 dargestellt ist), wobei sich diese Deckflächen gegenüberliegen und sie jeweils zumindest einem ersten radialsymmetrischen Bereich 170 und einem zweiten radialsymmetrischen Bereich 180 aufweisen. Der Stator 110 weist mindestens zwei Nuten auf 130. Die Nuten 130 erstrecken sich jeweils in axialer oder schräg-axialer Richtung von einer Deckfläche 120 zur gegenüberliegenden Deckfläche (nicht sichtbar) durch den gesamten Stator 110 hindurch. Die Nuten 130 erstrecken sich von der äußeren Mantelfläche 150 in radialer Richtung zumindest teilweise in den Stator 110 hinein. Die Nuten 130 weisen jeweils zumindest zwei radial verlaufende innenliegende Seitenflächen und eine innenliegende Stirnflächen auf. Im Stator 110 sind jeweils im ersten radialsymmetrischen Bereich 170 Nuten 130 gebildet und der zweite radialsymmetrischen Bereich 180 ist frei von Nuten 130. Die Nuten 130 im Bereich der äußeren Mantelfläche 150 gemäß der Ausführungsform 600 sind jeweils mittels zumindest eines Zahnkopfes verjüngt. Die Vorrichtung 600 weist ferner zumindest eine Flachdrahtwicklung 140 auf, wobei ein Teil der Flachdrahtwicklung 140, der außerhalb der Nuten 130 angeordnet ist, hierin als Wickelkopf 190 bezeichnet wird. Die Vorrichtung weist somit in dieser Ausführungsform beispielhaft zwei Wickelköpfe 190 auf, wobei hier beispielhaft jeweils der Wickelkopf 190 auf jeder Seite des Stators 110 einer Phase 195 aus sechs Spulen bzw. Wicklungen bzw. Flachdrahtwicklungen 140 gebildet ist, wobei eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch mehr als zwei Wickelköpfe bzw. mehr als sechs oder weniger als sechs Spulen bzw. Wicklungen bzw. Flachdrahtwicklungen aufweisen kann. Die Flachdrahtwicklung 140 ist jeweils aus mindestens zwei Spulenwindungen mittels mindestens einem Flachdraht gebildet. Die Spulenwindungen sind jeweils frei von Fügestellen. Die Spulenwindungen sind derart übereinander gestapelt angeordnet, dass der Flachdraht einer Spulenwindung jeweils überwiegend parallel zum Flachdraht der benachbarten Spulenwindung bzw. den benachbarten Spulenwindungen verläuft und er von zwei benachbarten Spulenwindungen jeweils überwiegend aneinander angrenzend gebildet ist. Die Flachdrahtwicklung 140 ist zumindest teilweise derart innerhalb der Nuten 130 eingebracht, dass die erste Spulenwindung überwiegend angrenzend an die Stirnfläche der jeweiligen Nut 130 verläuft. Wobei zumindest teilweise ein Bereich der Flachdrahtwicklung 140, welcher außerhalb der Nuten 130 verläuft, entlang des zweiten radialsymmetrischen Bereichs 180 angeordnet ist, und überwiegend parallel zur jeweiligen Deckfläche 120 bzw. zum zweiten radialsymmetrischen Bereich 180 der jeweiligen Deckfläche 120 verläuft. Das Statorblechpaket 110 in dessen Nuten 130 die Wicklung 140 der ersten Phase, mit in diesem Fall beispielhaft zehn Windung, eingelegt ist, wobei ebenso weniger bzw. mehr als zehn Windungen möglich sind. Die Wicklung 140 der ersten Phase umfasst in diesem Fall sechs Spulen. Die zweite Phase kann analog zur ersten Phase gewickelt werden, nur um den entsprechenden Winkel verdreht und axial über die erste Phase herausragend. Für die Wickelköpfe der letzten Phase ist es zulässig, dass diese aus axialer Sicht alle Nuten bedecken. Es müssen aus axialer Sicht keine Nuten mehr zum Bewickeln mit einer weiteren Phase freigehalten werden. Insbesondere wird dieser Umstand genutzt, um möglichst kurze Wickelköpfe zu erhalten und um einen axial bündigen Abschluss dieser Wicklung zu erhalten, welcher mittels eines thermisch leitfähigen Materials axial an ein weiteres Bauteil angebunden werden kann. Somit ist die Vorrichtung 600 derart gebildet, dass ein Rotor außerhalb der Vorrichtung 600 angeordnet werden kann.
• 7 zeigt eine schematische radiale Querschnittsansicht 600 durch die Vorrichtung 600 gemäß 6. Hierin ist sind die in den Nuten 130 verlaufenden, übereinandergestapelten Spulenwindungen 220 des Flachdrahts 210 schematisch dargestellt. Die Flachdrahtwicklungen 140 füllen, gemäß ihrem an die Nuten 130 angepassten Querschnitt, das dafür vorgesehene Volumen in Nuten 130 vollständig bzw. fast vollständig aus. Im Bereich der Öffnungen im Inneren des Stators 110, d.h. im Bereich der inneren Mantelfläche 160, sind hier jeweils beispielhaft zwei Zahnköpfe 230 an beiden Seiten der Nuten 130 angeordnet, wobei optional auch nur ein Zahnkopf 230 an einer Seite der Öffnung der Nuten 130 angeordnet sein kann. Der jeweils eine Zahnkopf 230 bzw. die zwei Zahnköpfe 230 begrenzen jeweils das Volumen innerhalb der Nuten 130 für die Flachdrahtwicklungen 140 und verhindern ein Herausrutschen der Flachdrahtwicklungen aus den Nuten 130 in den inneren Bereich des Stators 110. Mit anderen Worten, 7 zeigt einen den Schnitt durch das Statorblechpaket 110 in axialer Richtung. Hierin sind schematisch die Statorblechpaket 110 hat Nuten 110, in welche die Leiter bzw. den elektrisch leitfähigen Flachdraht 210 der Wicklung 140 eingelegt sind. Die Nutöffnung zum rotierenden Maschinenteil hin wird auch als Nutschlitz bezeichnet.
• 8 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt 800 der schematischen Querschnittsansicht der Vorrichtung 600 gemäß 7. Insbesondere sind in 8 die innere Stirnfläche 330 der Nuten 130 dargestellt, entlang derer jeweils der erste Flachdraht 210, der innerhalb einer Nut 130 verläuft, der ersten Spulenwindung 220 einer Wicklung 140 überwiegend angrenzend verläuft. Auch in 8 ist dargestellt, dass jeweils sich benachbarte Spulenwindungen 220 der Wicklung 140 überwiegend parallel zueinander verlaufen. Darüber hinaus sind die die zwei radial verlaufenden innenliegenden Seitenflächen 310 und 320 dargestellt. Ebenso zeigt dieser vergrößerte Ausschnitt 800, dass die Form der Nuten 130 an den Querschnitt des Flachdrahts 210 derart angepasst sind, dass dieser das zur Verfügung stehende Volumen fasst vollständig ausfüllt. Darüber hinaus ist die beispielhafte Ausführung von jeweils zwei Zahnköpfen 230 im Bereich der inneren Mantelfläche des Stators 110 dargestellt.
• 9 zeigt zwei schematische Seitenansichten von zwei beispielhaften Ausführungsformen zweier erfindungsgemäßer Vorrichtungen 900 und 1000. Hierbei sind auf Grund der Sichtbarkeit für den Betrachter und ohne Beschränkung der Allgemeinheit bei der Vorrichtung 900 und der Vorrichtung 1000 Statoren 110, gebildet mittels mindestens zwei oder mehr als zwei Statorblechen, deren Nuten 130 an der äußeren Mantelfläche 150 der Statoren 110 gebildet sind und sich in die Statoren hineinerstrecken und sich vollständig axial entlang der Rotationsachse der Statoren 110 erstrecken. Jedoch können die Nuten 130 der Vorrichtung 900 und 1000 auch jeweils an der inneren Mantelfläche 160 gemäß einer der oben beschriebenen Vorrichtungen 100 bis 500 Dabei weist Vorrichtung 900 Nuten 130 auf, die sich parallel und gerade sowie vollständig axial entlang der Rotationsachse der Statoren 110 erstrecken. Wohingegen die Vorrichtung 1000 Nuten 130 aufweist, die sich vollständig schräg-axial entlang der Rotationsachse der Statoren 110 erstrecken. Wie oben beschrieben werden hierin mit dem Begriff „schräg-axial“ in Verbindung mit Nuten 130 eines jeweiligen Stators 110, der aus mehreren einzelnen Statorblechen gebildet ist, so dass ein Statorblechpaket 110 gebildet wird , eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung 1000 Nuten 130 definiert bzw. ist darunter zu verstehen, die nicht über die gesamte Länge des Stators 110 bzw. Statorblechpaket gleichmäßig parallel zur Rotationsachse des Stators 110 verläuft, sondern zueinander parallel und verdreht entlang dessen Rotationsachse. Ein Stator 110 mit geschrägten Statornuten 130 ist derart gebildet, dass hierfür dessen Statorbleche jeweils in axialer Richtung leicht um die Rotationsachse des Stators 110 zueinander verdreht sind. D. h. mit anderen Worten die einzelnen Statorbleche sind jeweils zueinander um einen vorbestimmten Winkel in einer radialen Richtung um die Rotationsachse des Stators verdreht, wobei dieser Winkel in einem Bereich mehr als 0° bis zu ungefähr 5° liegt bzw. vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 0.008° bis zu ungefähr 5° bzw. insbesondere in einem Bereich von ungefähr 0.00003° bis zu ungefähr 5° bzw. auch in einem Bereich von ungefähr 0.3° bis zu ungefähr 5°. Die Winkel können auch mittels der Formel (1) und/oder der Formel (2) ermittelt werden, welche oben beschrieben sind.
• Bezugszeichenliste

100

Vorrichtung

110

Stator bzw. Statorblechpaket

120

Eine Deckfläche des Stators 110

130

Nut(en)

140

Wicklung bzw. Flachdrahtwicklung

150

Äußere Mantelfläche des Stators 110

160

Innere Mantelfläche des Stators 110

170

Erster radialsymmetrischer Bereich

180

Zweiter radialsymmetrischer Bereich

190

Wickelkopf

195

Spulen einer Phase

200

Schematischer Querschnitt der Vorrichtung 100

210

Draht bzw. Flachdraht

220

Spulenwindung

230

Zahnkopf

300

Vergrößerte Querschnittsansicht der Vorrichtung 100

310

Erste innere Seitenflächen einer Nut 130

320

Zweite innere Seitenflächen einer Nut 130

330

Innere Stirnflächen einer Nut 130

400

Vorrichtung

410

Gehäuse

420

Kühlkanal

430

Scheibe

440

Wickelkopf der zuletzt bewickelten Phase

500

Vergrößerter Ausschnitt der Vorrichtung 400

510

Wärmeleitendes Material

600

Vorrichtung

670

Erster radialsymmetrischer Bereich

680

Zweiter radialsymmetrischer Bereich

700

Schematischer Querschnitt der Vorrichtung 600

800

Vergrößerte Querschnittsansicht der Vorrichtung 600

900

Seitenansicht eines Stators 110 mit axialen Nuten

1000

Seitenansicht eines Stators 110 mit schräg-axialen Nuten

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• EP 1255344 A1 [0010]
• CA 2539592 A1 [0011]
• EP 2562917 A1 [0013, 0015, 0031]
• US 20150364977 A1 [0014, 0031, 0032]
• EP 2782220 A2 [0015, 0032]

Claims (3)

1. Vorrichtung (100, 600), aufweisend: a. mindestens einen segmentfreien Stator (110), der gemäß eines axialsymmetrischen Hohlzylinders gebildet ist, i. wobei der Stator (110) zumindest eine äußere und eine innere axialsymmetrische Mantelfläche (150, 160) aufweist, sowie an beiden Enden des Hohlzylinders, jeweils zumindest eine abschließende radialsymmetrische Deckfläche (120), 1. wobei sich die Deckflächen (120) gegenüberliegen, und 2. wobei die Deckflächen (120) jeweils zumindest einem ersten und einem zweiten radialsymmetrischen Bereich (170, 670, 180, 680) aufweisen; und ii. wobei der Stator (110) mindestens zwei Nuten (130) aufweist, 1. wobei sich die Nuten (130) jeweils in axialer oder schräg-axialer Richtung von einer Deckfläche (120) zur gegenüberliegenden Deckfläche durch den gesamten Stator (110) hindurch erstrecken, 2. wobei sich die Nuten (130) von der inneren Mantelfläche (160) in radialer Richtung zumindest teilweise in den Stator (110) hineinerstrecken, oder 3. wobei sich die Nuten (130) von der äußeren Mantelfläche (150) in radialer Richtung zumindest teilweise in den Stator (110) hineinerstrecken, und 4. wobei die Nuten (130) jeweils zumindest zwei radial verlaufende innenliegende Seitenflächen (310, 320) und eine innenliegende Stirnflächen (330) aufweisen; iii. wobei jeweils im ersten radialsymmetrischen Bereich (170, 670) Nuten (130) gebildet sind und der zweite radialsymmetrischen Bereich (180, 680) frei von Nuten (130) ist, und iv. wobei die Nuten (130) im Bereich der inneren Mantelfläche (160) jeweils mittels zumindest eines Zahnkopfes (230) verjüngt sind; und b. zumindest eine Flachdrahtwicklung (140), gebildet aus mindestens zwei Spulenwindungen (220) mittels mindestens einem Flachdraht (210), i. wobei die Spulenwindungen (220) jeweils frei von Fügestellen sind, ii. wobei die Spulenwindungen (220) derart übereinander gestapelt angeordnet sind, dass 1. der Flachdraht (210) einer Spulenwindung (220) jeweils überwiegend parallel zum Flachdraht (210) der benachbarten Spulenwindung (220) bzw. den benachbarten Spulenwindungen (220) verläuft, und 2. der Flachdraht (210) von zwei benachbarten Spulenwindungen (220) jeweils überwiegend aneinander angrenzend gebildet ist; iii. wobei die Flachdrahtwicklung (140) zumindest teilweise derart innerhalb der Nuten (130) eingebracht ist, dass die erste Spulenwindung (220) überwiegend angrenzend an die Stirnfläche (330) der jeweiligen Nut (130) verläuft; und iv. wobei zumindest teilweise ein Bereich der Flachdrahtwicklung (140), welcher außerhalb der Nuten (130) verläuft, 1. entlang des zweiten radialsymmetrischen Bereichs (180) angeordnet ist, und 2. überwiegend parallel zur jeweiligen Deckfläche (120) verläuft.
2. Vorrichtung (100, 600) gemäß Anspruch 1, wobei jeweils die Form der Nuten (130) derart an den Flachdraht (210) angepasst ist, dass jeweils zwei sich gegenüberliegende Seiten des Flachdrahts (210) an die jeweiligen zwei Seitenflächen (310, 320) der Nuten (130) angrenzend eingebracht sind.
3. Vorrichtung (100, 600) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, a. wobei der Bereich zwischen Deckfläche (120) und dem Bereich der Flachdrahtwicklung (140), welcher außerhalb der Nuten (130) verläuft, zumindest teilweise mit einem wärmeleitfähigen Material (510) gefüllt ist, und b. wobei das wärmeleitfähige Material (510) zumindest ein Material aus der Gruppe von Materialien aufweist bzw. daraus gebildet ist, wobei die Gruppe umfasst: Vergussharze; Epoxidharz-basiert oder auf Silikon-basierte Vergussharze, Tränkharze und/oder Duroplaste, wobei die Materialien optional mit zusätzlichen Partikeln, Fasern oder allgemein Füllstoffen gefüllt sind.

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