DE102018122113A1

DE102018122113A1 - Verfahren zum Herstellen einer Wicklung für einen Ständer einer elektrischen Maschine und elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102018122113A1
Application number: DE102018122113.4A
Authority: DE
Inventors: Klaus Herbold; Markus Tscheja; Gert Wolf; Helmut Kreuzer; Christoph Schwarzkopf
Original assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2020-03-12

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen einer Wicklung für einen Ständer einer elektrischen Maschine, die aus zwei Teilwicklungen (141, 142) gebildet wird, wobei eine der Teilwicklungen als Stern-Wicklung (141) und die andere der Teilwicklungen als Dreieck-Wicklung (142) ausgebildet wird, wobei in Nuten (N) des Ständers anzuordnende Stränge der zwei Teilwicklungen (141, 142) jeweils in gemeinsamen Nuten (N) angeordnet werden, wobei die Wicklung als Wellenwicklung nach dem Einzugsverfahren, als Zweischicht-Schleifenwicklung nach dem Einzugsverfahren oder als Zweischicht-Schleifenwicklung nach dem Flachpaketverfahren hergestellt ist, sowie eine solche elektrische Maschine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen einer Wicklung für einen Ständer einer elektrischen Maschine sowie eine elektrische Maschine mit einer solchen Wicklung.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen, insbesondere Generatoren wie beispielsweise sog. Klauenpolgeneratoren, weisen eine Wicklung für einen Ständer auf. Hier kommen beispielsweise dreiphasige, fünfphasige oder sechsphasige Wicklungen in Betracht.
Eine Form der Wicklung für einen Ständer ist eine sog. Stern-Dreieck-Wicklung. Hierbei handelt es sich um eine Wicklung, die aus zwei Teilwicklungen gebildet ist, wobei eine der Teilwicklungen als (üblicherweise dreiphasige) Stern-Wicklung und die andere der Teilwicklungen als (üblicherweise dreiphasige) Dreieck-Wicklung ausgebildet ist. Dabei können in Nuten des Ständers angeordnete Stränge der zwei Teilwicklungen jeweils in gemeinsamen Nuten angeordnet sein. Ein solche Wicklung ist beispielsweise aus der DE 103 27 689 A1 bekannt.
Zum Herstellen von Wicklungen allgemein sind verschiedene Verfahren bekannt. Beispielsweise gibt es das sog. Einzugsverfahren, bei dem die Wicklung zunächst auf einem Einziehwerkzeug gewickelt und dann in den Ständer bzw. dessen Nuten eingezogen wird. Hierbei kann wiederum nach sog. Wellenwicklungen und sog. Schleifenwicklungen unterschieden werden.
Ein solches Einzugsverfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2008 018 971 A1 bekannt. Mit dem dort beschriebenen Verfahren können beispielsweise einfache und verteilte Wellenwicklungen sowie einfache und verteilte Schleifenwicklungen hergestellt werden. Die Phasen einer Wicklung werden dabei einzeln gewickelt und nacheinander eingezogen. Zwischen den Einzugsvorgängen erfolgt ein Prägeschritt, bei dem Spulenköpfe der bereits eingezogenen Phasen nach radial außen gedrückt werden, um Platz für die nachfolgenden Phasen zu schaffen.
Außerdem können die einzelnen Phasen in Schichten übereinander in das Einziehwerkzeug eingelegt werden. Der Einziehvorgang erfolgt dann für alle Phasen gemeinsam in einem Schritt. Ein Zwischenprägen kann hierbei entfallen, wodurch die Wickelköpfe kürzer ausgeführt werden können. Eine solche Zweischichtwicklung ist beispielsweise aus der DE 30 08 212 C2 bekannt.
Weiterhin gibt es das sog. Flachpaketverfahren bzw. die sog. Flachpakettechnik, wie sie beispielsweise in der EP 2 647 110 B1 beschrieben wird. Die Wicklung wird hier zunächst in ein flaches Umformwerkzeug eingebracht, dann in der Regel geschränkt und danach erst in den Ständer bzw. dessen Nuten eingebracht.
Bei oder auf Basis solcher Verfahren können Teilwicklungen einzeln voneinander gewickelt oder einzeln in den Ständer eingebracht werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden Verfahren zum Herstellen einer Wicklung für einen Ständer einer elektrischen Maschine sowie eine elektrische Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung betrifft Wicklungen bzw. Verfahren zum Herstellen einer Wicklung. Eine solche Wicklung weist dabei zwei Teilwicklungen auf, wobei eine der Teilwicklungen als Stern-Wicklung und die andere der Teilwicklungen als Dreieck-Wicklung ausgebildet ist bzw. wird, wobei in Nuten des Ständers angeordnete bzw. anzuordnende Stränge der zwei Teilwicklungen jeweils in gemeinsamen Nuten angeordnet sind bzw. werden.
Eine solche Wicklung ist dabei insbesondere mit drei Phasen für jede der zwei Teilwicklungen ausgebildet. Ein Vorteil von solchen Stern-Dreieck-Wicklungen in gemeinsamen Ständernuten liegt im geringen elektromagnetischen Geräusch, dessen Niveau mit bekannten fünf- bzw. sechsphasigen-Systemen vergleichbar ist. Auch die Leistung und der Wirkungsgrad elektrischer Maschinen mit Stern-Dreieck-Wicklungen sind mit anderen mehrphasigen Systemen vergleichbar. Allerdings ist eine Anzahl der nötigen Nuten im Ständer (bzw. Ständernuten) bei den Stern-Dreieck-Wicklungen nur halb so hoch, da die zwei Teilwicklungen in gemeinsame Nuten eingelegt werden können. Dies ist besonders bei kleinen Bauformen elektrischer Maschinen mit Ständerbohrungen (d.h. zentrale Öffnung für den Rotor) von insbesondere weniger als 100 mm von großem Vorteil, da höhere Nutzahlen, wie sie bei anderen Wicklungen oftmals nötig sind, zu immer kleineren Zahn- bzw. Nutabmessungen mit nachteiligen Folgen für die Auslegung und Herstellung der Maschinen führen.
Wie schon erwähnt, ist für eine solche Stern-Dreieck-Wicklung in gemeinsamen Nuten vor allem ein dreiphasiges System für jede der Teilwicklungen zweckmäßig. Während bei fünf Phasen eine Verschaltung als Stern bzw. Dreieck aufgrund elektromagnetischer Verluste nicht sinnvoll ist, können aber beispielsweise sechsphasige Systeme verwendet werden, die dann zweckmäßigerweise als 2x3-Phasen-System in getrennten Nuten ausgeführt sind. Ein geräuschmindernder Versatz der Phasen von elektrisch 30° zwischen den Systemen kann dann durch die Geometrie des Ständers bzw. des Ständereisens erreicht werden.
Die vorgeschlagenen und nachfolgend näher erläuterten Verfahren zum Herstellen einer solchen Wicklung eignet sich für alle Polpaarzahlen, insbesondere sind aber sechs oder acht Polpaare bevorzugt. Die Anzahl von Drähten in den jeweiligen Nuten kann dabei von einem Draht pro Teilwicklung bis hin zu mehreren wie zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun oder mehr reichen, wobei mehrere Drähte dann insbesondere parallel geführt sind.
Bei der Auslegung einer Stern-Dreieck-Wicklung verhalten sich die Kupferquerschnitte (bzw. allgemein die Querschnittsflächen des verwendeten Materials der Drähte bzw. Leiter) und Leiterzahlen der zwei Teilwicklungen von Stern-Wicklung zu Dreieck-Wicklung vorzugsweise wie √3 bzw. etwa 1,73. Dieses Verhältnis kann entweder über geeignete Wahl der Anzahl paralleler Drähte oder über die Durchmesser der Drähte eingestellt werden. Bei einer bevorzugten Auslegung sind beispielsweise die Stern-Wicklung mit einem dickeren Draht und die Dreieck-Wicklung mit zwei parallelen dünneren Drähten ausgeführt.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Wicklung als Wellenwicklung nach dem Einzugsverfahren hergestellt, wobei die in den gemeinsamen Nuten anzuordnenden Stränge der zwei Teilwicklungen zumindest teilweise gleichzeitig gewickelt werden. Wenn eine der Teilwicklungen mehr Drähte pro Nut aufweist als die andere Teilwicklung, so werden vorzugweise zunächst die überzähligen Drähte der einen Teilwicklung in die jeweiligen Nuten eingebracht, und anschließend werden die verbleibenden Drähte der einen Teilwicklung gleichzeitig mit den entsprechenden Drähten der anderen Teilwicklung in die jeweiligen Nuten eingebracht. Zweckmäßigerweise kann nach dem Wickeln der überzähligen Drähte der einen Teilwicklung eine Umkehr der Wickelrichtung vorgenommen werden, sodass eine verteilte Wicklung erzeugt wird.
Die Herstellung der Stern-Dreieck-Wicklung in gemeinsamen Nuten als Wellenwicklung nach dem Einzugsverfahren kann an sich weitgehend mit bekannten Fertigungseinrichtungen ausgeführt werden. Der Einziehvorgang der Stränge, ein Zwischenprägen der Wickelköpfe sowie das Formen des Wickelkopfes am Ende des Herstellvorgangs können insbesondere sogar identisch zu bekannten Verfahren, wie sie eingangs beispielswiese schon erwähnt wurden, vorgenommen werden.
Der Unterschied zur bekannten Herstellung von Einzugswicklungen liegt in der Herstellung der Wicklungsvorstufe, nämlich werden, wie erwähnt, die in gemeinsamen Nuten liegenden Stränge der Stern- und der Dreieck-Wicklung gleichzeitig gewickelt. Dies führt dazu, dass die Drähte der zwei Teilwicklungen gemischt angeordnet werden, was sich auch an der fertigen Wicklung erkennen lässt.
Für einen üblichen Fall, dass die Dreieck-Wicklung eine höhere Anzahl Leiter pro Nut aufweist als die Stern-Wicklung (an sich kann dies bei geeigneter Wahl der Durchmesser der Drähte bzw. Leiter auch anders sein), können zu Beginn einige Umläufe dieser Teilwicklung einzeln gewickelt werden. Bei einem Zwischenstopp können dann zusätzlich die Drähte der Stern-Wicklung zugeführt und die beiden Stränge gemeinsam fertiggestellt werden.
Beispielsweise können bei einer Auslegung einer Dreieck-Wicklung mit sieben Leitern bzw. Drähten pro Nut und einer Stern-Wicklung mit vier Leitern bzw. Drähten pro Nut, zuerst drei Umläufe der Dreieck-Wicklung und dann, nach dem Zwischenstopp, vier gemeinsame Umläufe für die Dreieck- und die Stern-Wicklung vorgenommen werden.
Eine verteile Anordnung der Spulen- bzw. Wickelköpfe der Wellenwicklung ist, wie schon erwähnt, möglich. Bei dem eben erwähnten Beispiel kann hierzu der Strang der Dreieck-Wicklung als Vorwärtswicklung mit drei Umläufen begonnen werden. Beim Zwischenstopp kann ein Wickelrichtungswechsel mit entsprechender Fixierung der Drähte erfolgen. Zusätzlich wird dann der Strang der Stern-Wicklung zugeführt und anschließend können die vier Umläufe der Rückwärtswicklung gemeinsam gewickelt werden.
Die Lage von Abgangsdrähten (d.h. von Anfang und Ende der einzelnen Drähte der Wicklung, die entsprechend verschaltet werden) der zwei Teilwicklungen kann durch verschiedene Zuführungsstellen beim Herstellen der sog. Wicklungsvorstufe am Umfang des B-seitigen Wickelkopfes in weiten Bereichen frei gewählt werden. So ist beispielsweise eine am Wickelkopf gegenüberliegende Position der Abgangsdrähte der Stern-Wicklung und der Dreiecks-Wicklung möglich. Dadurch können die Teilwicklungen einfacher verschaltet sowie eine Schnittstelle zu einem Gleichrichter deutlich einfacher gestaltet werden.
Denkbar ist auch, die Drähte der beiden Teilwicklungen unterschiedlich einzufärben oder die Abgangsdrähte verschieden lang abzuschneiden, um das Risiko von Verwechslungen beim Verschalten der beiden Teilwicklungen zu verringern.
Die Auslegung einer Stern-Dreieck-Wicklung in gemeinsamen Nuten als eingezogene Wicklung erfordert in der Regel einen Kompromiss bezüglich der Drahtdurchmesser der zwei Teilwicklungen, die annähernd gleich sein sollten. Ein Unterschied der beiden Durchmesser sollte zweckmäßigerweise weniger als 0,1 mm betragen. Auf diese Weise können beispielsweise Abquetschungen beim Einziehen vermieden und günstige geometrische Verhältnisse am Einziehwerkzeug erreicht werden.
Auslegungen mit halben Leitern pro Nut sind ebenfalls möglich, wenn pro Phase zwei Gruppen parallel geschaltet und um 180° versetzt eingezogen werden. Von Vorteil ist dabei, dass die Nuten dann jeweils komplett gefüllt sind und gesichert werden können. Andere Teilungen der Leiterzahlen können zu teilweise unvollständig befüllten Nuten und zu ungünstigen Auswirkungen auf die Geräuschentwicklung führen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Wicklung als Zweischicht-Schleifenwicklung nach dem Einzugsverfahren hergestellt, wobei die in den gemeinsamen Nuten anzuordnenden Stränge der zwei Teilwicklungen von Nut zu Nut abwechselnd in eine obere Lage in der Nut und in eine untere Lage in der Nut (auch als Nutoberlage bzw. Nutunterlage bezeichnet) eingebracht werden. Spulenelemente der zwei Teilwicklungen werden dabei vorzugsweise einzeln erzeugt und nacheinander in ein Einziehwerkzeug eingebracht. Unter einem Spulenelement ist hierbei eine Schleife eines Leiters zu verstehen, die um eine oder mehrere Nuten gewickelt wird. Zweckmäßig ist es auch, wenn bei einer Abfolge des Wickelns zwischen den zwei Teilwicklungen abgewechselt wird.
Vorteilhafterweise werden wenigstens die drei letzten Spulenelemente in das Einziehwerkzeug eingebracht, wobei die wenigstens drei ersten, sich in dem Einziehwerkzeug befindlichen Spulenelemente angehoben werden. Die letzten Spulenelemente können so unter die ersten Spulenelemente gelegt werden, um eine durchgehend gleichmäßige Zweischicht-Wicklung zu erhalten. Eine Herstellung ohne dieses Anheben und Unterschieben der Spulenelemente an der Stoßstelle ist zwar möglich, jedoch entstehen dadurch in den Wickelköpfen und im Nutbereich einschichtige Zonen von der Länge eines halben Poles.
Der Grund, weshalb gerade die letzten drei Spulenelemente angehoben werden sollen, liegt in einer dreiphasigen Teilwicklung, bei der jedes Spulenelement um drei Nuten gewickelt wird, sodass zwei freie Nuten zwischen diesen Nuten vorhanden sind, in denen entsprechend Spulenelemente anderer Phasen zu liegen kommen.
Bei der Ausführung einer Stern-Dreieck-Wicklung in gemeinsamen Nuten als Zweischicht-Schleifenwicklung mit Einzugstechnik werden die beiden Teilwicklungen, wie erwähnt, im Ständer bzw. Ständereisenpaket von Nut zu Nut abwechselnd in Nutoberlage bzw. Nutunterlage angeordnet. Im Gegensatz zur Ausführung als Wellenwicklung, wie sie zuvor beschrieben wurde, werden die Drähte der zwei Teilwicklungen hier nicht gemischt angeordnet. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Durchflutung der Teilwicklungen und damit zu höherer Leistung und besserem Wirkungsgrad der elektrischen Maschine.
Zur Herstellung der Wicklungsvorstufe können einzelne Spulenelemente erzeugt und nacheinander direkt in das Einziehwerkzeug eingelegt werden. Bei der Wickelfolge, d.h. der Abfolge des Wickelns, wird insbesondere zwischen den zwei Teilwicklungen abgewechselt, d.h. es kann zunächst die erste Phase der Stern-Wicklung, dann die erste Phase der Dreieck-Wicklung, dann die zweite Phase der Stern-Wicklung gewickelt werden und so weiter. Damit kann eine gewünschte wechselnde Position in Nutoberlage bzw. Nutunterlage erreicht werden. Verbinder zwischen den Spulenelementen kommen dabei immer auf der Ständerseite der Abgangsdrähte zu liegen. Im Einziehwerkzeug kann das sowohl bohrungsseitig als auch von radial außen erfolgen.
Der Einziehvorgang erfolgt für alle Stränge der Stern-Dreieck-Wicklung insbesondere gemeinsam in einem einzigen Fertigungsschritt. Ein Zwischenprägen der Wickelköpfe der einzelnen Stränge kann dabei entfallen. Beim gemeinsamen Einziehen stützen sich alle Stränge vielmehr gegenseitig. Die Gefahr der Verformung einzelner Zähne am Ständerpaket wird damit deutlich reduziert. Im Vergleich zu bisher üblichen Herstelltechniken können deshalb kürzere Wickel- und Spulenköpfe ausgebildet werden. So wird bei gleicher Auslegung der elektrischen Maschine weniger Kupfer verbaut bzw. verbraucht.
Zusätzlich können wegen des zweischichtigen Aufbaus die Wickelköpfe noch kürzer und kompakter ausgeführt werden. Die Kupfermenge in der Ständerwicklung kann damit insgesamt um ca. 10% bis 15% reduziert werden. Ein Verhältnis aus aktivem Kupfer (d.h. im Bereich des Ständereisens liegende Wicklungsabschnitte) zu passivem Kupfer (d.h. im Bereich der Wickelköpfe liegende Wicklungsabschnitte) wird verbessert. Bei gleichbleibender aktiver Kupfermenge führen die kürzeren Wickelköpfe zur Reduktion des ohmschen Widerstandes der Wicklung. Dies wirkt sich positiv auf die Leistungs- bzw. Wirkungsgradwerte sowie auf die Verlustwärme der elektrischen Maschine aus.
Die zweischichtige Anordnung der Spulenköpfe führt darüber hinaus insbesondere bei einer Luftkühlung zu einer verbesserten Wärmeabfuhr der Wicklung. Keine Phase ist komplett abgedeckt und alle Phasen weisen in etwa gleiche im Kühlluftstrom liegende Flächenanteile auf. Die dadurch gleichmäßigere Wicklungstemperatur bringt Vorteile bei Leistung, Wirkungsgrad und Verlusten der elektrischen Maschine.
Beim Verschalten der Stern-Dreieck-Wicklung in gemeinsamen Nuten als Zweischicht-Schleifenwicklung ist besonders auf die Paarung der Abgangsdrähte zu achten. Bei der Teilwicklung in Dreieck-Schaltung ist eine Phase gedreht. Eine um 90° gedrehte Anordnung der Abgangsdrähte der beiden Teilwicklungen ist prinzipiell möglich, führt aber zu größerer Unregelmäßigkeit des Wickelkopfes. Analog zur Ausführung als Wellenwicklung kann aber damit das Risiko von verwechselten Drähten beim Verschalten der Teilwicklungen verringert werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Wicklung als Zweischicht-Schleifenwicklung nach dem Flachpaketverfahren hergestellt, wobei die in den gemeinsamen Nuten anzuordnenden Stränge der zwei Teilwicklungen abwechselnd in ein Umformwerkzeug verbracht werden, und wobei die Wicklung anschließend geschränkt und in den Ständer eingebracht wird. Stränge der zwei Teilwicklungen werden insbesondere im Umformwerkzeug gemeinsam geschränkt.
Bei der Herstellung der Stern-Dreieck-Wicklung in gemeinsamen Nuten als Zweischicht-Schleifenwicklung nach dem Flachpaketverfahren können insbesondere bekannte Fertigungsschritte des Flachpaketverfahrens zur Herstellung einer Flachpaketwicklung zum Einsatz kommen.
Beim Wickeln werden insbesondere jeweils drei Stränge für die Stern-Wicklung und für die Dreieck- Wicklung mit ungeschränkten Spulenelementen erzeugt. Optional kann ein Prägen der Nutbereiche der Spulenelemente erfolgen, anschließend kann dann das Stecken der Stränge erfolgen, wobei die Stränge der Stern-Wicklung und der Dreieck-Wicklung abwechselnd verbaut werden.
Es folgt vorzugsweise ein gemeinsames Schränken der Stränge zu einer flachen Stern-Dreieck-Wicklung mit zweischichtigen Wickelköpfen, optional können die Nut- und Wickelkopfbereiche noch in Nutrichtung kompaktiert werden. Dann kann die Wicklung wie bei der bekannten Flachpaketfertigung eingelegt und gebogen werden.
Die Anzahl paralleler Drähte kann bei dieser Vorgehensweise geringer gehalten werden, weil die Wicklung hier in ein Flachpaket mit breiteren Nutschlitzen eingelegt wird. Der elektrische Füllfaktor kann hierbei auf Werte von größer als 50% gebracht werden, wenn der Nutbereich der Spulenelemente geprägt wird. Dies kann zur weiteren Leistungserhöhung und/oder Verkleinerung der elektrischen Maschinen eingesetzt werden.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einer Wicklung, die zwei Teilwicklungen aufweist, wobei eine der Teilwicklungen als Stern-Wicklung und die andere der Teilwicklungen als Dreieck-Wicklung ausgebildet ist, wobei in Nuten des Ständers angeordnete Stränge der zwei Teilwicklungen jeweils in gemeinsamen Nuten angeordnet sind. Die Wicklung ist dabei mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hegestellt.
Hierzu sei angemerkt, dass sich das Herstellungsverfahren der Wicklung auch in der fertigen Wicklung erkennen lässt, da die entsprechenden Teilwicklungen bzw. die einzelnen Drähte auf bestimmte Weise zu liegen kommen, wie dies im Zusammenhang mit den entsprechenden Verfahren erläutert wurden. So können die Drähte der zwei Teilwicklungen beispielsweise durchmischt angeordnet sein, oder aber in zwei Schichten und getrennt voneinander.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine in einer bevorzugten Ausführungsform.
2 zeigt ein Wicklungsschema für eine Stern-Dreieck-Wicklung für ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
3 zeigt ein Wicklungsschema für eine Stern-Dreieck-Wicklung für ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
4 zeigt Schaltbilder für eine Stern-Dreieck-Wicklung für ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
5 zeigt ein Schaltbild für eine Stern-Dreieck-Wicklung für ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
6 zeigt einen Wickelkopf für eine Stern-Dreieck-Wicklung für ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
7 zeigt einen Wickelkopf für eine Stern-Dreieck-Wicklung für ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch und in vereinfachter Form eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 100 in einer bevorzugten Ausführungsform im Längsschnitt dargestellt, die als Wechselstrom-Synchrongenerator mit einem Klauenpolläufer (bzw. als sog. Klauenpolgenerator) mit geregelter elektrischer Erregung des Polrads zum Einsatz in Kraftfahrzeugen ausgebildet ist.
Die elektrische Maschine 100 weist ein mehrteiliges Gehäuse, insbesondere ein Metallgehäuse auf, bestehend aus je einem Lagerschild 110 und 120 an beiden Stirnseiten. Die Lagerschilde 110 und 120 sind topfförmig ausgebildet, insbesondere mit stirn- und umfangseitigen Aussparungen für eine Kühlluftführung.
Axial zwischen den beiden Lagerschilden 110 und 120 ist ein Ständer 130 befestigt, der im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Lamellenpaket und einer darin angeordneten mehrphasigen Wicklung bzw. Ständerwicklung 140 ausgebildet ist. Das Lamellenpaket kann in an sich bekannter Weise aus einer Vielzahl von Blechlamellen hergestellt sein.
Die Ständerwicklung 140 ist in Wicklungsstränge gegliedert, die in axial und zueinander parallel verlaufenden, radial nach innen offenen Nuten untergebracht sind. Innerhalb des zylinderförmig ausgebildeten Lamellenpakets ist ein Klauenpolläufer 150 angeordnet und in den Lagerschilden 110 und 120 um eine Rotationsachse R drehbar gelagert. Eine Läuferwelle 155 trägt zwei gegensätzlich gepolte Polradhälften. Jede Polradhälfte besteht vorzugsweise aus Eisen, ist massiv ausgebildet und weist entlang des Umfangs eine Vielzahl von sich in Achsrichtung erstreckenden Klauen auf, die im Wesentlichen trapezförmig geformt und mit gleichmäßiger Winkelteilung in Umfangsrichtung angeordnet sind.
Beide Polradhälften sind auf der Läuferwelle 155 derart angeordnet, dass sie sich einander gegenüberstehen und ihre klauenartig ausgebildeten Polfinger wechselseitig als Süd- und Nordpole ineinandergreifen. Sie überdecken eine ringförmige Erregerwicklung 160, die sich auf einem Polkern 165 befindet, der die beiden Polradhälften auf Abstand hält.
An axialen Endflächen der Polradhälften können Lüfter 151 und 152 angeordnet und an ihnen befestigt sein. Entsprechende Luftströme treten dann axial durch die stirnseitigen Öffnungen in den Lagerschilden ein, werden dabei durch die beiden Lüfter angesaugt und treten radial durch Öffnungen am Umfang der Lagerschilde wieder aus, sodass die Wickelköpfe der Ständerwicklung 140 in einem radialen Kühlluftstrom liegen.
Am der Antriebsseite gegenüberliegenden Ende der Läuferwelle 130, in der 1 rechts, ist ein Schleifringpaar 170 angeordnet, das der Stromversorgung der Erregerwicklung 160 dient. Ein Gleichstrom der Erregerwicklung 160 erzeugt ein in Bezug auf den Läufer stillstehendes axiales Magnetfeld, das durch die Klauenpole in eine radiale Richtung umgelenkt wird. Durch die Drehung des Läufers entsteht für den Ständer 130 ein magnetisches Drehfeld.
Dieses Drehfeld rotiert mit zum Polrad synchroner Drehzahl und induziert in jedem Strang bzw. jeder Phase der Ständerwicklung 140 eine Wechselspannung. Die einzelnen Strangwechselspannungen sind um einen Winkel (Phasenverschiebungswinkel) zeitlich gegeneinander verschoben. Beispielsweise sind für eine symmetrische, dreisträngige Wicklung die drei sinusförmigen Wechselspannungen um 120° zeitlich zueinander verschoben. Gleiches gilt für die Wechselströme.
Kohlebürsten, die gegen Oberflächen der Schleifringe 170 gedrückt werden, sind in einem Bürstenhalter 175 gelagert, der hier zusammen mit einem Regler 180, der durch Einstellen des Stromes durch die Erregerwicklung 160 die in den Wicklungen induzierten Wechselspannungen auf eine von Drehzahl und Last unabhängige, konstante Spannung regeln kann, eine Einheit bildet.
Der von der Ständerwicklung 140 abgegebene Wechselstrom kann über eine Gleichrichterschaltung einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zugeführt werden, wobei die Gleichrichteranordnung 190 beispielhaft außen am hinteren Lagerschild 120 angeordnet ist. Die Gleichrichteranordnung 190 sowie der Regler 180 sind von einer Schutzkappe 185 an der hinteren Stirnseite der elektrischen Maschine 100 abgedeckt.
In 2 ist ein Wicklungsschema für eine Stern-Dreieck-Wicklung für ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu sind Nummern von Nuten N eines Ständers einer elektrischen Maschine aufgetragen. Mit 141 und 142 sind dabei Drahtverläufe einer Phase der Stern-Wicklung bzw. einer Phase der Dreieck-Wicklung dargestellt.
Bei dem gezeigten Wickelschema handelt es sich demnach um eine Wellenwicklung, wobei die Stränge bzw. Drähte der beiden Teilwicklungen, d.h. von Stern-Wicklung und Dreieck-Wicklung, in gemeinsamen Nuten angeordnet werden. Die beiden anderen Phasen jeder Teilwicklung können entsprechend um eine bzw. zwei Nuten versetzt angeordnet werden. Mit X und U sind dabei Anschlüsse bzw. Abgangsdrähte der jeweiligen Phasen bezeichnet.
Diese Wellenwicklung kann insbesondere als Einzugswicklung hergestellt werden, bei der die beiden Teilwicklungen zumindest teilweise gleichzeitig gewickelt werden.
In 3 ist ein Wicklungsschema für eine Stern-Dreieck-Wicklung für ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu sind Nummern von Nuten N eines Ständers einer elektrischen Maschine aufgetragen. Mit 141 und 142 sind dabei Drahtverläufe einer Phase der Stern-Wicklung bzw. einer Phase der Dreieck-Wicklung dargestellt.
Bei dem gezeigten Wickelschema handelt es sich demnach um eine Schleifenwicklung, wobei die Stränge bzw. Drähte der beiden Teilwicklungen, d.h. von Stern-Wicklung und Dreieck-Wicklung, in gemeinsamen Nuten angeordnet werden. Die beiden anderen Phasen jeder Teilwicklung können entsprechend um eine bzw. zwei Nuten versetzt angeordnet werden.
Weiterhin sind mit L_U bzw. L_O eine untere bzw. eine obere Lage in der jeweiligen Nut bezeichnet. In dem gezeigten Fall wechseln sich die Stern-Wicklung und die Dreieck-Wicklung demnach mit der oberen bzw. unteren Lage von Nut zu Nut ab.
Mit X und U sind dabei Anschlüsse bzw. Abgangsdrähte der jeweiligen Phasen bezeichnet. Diese Schleifenwicklung kann insbesondere als Einzugswicklung oder aber auch als Flachpaketwicklung hergestellt werden.
In 4 sind Schaltbilder für eine Stern-Dreieck-Wicklung für ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Dabei ist oben die Verschaltung für die Anschlüsse bzw. Abgangsdrähte der Stern-Wicklung 141 gezeigt, unten entsprechend für die Dreieck-Wicklung 142.
Diese Art der Verschaltung für die beiden Teilwicklungen kann unabhängig von der Art des Wicklungsverfahrens vorgenommen werden, d.h. es ist nicht relevant, ob es sich dabei um ein Schleifen- oder Wellenwicklung bzw. um eine Einzugs- oder Flachpaketwicklung handelt.
In 5 ist ein Schaltbild für eine Stern-Dreieck-Wicklung für ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Für die beiden Teilwicklungen, d.h. die Stern-Wicklung 141 und die Dreieck-Wicklung 142, sind jeweils ein zugehöriger Gleichrichter 191 bzw. 192 vorgesehen, deren Ausgänge parallel geschaltet und an ein Bordnetz mit positivem und negativem Anschluss B+ bzw. B- angebunden werden kann, wie auch zu 1 erwähnt.
Die beiden Gleichrichter 191 und 192 können dabei Teil der in 1 gezeigten Gleichrichteranordnung 190 sein, während die beiden Teilwicklungen, d.h. die Stern-Wicklung 141 und die Dreieck-Wicklung 142, zusammen die Wicklung 140 bilden.
In 6 ist ein Wickelkopf für eine Stern-Dreieck-Wicklung für ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Hierzu ist ein Ausschnitt eines Ständers 130 mit Zähnen 131 und dazwischen liegenden Nuten N gezeigt.
Bei der hier dargestellten Wicklung handelt es sich um eine Wellenwicklung, die nach dem Einzugsverfahren hergestellt sein kann, wie beispielsweise auch in Bezug auf 2 erläutert.
Die Drähte der beiden Teilwicklungen, d.h. der Stern-Wicklung 141 und der Dreieck-Wicklung 142, sind verschiedenartig dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass die beiden Teilwicklungen durchmischt sind, was sich durch das gleichzeitige Wickeln ergibt.
In 7 ist ein Wickelkopf für eine Stern-Dreieck-Wicklung für ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Hierzu ist ein Ausschnitt eines Ständers 130 mit Zähnen 131 und dazwischen liegenden Nuten N gezeigt.
Bei der hier dargestellten Wicklung handelt es sich um eine Zweischicht-Schleifenwicklung, die nach dem Einzugsverfahren oder nach dem Flachpaketverfahren hergestellt sein kann, wie beispielsweise auch in Bezug auf 3 erläutert.
Die Drähte der beiden Teilwicklungen, d.h. der Stern-Wicklung 141 und der Dreieck-Wicklung 142, sind verschiedenartig dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass die beiden Teilwicklungen getrennt voneinander und in zwei Schichten angeordnet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10327689 A1 [0003]
DE 102008018971 A1 [0005]
DE 3008212 C2 [0006]
EP 2647110 B1 [0007]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Wicklung (140) für einen Ständer (130) einer elektrischen Maschine (100), die aus zwei Teilwicklungen (141, 142) gebildet wird, wobei eine der Teilwicklungen als Stern-Wicklung (141) und die andere der Teilwicklungen als Dreieck-Wicklung (142) ausgebildet wird, wobei in Nuten (N) des Ständers (130) anzuordnende Stränge der zwei Teilwicklungen (141, 142) jeweils in gemeinsamen Nuten (N) angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (140) als Wellenwicklung nach dem Einzugsverfahren hergestellt wird, wobei die in den gemeinsamen Nuten (N) anzuordnenden Stränge der zwei Teilwicklungen (141, 142) zumindest teilweise gleichzeitig gewickelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei, wenn eine der Teilwicklungen (141) mehr Drähte pro Nut aufweist als die andere Teilwicklung (142), zunächst die überzähligen Drähte der einen Teilwicklung (141) in die jeweiligen Nuten (N) eingebracht werden, und anschließend die verbleibenden Drähte der einen Teilwicklung (141) gleichzeitig mit den entsprechenden Drähten der anderen Teilwicklung (142) in die jeweiligen Nuten (N) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei nach dem Wickeln der überzähligen Drähte der einen Teilwicklung (141) eine Umkehr einer Wickelrichtung vorgenommen wird.
Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (140) als Zweischicht-Schleifenwicklung nach dem Einzugsverfahren hergestellt wird, wobei die in den gemeinsamen Nuten (N) anzuordnenden Stränge der zwei Teilwicklungen von Nut zu Nut abwechselnd in eine obere Lage (L_O) in der Nut und in eine untere Lage (L_U) in der Nut eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei Spulenelemente der zwei Teilwicklungen (141, 142) einzeln erzeugt und nacheinander in ein Einziehwerkzeug eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei wenigstens die drei letzten Spulenelemente in das Einziehwerkzeug eingebracht werden, wobei die wenigstens drei ersten, sich in dem Einziehwerkzeug befindlichen Spulenelemente angehoben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei bei einer Abfolge des Wickelns zwischen den zwei Teilwicklungen (141, 142) abgewechselt wird.
Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (140) als Zweischicht-Schleifenwicklung nach dem Flachpaketverfahren hergestellt wird, wobei die in den gemeinsamen Nuten (N) anzuordnenden Stränge der zwei Teilwicklungen (141, 142) abwechselnd in ein Umformwerkzeug verbracht werden, und wobei die Wicklung (140) anschließend geschränkt und in den Ständer (130) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Stränge der zwei Teilwicklungen (141, 142) im Umformwerkzeug gemeinsam geschränkt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wicklung (140) mit sechs oder acht Polpaaren ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen Nuten (N) zunächst vollständig befüllt und anschließend darin befindliche Drähte gesichert werden.
Elektrische Maschine (100) mit einem Ständer (130) und einer Wicklung (140), die zwei Teilwicklungen (141, 142) aufweist, wobei eine der Teilwicklungen als Stern-Wicklung (141) und die andere der Teilwicklungen als Dreieck-Wicklung (142) ausgebildet ist, wobei in Nuten (N) des Ständers (130) angeordnete Stränge der zwei Teilwicklungen (141, 142) jeweils in gemeinsamen Nuten (N) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (140) gemäß einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche hergestellt ist.