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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor, mit einem Statorkern, der mehrere Statornuten umfasst, die parallel zu einer Statorachse in einer axialen Richtung verlaufend angeordnet sind und einer in den Statornuten angeordneten Stabwicklung, die aus mehreren Leitersegmenten gebildet ist.
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Derartige Stabwicklungen für einen Stator werden auch als Formteilwicklungen bezeichnet und sind aus mehreren vorgefertigten Leitersegmenten gebildet, die zur Bildung der Stabwicklung in die Statornuten eingebracht und dann an ihren Enden miteinander verbunden werden. Verbunden bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung elektrisch kontaktiert. Die Leitersegmente werden dazu typischerweise zu Teilsträngen verbunden, die einen geschlossenen Umlauf um den Stator bilden. Die miteinander verbundenen Enden der Leitersegmente bilden einen so genannten Wickelkopf.
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In den Statornuten eines solchen Stators sind in der Regel jeweils mehrere Leitersegmente angeordnet, die verschiedene Abstände von der Statorachse aufweisen, d.h. in radialer Richtung in radialen Ebenen geschichtet sind.
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Sind Leitersegmente in benachbarten Statornuten mit der gleichen elektrischen Phase kontaktiert, wird also ein Pol des Stators durch mehrere nebeneinander liegende Leitersegmenten gebildet, so kommt es durch den drehenden Rotor der elektrischen Maschine zu in die Leitersegmente induzierten Spannungen mit jeweils verschobener Phase, was zu nachteiligen großen Ringströmen in den Teilsträngen und damit zu Verlusten führt. Um dies zu vermeiden, können die benachbarten Teilstränge beim Verbinden der Leitersegmente im Wickelkopf in ihrer Reihenfolge getauscht werden, der Fachmann spricht von transponieren. Über einen Umlauf der Teilstränge hinweg können so durch die Lage der Teilstränge hervorgerufene Unterschiede ausgeglichen werden. Die benachbarten Statornuten, deren Leitersegmente gemeinsam einen Pol bilden, werden als Lochgruppe bezeichnet.
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Aus dem Stand der Technik ist bisher nur bekannt, Teilstränge rotationsweise zu transponieren, wobei die Lochgruppen der Teilstränge drei Statornuten umfasst.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, einen Stator für eine elektrische Maschine mit reduzierten Verlusten anzugeben, dessen Teilstränge aufweisen, welche in einer Lochgruppe mit einer beliebigen Zahl von Statornuten angeordnet sind.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor, mit einem Statorkern, der mehrere Statornuten umfasst, die parallel zu einer Statorachse in einer axialen Richtung verlaufend in einer Umfangsrichtung des Stators gleichmäßig zueinander angeordnet sind, wobei der Abstand in Umfangsrichtung zwischen den Mitten zweier direkt benachbarter Statornuten einem Nutenabstand entspricht und mit einer in den Statornuten angeordneten Stabwicklung, die aus mehreren Leitersegmenten gebildet ist, wobei die Stabwicklung zum Betrieb mit P > 1 elektrischen Phasen und SP ≥ 2*P Statorpolen verschaltet ist, wobei der Stator N > 1 Statornuten pro Statorpol aufweist, so dass für jeden Statorpol eine Lochgruppe mit einer ersten Nutposition, einer letzten Nutposition und ggf. dazwischen liegenden Nutpositionen gebildet ist, wobei die Leitersegmente der Lochgruppe eines mit einer ersten Phase verbundenen ersten Statorpols durch Spangen mit Leitersegmenten eines zweiten Statorpols verbunden sind, wobei die Spangen jeweils eine Spangenweite entlang der Umfangsrichtung aufweisen, wobei die Spangenweite mindestens der ((P-1)*N+1)-fachen Nutenabstand und höchstens (N-1+N*P)-fache Nutenabstand ist, wobei die Summe der Spangenweiten der Spangen der (N2*P)-fache Nutenabstand ist, wobei erste Spangen eine erste Spangenweite aufweisen und zweite Spangen eine von der ersten Spangenweite verschiedene zweite Spangenweite aufweisen.
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Die Verschaltung ermöglicht es, durch unterschiedlich lange Spangen Teilstränge mit beliebig vielen Leitersegmenten zu transponieren. Die Längenunterschiede der Spangen werden üblicherweise Pitch genannt und sind ein Vielfaches des Nutenabstandes. Wird an einem Teilstrang keine Transponierung durchgeführt, so weisen alle Spangen des nichttransponierten Teilstrangs die Spangenweite P*N*Nutenabstand auf.
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Denkbar ist, dass die Leitersegmente durch Verschweißen an einer zweiten Stirnseite des Stators verbunden sind, wobei die erste Seite nicht die zweite Seite ist.
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Denkbar ist, dass dabei das Transponieren der Teilstränge durch Vertauschung der Reihenfolge Teilstränge in Umfangsrichtung um eine Statornut oder um mehr als eine Statornut realisiert ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Spangen in axialer Richtung bis zu einer ersten Scheitelebene ausgedehnt sind und die zweiten Spangen in axialer Richtung bis zu einer zweitem Scheitelebene ausgedehnt sind, wobei die erste Scheitelebene von der zweiten Scheitelebene verschieden ist, wobei vorzugsweise dritte Spangen einer dritten Spangenweite in axialer Richtung bis zu einer dritten Scheitelebene ausgedehnt sind und wobei die dritte Scheitelebene von der ersten Scheitelebene und von der zweiten Scheitelebene verschieden ist. Dies ermöglicht ein geschicktes Führen der Spangen am ersten Wickelkopf. Denkbar ist, dass durch die Scheitelebene mit der größten Ausdehnung in axialer Richtung die Ausdehnung des ersten Wickelkopfes in axialer Richtung bestimmt ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Spangenweite kleiner ist als der (N*P)-fache Nutenabstand, wobei die zweite Spangenweite größer ist als der (N*P)-fache Nutenabstand, wobei die zweite Scheitelebene die erste Scheitelebene in axialer Richtung (A) überragt. Spangen mit größerer Spangenweite in axialer Richtung über Spangen mit geringerer Spangenweite zu führen hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass N > 3 ist. Damit ist es möglich, Teilstränge mit Leitersegmenten in mehr als drei Statornuten zu transponieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stator x ≥ 1 zweite Spangen und y ≥ 1 erste Spangen aufweist, wobei N ganzzahlig durch x teilbar ist, wobei das Leitersegment an der ersten Nutposition des ersten Statorpols mit einer zweiten Spange mit einem Leitersegment des zweiten Statorpols verbunden ist, wobei, falls x größer als 1 ist, die nächst höhere Nutposition jeder N/x-ten Nutposition mit einer zweiten Spange mit einem Leitersegment des zweiten Statorpols verbunden ist, wobei alle Leitersegmente des ersten Statorpols, welche nicht mit einer zweiten Spange verbunden sind, jeweils mit einer ersten Spange mit einem Leitersegment des zweiten Statorpols verbunden sind, wobei die zweite Spangenweite der (N*P+(N/x)-1)-fache Nutenabstand ist, wobei die erste Spangenweite kleiner ist als die zweite Spangenweite. Dadurch werden die Lochgruppen in N/x Lochuntergruppen aufgeteilt, welche gleichzeitig transponiert werden. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise eine Verschränkung der Lochuntergruppen, also eine Kombination der Transponierungen der Teilstränge und es kann beispielsweise eine zweite Transponierung eines Teilstrangs begonnen werden, während eine erste Transponierung eines anderen Teilstrangs noch nicht abgeschlossen ist. Als Beispiel sei für die Transponierung mit N = 6 die durch den total antisymmetrischen Tensor (oder auch Levi-Civita-Symbol) beschriebene Permutation εjkinml genannt.
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Dazu ist denkbar, dass die erste Spangenweite der (N*P-1)-fache Nutenabstand ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweiten Spangen einen an dem Leitersegment einer Statornut des ersten Statorpols angeordneten ersten Teil, einen an dem Leitersegment einer Statornut des zweiten Statorpols angeordneten dritten Teil und einen zwischen dem ersten Teil und dem dritten Teil angeordneten zweiten Teil aufweisen, wobei der zweite Teil eine Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei die Haupterstreckungsrichtung im Wesentlichen orthogonal zur axialen Richtung angeordnet ist. Dadurch, dass die zweiten Spangen die Haupterstreckungsrichtung orthogonal zur axialen Richtung aufweist, sind diese abgeflacht und benötigt nur sehr wenig Bauraum.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Teil bogenförmig ist, wobei ein am ersten Teil angeordneter erster Bereich des zweiten Teils und ein am dritten Teil angeordneter dritter Bereich des zweiten Teils einen größeren Bogenradius aufweisen als ein zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich angeordneter zweiter Bereich des zweiten Teils. Denkbar ist, dass der Bogenradius kontinuierlich variiert ist, so dass sich in einem Scheitelpunkt der zweiten Spangen, also im in axialer Richtung am weitesten von den Leitersegmenten entfernten Bereich, die zweiten Spangen nur wenig gebogen sind. Durch die Variation des Bogenradius kann so in vorteilhafter Weise die Höhe des Wickelkopfes eingestellt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Teil mit einer Biegung am ersten Teil angeordnet ist und mit einer weiteren Biegung am dritten Teil angeordnet ist, wobei ein mittlerer Bereich zwischen der Biegung und der weiteren Biegung im Wesentlichen gerade und orthogonal zur axialen Richtung angeordnet ist. Die zweiten Spangen weisen also jeweils zwischen der Biegung und der weiteren Biegung einen im Wesentlichen flachen Bereich orthogonal zur axialen Richtung auf.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem vorstehend beschriebenen Stator.
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Bei der elektrischen Maschine, die bevorzugt als Elektromotor ausgebildet ist, können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stator beschrieben worden sind.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
- 1 illustriert schematisch ein Leitersegment einer Stabwicklung in einer Seitenansicht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 illustriert schematisch einen Stator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 illustriert schematisch einen Stator gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 illustriert schematisch einen Bereich des Statorkerns des Stators aus 3 in einer Schnittdarstellung.
- 5 (a) und (b) illustrieren schematisch jeweils einen Bereich des ersten Wickelkopfes eines Stators gemäß dem Stand der Technik beziehungsweise gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 6 (a) und (b) illustrieren schematisch jeweils einen Bereich des ersten Wickelkopfes eines Stators gemäß dem Stand der Technik beziehungsweise gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 7 illustriert schematisch einen Bereich des ersten Wickelkopfes eines Stators gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Leitersegments 1 gezeigt, dass zur Bildung einer Stabwicklung 10 (siehe 2 und 3) verwendet werden kann. Das Leitersegment 1 weist einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf und ist U-förmig ausgebildet. Aufgrund ihrer Form werden derartige Leitersegmente 1 auch als Hairpins (engl. für Haarnadeln) bezeichnet. Das Leitersegment 1 ist bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium oder einer Kupfer-Aluminium-Legierung ausgebildet, wodurch gute elektrische Eigenschaften ermöglicht werden.
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U-förmige Leitersegmente 1, wie das in 1 gezeigte, lassen sich bei der Herstellung eines Stators 9 (siehe 2 und 3) einer elektrischen Maschine von einer ersten Stirnseite 15 (siehe 2 und 3) des Statorkerns 3 (siehe 2 und 3) in die Statornuten 4 (siehe 3) einschieben. Nach dem Einbringen des Leitersegments 1 in die Statornuten 4 können die an der ersten Stirnseite 15 des Statorkerns 3 herausstehenden offenen Enden der Leitersegmente 1, umgebogen werden, um diesem mit einem weiteren Leitersegment 1 zu verbinden. Durch das Verbinden einer Vielzahl derartiger Leitersegmente 1 wird eine Stabwicklung 10 des Stators 9 gebildet.
Gemäß einer Abwandlung des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels kann das Leitersegment 1 V-förmig ausgebildet sein. Weiter alternativ ist es möglich, dass eine Vielzahl gerader Leitersegmente 1 verwendet wird oder eine Kombination gerader Leitersegmente 1 mit U-förmigen und/oder V-förmigen Leitersegmenten 2.
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Eine perspektivische Darstellung des Stators 9 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 2 gezeigt. Der Stator 9 ist für eine Innenläufermaschine geeignet und umfasst einen hohlzylindrischen Statorkern 3 mit einer Statorachse S, der Umfangsrichtung U und einer Vielzahl an in einer parallel zur Statorachse S gleichmäßig angeordneten, axialen Richtung A verlaufenden Statornuten 4. Die Statornuten 4 haben, von Mitte zu Mitte gemessen, in Umfangsrichtung des Nutenabstand NA. Insofern ist die axiale Richtung A die Nutlängsrichtung und die Richtung der Nuttiefe wird als radiale Richtung bezeichnet. Der Statorkern 3 ist bevorzugt als Blechpaket ausgebildet. In den Statornuten 4 ist eine Wicklung vorgesehen, die als Stabwicklung 10 aus vorgefertigten Leitersegmenten 1 (siehe 1) ausgebildet ist. Die Leitersegmente 1 sind mit ihren freien Enden jeweils derart in die Statornuten 4 eingebracht, dass ein die freien Enden verbindender geschlossener Verbindungsbereich an der ersten Stirnseite 15 des Statorkerns 3 angeordnet ist. Dieser geschlossene Verbindungsbereich steht auf der ersten Stirnseite 15 aus den Statornuten 4 hervor und bildet einen ersten Wickelkopf 5. Auf einer der ersten Stirnseite 15 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 16 stehen die freien Enden aus den Statornuten 4 hervor und bilden einen zweiten Wickelkopf 6.
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3 zeigt den in 2 gezeigten Stator 9 in Seitenansicht. Neben den ebenfalls in 2 gezeigten Details sind erste Spangen 51 und zweite Spangen 50 zu erkennen. Mittels der zweiten Spangen 50 und der ersten Spangen 51 werden Teilstränge beim Übergang zwischen Statornuten 4 transponiert (siehe 5 bis 7).
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Wie der Darstellung in 4 entnommen werden kann, bilden jeweils mehrere, hier drei, in Umfangsrichtung U benachbarte Statornuten 4 eine Lochgruppe L, d.h. eine Gruppe von Statornuten 4 eines Pols derselben Phase.
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In 5 (a) und (b) sind ein schematisch jeweils einen Bereich des ersten Wickelkopfes 5 eines Stators 9 gemäß dem Stand der Technik beziehungsweise gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Der besseren Übersicht halber sind nur zu einer Phase zugehörige Spangen gezeigt. 5 (a) zeigt den Stand der Technik. Dargestellt sind vier Spangen, welche die vier in einer Lochgruppe L mit vier Statornuten 4 angeordneten Leitersegmente 1 (nicht gezeigt) nicht-transponierend mit den vier Leitersegmenten des nächsten Statorpols gleicher Phase (nicht gezeigt) elektrisch kontaktieren. Die Spangen sind Standartspangen SS und weisen jeweils eine Spangenweite auf, welcher einer Standartspangenweite SSW zum nicht-transponierenden Kontaktieren entspricht. Die Standartspangenweite SSW ist der (N*P)-fache Nutenabstand NA, wobei N die Anzahl der Statornuten 4 pro Statorpol ist und P die Anzahl der elektrischen Phasen ist. 5 (b) zeigt einen Bereich des ersten Wickelkopfes 5 eines Stators 9 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dargestellt sind vier Spangen, welche die vier in einer Lochgruppe L mit vier Statornuten 4 angeordneten Leitersegmente 1 (nicht gezeigt) transponierend mit den vier Leitersegmenten des nächsten Statorpols gleicher Phase (nicht gezeigt) elektrisch kontaktieren. Die ersten Spangen 51 weisen die erste Spangenweite 1SW auf. Die zweite Spange 50 weist die zweite Spangenweite 2SW auf und die dritten Spange 52 weist die dritte Spangenweite 3SW auf. Die ersten Spangen 51 sind in axialer Richtung A bis zur ersten Scheitelebene SE1, die zweite Spange 50 ist in axialer Richtung A bis zur zweiten Scheitelebene SE2 und die dritte Spange 52 ist in axialer Richtung A bis zur dritten Scheitelebene SE3 ausgedehnt. Die zweite Spangenweite 2SW ist größer als die erste Spangenweite 1SW, die erste Spangenweite 1SW ist größer als die dritte Spangenweite 3SW. Die durch die dargestellte Transponierung erreichte Permutation kann durch den total antisymmetrischen Tensor ε|jki ausgedrückt werden.
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In 6 (a) und (b) ist jeweils ein Bereich des ersten Wickelkopfes 5 eines Stators 9 gemäß dem Stand der Technik beziehungsweise gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch illustriert. Der besseren Übersicht halber sind nur zu einer Phase zugehörige Spangen gezeigt. 6 (a) zeigt den Stand der Technik. Dargestellt sind sechs Spangen, welche die sechs in einer Lochgruppe L mit sechs Statornuten 4 angeordneten Leitersegmente 1 (nicht gezeigt) nicht-transponierend mit den sechs Leitersegmenten des nächsten Statorpols gleicher Phase (nicht gezeigt) elektrisch kontaktieren. Die Spangen sind Standartspangen SS und weisen jeweils eine Spangenweite auf, welche der Standartspangenweite SSW zum nicht-transponierenden Kontaktieren entspricht. Die Standartspangenweite SSW ist der (N*P)-fache Nutenabstand NA, wobei N die Anzahl der Statornuten 4 pro Statorpol ist und P die Anzahl der elektrischen Phasen ist. 6 (b) zeigt einen Bereich des ersten Wickelkopfes 5 eines Stators 9 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die zweiten Spangen 50 weisen die zweite Spangenweite 2SW auf, welche hier der (N*P+(N/x)-1)-fache Nutenabstand NA ist, und erstrecken sich in axialer Richtung A bis zur zweiten Scheitelebene SE2. Die ersten Spangen 51 weisen die erste Spangenweite 1SW auf, welche hier (N*P-1)-fache Nutenabstand NA ist, und erstrecken sich in axialer Richtung A bis zur erste Scheitelebene SE1. Die Anordnung der zweiten Spangen 50 teilt die Lochgruppe L (nicht gezeigt) in eine erste Lochuntergruppe LUG1 und eine zweite Lochuntergruppe LUG2 auf. Die mit den an den jeweiligen Lochuntergruppen angeordneten Teilstränge werden einzeln und gleichzeitig transponiert. Die gezeigte Anordnung verschränkt die einzelnen Transponierungen, so dass insgesamt zweifach rotierend transponiert wird. Die durch die dargestellte Transponierung erreichte Permutation kann durch den total antisymmetrischen Tensor εjkinml ausgedrückt werden.
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In 7 ist schematisch ein Bereich des ersten Wickelkopfes 5 eines Stators 9 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Der besseren Übersicht halber sind nur zu einer Phase zugehörige Spangen gezeigt. Die zweite Spange 50 weist einen ersten Teil 50', einen zweiten Teil 50" und einen dritten Teil 50"' auf. Zwischen dem ersten Teil 50' und dem zweiten Teil 50" sowie zwischen dem zweiten Teil 50" und dem dritten Teil 50'" sind jeweils eine Biegung angeordnet. Der zweite Teil 50" ist im Wesentlichen gerade und weist eine Haupterstreckungsrichtung H auf, welche orthogonal zur axialen Richtung A angeordnet ist. Zusammen mit den ersten Spangen 51 werden im hier gezeigten Beispiel drei Teilstränge transponiert.
