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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wickelschema für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine mit einer entsprechenden Wicklung.
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Im Stand der Technik ist beispielsweise aus
DE 10 2014 223 202 A1 bekannt, dass bei einer elektrischen Maschine verteilte Wicklungen mit mehreren sich über den Umfang verteilten Strängen aus Leiter vorgesehen werden.
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Ein weiteres Beispiel für den Stand der Technik ist in
WO 2007/146252 gezeigt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Wickelschemas, welches einfach und schnell herzustellen ist sowie einen Betrieb der elektrischen Maschine mit hoher Leistung und geringen Verlusten ermöglicht. Eine weitere Aufgabe ist es den benötigten Bauraum, insbesondere in axialer Richtung, möglichst gering zu halten.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Wellenwicklung und einer elektrischen Maschine gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist eine Wellenwicklung für eine elektrische Maschine mit zumindest einer Phase und einer Lochzahl von zumindest zwei, wobei die Wellenwicklung einen Standard-Wickelschritt WS von WS = q*m aufweist, wobei q der Lochzahl und m der Anzahl der Phasen entspricht, wobei pro Phase zumindest zwei Spulenstränge parallel geschalten vorgesehen sind, wobei die Spulenstränge an Ihren beiden Enden jeweils einen Anschlusspin aufweisen und jeweils mehrere in Reihe geschaltete Teilstränge umfassen, wobei sich jeder Teilstrang einmal um einen Umfang der Wellenwicklung erstreckt, wobei jeder Teilstrang durch eine Mehrzahl von Hairpins gebildet ist, wobei jeder Hairpin zwei in Umfangsrichtung benachbarten Leiterelemente, welche jeweils durch einen Wendebereich verbunden sind, umfasst, wobei jeder Hairpin an seinen Enden Kontaktbereiche aufweist, welche jeweils als Kontaktpin zur Verbindung mit einem benachbarten Hairpin oder als Anschlusspin ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei unterschiedliche Varianten von Hairpins vorgesehen sind, dass bei einer ersten Variante der Hairpins der Wendebereich zwischen den Leiterelementen den Standard-Wickelschritt WS aufweist, dass bei einer zweite Variante der Hairpins der Wendebereich einen zweiten Wickelschritt, der um einen ganzzahligen Wert x größer als der Standard-Wickelschritt WS ist, aufweist, dass bei einer dritten Variante der Hairpins der Wendebereich einen dritten Wickelschritt, der um einen ganzzahligen Wert x kleiner als der Standard-Wickelschritt WS ist, aufweist und dass bei allen drei Varianten die Kontaktbereiche jeweils um den halben Standard-Wickelschritt WS in dem Wendebereich entgegengesetzter Richtung umgeformt sind, um zwischen miteinander verbundenen Leiterelementen benachbarter Hairpins den Standard-Wickelschritt WS zu erreichen. Die Erfindung umfasst somit eine Wellenwicklung, welche eine verteilte Wicklung darstellt, bei der die Spulen der Wicklung jeweils über den Umfang der elektrischen Maschine verteilt sind. Die elektrische Maschine weist zumindest eine Phase auf, wobei auch mehrere Phasen, insbesondere drei Phasen, vorgesehen sein können. Es ist eine festgelegte Anzahl von magnetischen Pole vorgesehen, die über einen Umfang der elektrischen Maschine verteilt sind, diese Anzahl entspricht der Polzahl und ist geradzahlig, da jeweils eine gleiche Anzahl von magnetischen Nord- und Südpolen vorliegt. Entweder der Rotor, der Stator oder Rotor und Stator der elektrischen Maschine weisen Nuten für die Aufnahme der Wellenwicklung auf. Pro Phase sind zumindest zwei Spulenstränge parallel geschalten vorgesehen. Bevorzugt weist die elektrische Maschine eine Lochzahl von mindestens zwei auf, was bedeutet, dass pro Pol eine der Lochzahl entsprechende Anzahl in Umfangsrichtung benachbarter Nuten vorgesehen ist. Die Spulenstränge weisen an Ihren beiden Enden jeweils einen Anschlusspin auf und sind jeweils in mehrere in Reihe geschaltene Teilstränge aufgeteilt. Jeder Teilstrang weist dabei eine der Polzahl der elektrischen Maschine entsprechende Mehrzahl von Leiterelementen auf und erstreckt sich somit einmal um den Umfang. Zwei benachbarte Leiterelemente sind jeweils durch einen Wendebereich miteinander zu einem Hairpin verbunden. Die Leiterelemente sind in Lagen in den Nuten aufgenommen und jeweils zwei in radialer Richtung benachbarte Lagen bilden eine Doppellage, wobei vorzugsweise die Leiterelemente eines Teilstrangs in einer Doppellage angeordnet sind.
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Jeder Hairpin weist an seinen freien Enden Kontaktbereiche auf. Der Wendebereich ist jeweils vorzugsweise einteilig mit den Leiterelementen ausgebildet. Um benachbarte Hairpins miteinander zu verbinden ist der Kontaktbereich als Kontaktpin ausgeführt, welcher zur elektrisch leitfähigen Verbindung, zum Beispiel Verschweißen mit einem entsprechenden Kontaktpin eines benachbarten Hairpins des Spulenstrangs verbunden wird. Der Kontaktbereich kann auch als Anschlusspin ausgeführt sein, welcher zum Anschluss des Spulenstrangs, genauer der beiden Enden eines Spulenstrangs, an eine Leistungselektronik zur Steuerung der elektrischen Maschine ausgebildet ist. Vorteilhaft weisen Kontaktpins und Anschlusspins eine gleiche geometrische Ausbildung auf, wodurch die Anzahl unterschiedlicher Teile reduziert wird, was die Kosten und den Montageaufwand verringert, wobei auch unterschiedliche Geometrien möglich sind, um beispielsweise die Anbindung an die Leistungselektronik zu erleichtern.
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Wellenwicklung gemäß der Erfindung weisen mindestens drei unterschiedliche Varianten von Hairpins auf, um zur Verringerung beziehungsweise Vermeidung von Verlusten durch gegenseitige Induktion der Spulenstränge. Hierfür weist bei einer ersten Variante der Hairpins der Wendebereich zwischen den Leiterelementen den Standard-Wickelschritt WS auf, wodurch der Wickelschritt und somit der Abstand zwischen den Nuten der Leiterelemente auf den theoretischen Wert für die Lochzahl und Anzahl Phasen erreicht werden kann, bei dem pro Pol stets die gleiche Nutposition, beispielsweise rechts oder links bei einer Lochzahl von zwei, belegt wird. Um einen Wechsel zwischen den Nuten zu erreichen sind daher ebenfalls Hairpins in einer zweiten und dritten Variante vorgesehen, wobei Hairpins der zweiten Variante einen zweiten Wickelschritt aufweisen, der um einen ganzzahligen Wert x größer als der Standard-Wickelschritt ist, und entsprechend Hairpins der dritten Variante einen dritten Wickelschritt aufweisen, der um einen ganzzahligen Wert x kleiner als der Standard-Wickelschritt ist. Durch diese Hairpins mit vom Standard-Wickelschritt abweichenden Wickelschritten kann die Nutposition aufeinanderfolgender Leiterelemente gewechselt werden, von beispielsweise bei einer Lochzahl von zwei von der rechten auf die linke Nut oder umgekehrt.
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Allen drei Varianten ist gemein, dass die Kontaktbereiche jeweils um den halben Standard-Wickelschritt WS in dem Wendebereich entgegengesetzter Richtung umgeformt sind, um zwischen miteinander verbundenen Leiterelementen benachbarter Hairpins den Standard-Wickelschritt WS zu erreichen. Anders ausgedrückt, weisen erfindungsgemäße Wellenwicklungen auf der axialen Seite der Kontaktbereiche für alle Lagen einen einheitlichen Wickelschritt auf, wodurch die Herstellung sowie die Verbindung, zum Beispiel durch Schweißen, der entsprechenden Kontaktbereiche miteinander vereinfacht wird. Die Umformung erfolgt dabei pro Lage abwechselnd in entgegengesetzte Umfangsrichtung, da die Leiterelemente jedes Hairpins in unterschiedlichen Lagen einer Doppellage angeordnet sind.
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Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind, dadurch gekennzeichnet, dass der ganzzahlige Wert x die Bedingung 0 < x < q erfüllt. Für eine Lochzahl von zwei ergibt sich somit für den Wert x = 1, wodurch sich entsprechend um eine Nut vom Standard-Wickelschritt abweichende zweite und dritte Wickelschritte ergeben, um zwischen der rechten und linken Nut eines Pols zu wechseln. Bei höheren Lochzahlen kann verschiedene Werte annehmen, abhängig davon, ob beispielsweise bei einer Lochzahl von drei jeweils zwischen den äußeren Nuten oder einer äußeren und der mittleren Nut gewechselt werden soll.
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Insbesondere bei hohen Lochzahlen sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen weitere, wie vierte und fünfte, Varianten von Hairpins vorgesehen sind, deren Abweichung vom Standard-Wickelschritt einen weiteren, die obige Bedingung erfüllenden, Wert beträgt.
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Wellenwicklung gemäß erfindungsgemäßer Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass pro Teilstrang mindestens ein Hairpin der zweiten Variante und mindestens ein Hairpin dritten Variante vorgesehen sind. Durch eine derartige Ausgestaltung wird entsprechender Wechsel zwischen den Nuten erreicht.
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Ausführungsformen erfindungsgemäßer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass pro Teilstrang eine gleiche Anzahl von Hairpins der zweiten Variante und dritten Variante vorgesehen sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Kontaktbereiche für die Verbindung mit benachbarten Teilsträngen oder Anschlüssen jeweils radial fluchtend an einer Position am Umfang ausgebildet sind, wodurch die Herstellung, insbesondere ein Verschweißen der entsprechenden Kontaktbereiche miteinander, vereinfacht wird.
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Erfindungsgemäße Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass pro Teilstrang mindestens ein Hairpin der ersten Variante vorgesehen ist. Bevorzugt sind Hairpins der ersten Variante abwechselnd mit Hairpins der zweiten Variante beziehungsweise dritten Variante angeordnet, um einen symmetrischen Aufbau zu erreichen. Hierbei wechseln sich weiter die Hairpins der zweiten Variante und dritten Variante in Umfangsrichtung ab.
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Ausführungsformen weiterer erfindungsgemäßer Wellenwicklungen sind dadurch gekennzeichnet, dass vier parallel geschaltete Spulenstränge vorgesehen sind. Pro Pol und Doppellage sind aufgrund der Lochzahl von zwei vier Leiterelemente unterschiedlicher Teilstränge vorhanden. Neben einer Ausbildung mit zwei parallel geschalteten Spulensträngen sind daher auch Ausführungsformen mit vier parallel geschalteten Spulensträngen möglich. Die verschiedenen Spulenstränge können sich hierbei jeweils über alle Doppellagen oder auch nur über einen Teil der Doppellagen erstrecken.
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Bevorzugte Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Spulenstränge in Umfangsrichtung entgegengesetzter Richtung gewickelt sind. Bei vier parallel geschalteten Spulensträngen, welche jeweils einen Teilsträng pro Doppellage aufweisen, verläuft bevorzugt die Wicklung für je zwei Spulenstränge in einer entgegengesetzten Richtung. Hierdurch wird ein hoher Symmetriegrad erreicht.
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Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil jedes Spulenstrangs, welcher mindestens einen Teilstrang umfasst, in Umfangsrichtung entgegengesetzter Richtung gewickelt ist. Durch die Umkehr der Richtung der Wicklung werden die Verluste weiter reduziert, da eine höhere Symmetrie der Wellenwicklung erreicht wird.
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Bevorzugten Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen den Teilen des Spulenstrangs mit unterschiedlicher Richtung der Wicklung durch Brückenelemente gebildet ist, welche mit den Kontaktbereichen der Hairpins elektrisch leitend verbunden sind. Durch die Verwendung von Brückenelementen kann die einheitliche Verformung der Kontaktbereiche der Hairpins aufrechterhalten werden, was die Herstellung vereinfacht und gleichzeitig eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den entsprechenden Teilsträngen erreicht werden. Durch das Brückenelement kann einfach eine Verbindung über einen benötigen Umfangsbereich erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass abhängig vom zur Verfügung stehenden Bauraum für die elektrische Maschine das Brückenelement entweder mit axialer oder besonders bevorzugt mit radialer Ausrichtung angeordnet ist.
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Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel der Richtung der Wicklung zwischen den Teilsträngen in einer in radialer Richtung äußeren Lage erfolgt. Um, vor allem bei Ausführungsformen mit mehreren Doppellagen, die Anzahl der Wechsel zwischen den unterschiedlichen Richtungen der Wicklung gering zu halten, wodurch sich eine gleichmäßigere Struktur der Hairpins am axialen Ende der elektrischen Maschine ausbildet, werden die Wechsel in den radial äußeren Lagen vorgesehen. Die radial äußere Lage kann im Sinne der Anmeldung beide Ränder der ringförmigen Hairpinwicklung darstellen, also sowohl die innerste Lage als auch die äußerste Lage. Durch eine gleichmäßigere Struktur kann auch der benötigte axiale Bauraum verringert sowie gegebenenfalls zusätzliche Bauteile für die Wechsel eingespart werden. Weiter wird ebenfalls die Verbindung der Kontaktenden vereinfacht, da diese leichter gleichzeitig herstellbar wird.
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Wellenwicklungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass pro Spulenstrang nur einmal die Richtung der Wicklung geändert ist. Um die Struktur der Wellenwicklung an den axialen Enden weiter zu vergleichmäßigen, um damit axialen Bauraum einzusparen, und die Herstellung der Wellenwicklung zu vereinfachen, findet der Wechsel zwischen den Richtungen der Wicklung nur einmal pro Spulenstrang statt. Somit durchläuft ein Spulenstrang vom Anschlusspin aus zunächst die Nuten der gegebenenfalls mehreren Doppellagen bis zu einer radial äußeren Lage und wechselt dort die Richtung der Wicklung, um anschließend in umgekehrter Richtung der Wicklung durch die Nuten zurück zum zweiten Anschlusspin des Spulenstrangs zurückzulaufen.
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Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass pro Pol in Umfangsrichtung benachbarte Leiterelemente unterschiedlicher Teilstränge eines Spulenstrangs in radial benachbarten Lagen angeordnet sind. Somit liegen, in radialer Richtung als auch in Umfangsrichtung gesehen, bei jedem Pol abwechselnd Leiterelemente der unterschiedlichen Spulenstränge direkt zueinander benachbart. Durch derartige Ausführungsformen wird der Symmetriegrad der Wellenwicklung weiter verbessert und somit können Bauraum und Verluste verringert werden.
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Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusspins der beiden Spulenstränge im gleichen Pol angeordnet sind. Mit einer derartigen Ausbildung wird der benötigte Winkelbereich für die Anschlüsse an die Leistungselektronik verringert, wodurch entsprechend Bauraum in Umfangsrichtung eingespart werden kann.
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Weitere Ausführungsformen der Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusspins der beiden Spulenstränge in der gleichen radial äußeren Lage angeordnet sind. Hiermit kann Bauraum in axialer Richtung eingespart werden, da die Anschlüsse in radialer Richtung erfolgen kann. Beispielsweise können die Anschlusspins in der radial äußersten Lage radial nach außen beziehungsweise in der radial innersten Lage radial nach innen umgeformt werden, weshalb ein Anschluss an die Leistungselektronik in radialer Richtung erfolgen kann.
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Bei vorteilhaften Ausführungsformen sind die Anschlusspins sowohl in einer äußeren Lage als auch im gleichen Pol angeordnet. Mit derartigen Ausführungsformen kann der benötigte Bauraum für den Anschluss an die Leistungselektronik sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine minimiert werden.
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Weitere Gegenstände der Erfindung sind ein Stator für eine elektrische Maschine, welcher dadurch gekennzeichnet, dass der Stator mit einer Wellenwicklung gemäß der vorangegangenen Beschreibung versehen ist sowie eine elektrische Maschine, bei der eine Wellenwicklung nach der obigen Beschreibung vorgesehen ist.
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Die Merkmale der Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Gleiche oder ähnliche Elemente werden mit einheitlichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1 stellt eine Ausführungsform eines Stators mit einer Wellenwicklung in einer Seitenansicht dar.
- 2 zeigt einen Teilbereich der Wellenwicklung im Bereich der Anschlusspins.
- 3(A, B, C, D) zeigt ein Wickelschema für einen Spulenstrang gemäß 1.
- 4(A, B, C, D) zeigt ein Wickelschema für einen weiteren Spulenstrang gemäß 1.
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Um eine bessere Darstellbarkeit zu gewährleisten wurde die 3 in vier Teile, entsprechend 3A, 3B, 3C und 3D aufgeteilt, wobei 3A den oberen linken Bereich, 3B den oberen rechten Bereich, 3C den unteren linken Bereich und 3D den unteren rechten Bereich der 3 zeigt. In der weiteren Beschreibung werden diese vier Teile gemeinsam beschrieben und einheitlich mit 3 bezeichnet. Für 4, welche ebenfalls nach dem vorgenannten Muster aufgeteilt wurde, gilt dies entsprechend analog.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Stators (1) mit einer Wellenwicklung. Der Stator (1) weist einen Statorkörper (2) auf, in dem Nuten (3) zur Aufnahme der Wellenwicklung ausgebildet sind. In die Nuten (3) sind Leiterelemente im dargestellten Beispiel in Form von Hairpins (6, 6', 6") eingebracht, wobei pro Nut (3) mehrere Leiterelemente in Lagen eingebracht sind.
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Die Hairpins (6, 6', 6") des dargestellten Beispiels umfassen jeweils zwei Leiterelemente, einen Wendebereich W, in dem die Leiterelemente einstückig miteinander verbunden sind, sowie Kontaktbereiche K an den Enden des Hairpins (6, 6', 6"). Die Hairpins (6, 6', 6") sind abgesehen von den jeweils ersten und letzten Hairpin (6, 6', 6") der einzelnen Spulenstränge in ihren Kontaktbereichen K mit zwei Kontaktpins (4) ausgeführt, die jeweils mit dem im Spulentrang benachbarten Hairpin (6, 6', 6"), genauer seinem entsprechenden Kontaktpin (4) elektrisch leitend verbunden sind. Der jeweils erste und letzte Hairpin (6, 6', 6") eines Spulenstrangs weist einen Kontaktpin (4) zur Verbindung mit dem benachbarten Hairpin (6, 6', 6") des Spulenstrangs sowie einen Anschlusspin (5, 5') zur Verbindung mit einer nicht dargestellten Leistungselektronik auf.
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Um eine gegenseitige Kontaktierung zu ermöglichen, sind alle Kontaktpins (4) der Wellenwicklung auf der gleichen axialen Seite des Stators (1) angeordnet, wodurch entsprechend die Wendebereiche W der Hairpins (6, 6', 6") auf der entgegengesetzten axialen Seite des Stators (1) angeordnet sind.
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Die Anschlusspins (5, 5') der einzelnen Spulenstränge sind im dargestellten Beispiel jeweils in der radial äußeren Lage der Wellenwicklung vorgesehen und die Anschlusspins (5, 5') der beiden parallelen Spulenstränge pro Phase sind jeweils im gleichen Pol angeordnet, wodurch sie Anschlussbereiche A bilden. Aufgrund der Anordnung in der radial äußeren Lage kann ein Anschluss an die Leistungselektronik in radialer Richtung erfolgen, wodurch kein oder nur minimaler Bauraum in axialer Richtung benötigt wird. Durch die Anordnung im gleichen Pol sind die Anschlusspins (5) für die Kathode und die Anschlusspins (5') für die Anode jeweils direkt paarweise benachbart angeordnet. Die paarweisen Anschlusspins (5) der parallelen Spulenstränge für die Kathode sowie die Anschlusspins (5') für die Anode sind in Umfangsrichtung einen Pol versetzt angeordnet. Durch diese Ausbildung wir für den Anschluss einer Phase an die Leistungselektronik nur ein geringer Bereich des Umfangs benötigt, welcher einem Wickelschritt entspricht.
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Werden bei mehreren Phasen, wie im dargestellten Beispiel drei Phasen, die Anschlusspins (5, 5') der jeweiligen Phasen in benachbarten Nuten vorgesehen, überlappen sich die für den Anschluss an die Leistungselektronik benötigten Bereiche des Umfangs und der entsprechend benötigte Bauraum kann minimiert werden.
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Auf der Seite der Wendebereiche W bilden sich in Bereichen mit in radialer Richtung benachbarter Hairpins (6) der ersten Variante aufgrund des einheitlichen Standard-Wickelschritts ein gleichmäßiges Muster mit parallel verlaufenden Wendebereichen W aus. Im Bereich des Umfangs, an dem Hairpins (6') der zweiten Variante und Hairpins (6") der dritten Variante in radialer Richtung benachbart angeordnet sind, um zwischen einer rechten und einer linken Nut der entsprechenden Pole zu wechseln, bildet sich ein Überlappungsbereich O aus. Im Überlappungsbereich O liegen die Wendebereiche W von zwei Hairpins (6', 6") weitestgehend übereinander.
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In 2 ist ein Teilbereich der Kontaktbereiche K mit den Anschlusspins (5, 5') des Stators (1) gemäß 1 gezeigt. An der radial inneren Lage sind hier zusätzlich die Teilstränge der einzelnen Spulenstränge mittels Brückenelementen (7, 7', 7"), welche in 1 nicht dargestellt sind, elektrisch leitend verbunden. In den weiteren Lagen werden die Kontaktpins (4) benachbarter Hairpins (6, 6', 6"), welche elektrisch leitend miteinander verbunden werden, durch die Umformung um einen halben Wickelschritt jeweils zueinander benachbart positioniert. Durch die Brückenelemente (7, 7', 7") werden die, aufgrund der Umkehr der Wicklungsrichtung sowie der Beibehaltung der Umformung um einen halben Wicklungsschritt entgegen der Richtung des Wendebereichs des Hairpins (6, 6', 6"), in Umfangsrichtung beabstandeten Kontaktpins (4) der beiden Teilstränge eines Spulenstrangs miteinander verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind gleich lange Brückenelemente (7) mit einer dem Standard-Wickelschritt entsprechenden Länge verwendet, durch welche jeweils die rechten beziehungsweise linken Nuten der jeweiligen Pole verbunden werden.
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Im dargestellten Beispiel sind die Brückenelemente (7, 7', 7") an der radial inneren Lage vorgesehen. Alternative können diese Brückenelemente (7, 7', 7") natürlich auch an der radial äußeren Lage vorgesehen werden und die Anschlusspins (5, 5') an der radial inneren Lage.
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Alternativ kann in den jeweiligen Varianten auch zusätzlich ein weiterer Wechsel zwischen der jeweils rechten beziehungsweise linken Nut der jeweiligen Pole durch die Verwendung unterschiedlicher Brückenelemente (7', 7"), wobei pro Phase jeweils ein Brückenelement (7') mit einer dem zweiten Wickelschritt entsprechenden Länge und ein Brückenelement (7") mit einer dem dritten Wickelschritt entsprechenden Länge verwendet werden, vorgesehen sein. Ein entsprechender zusätzlicher Wechsel ist aus Gründen der Symmetrie allerdings nur sinnvoll, wenn die Teilstränge der verschiedenen Doppellagen unterschiedlich, insbesondere mit ungleicher Anzahl von Hairpins der zweiten und dritten Variante, vorgesehen sind.
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3 zeigt ein Wickelschema für einen ersten Spulenstrang für eine Phase analog zu einem in 1 dargestellten Beispiel, wobei eine Ausführungsform mit nur 48 Nuten (3) gezeigt ist. Des Weiteren sind entgegen 2 Brückenelemente (7) mit einer gleichen, dem Standard-Wickelschritt entsprechenden, Länge an der radial inneren Lage vorgesehen.
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Im oberen Bereich (3A und 3B) ist eine Abwicklung der Nuten (3) mit einer Darstellung der hier sechs Lagen, und somit drei Doppellagen, je Nut (3) gezeigt. In den Lagen sind die Leiterelemente für eine Phase in den jeweils zwei Nuten (3) pro Pol derart nummeriert, dass die Nummer jeweils einen Buchstaben für den Teilstrang und eine Zahl für ein fortlaufende Durchnummerierung der Hairpins (6, 6', 6") in Stromflussrichtung, wobei die parallelen Spulenstränge durch Großbuchstaben beziehungsweise Kleinbuchstaben unterscheiden sind. Die den Anschlusspins (5, 5') benachbarten Leiterelemente oder anders ausgedrückt, die entsprechenden ersten und letzten Leiterelemente der Spulenstränge sind mit Pfeilen markiert, wobei der Pfeil mit durchgezogenen Linien den in 3 dargestellten ersten Spulenstrang darstellt und der parallele zweite Spulenstrang der Phase mit gestrichelten Linien dargestellten Pfeil markiert ist.
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Im unteren Teil (3C und 3D) sind die einzelnen Teilstränge für den ersten Spulenstrang mit der entsprechenden Verschaltung dargestellt. Die Teilstränge sind jeweils in den Doppellagen entsprechende Blöcke unterteilt und die einzelnen Teilstränge pro Doppellage sind in separaten Zeilen dargestellt. Die Teilstränge in den Zeilen sind als wellenförmige Linien gezeigt, welche den Hairpins (6, 6', 6") entsprechen, wobei die oberen Wellenabschnitte den Kontaktbereichen K und die unteren Wellenabschnitte den Wendebereichen W entsprechen, und diese beiden Wellenabschnitte führen jeweils den Wickelschritt aus. Die Leiterelemente sind durch die senkrechten Abschnitte der wellenförmigen Line dargestellt, wobei durch unterschiedlich geneigte Markierungen die Positionierung des Leiterelements in der ersten oder zweiten Lage der Doppellage angezeigt ist. Die Anschlusspins (5, 5') und Kontaktpins (4) der Hairpins (6, 6', 6") sind im oberen Abschnitt der wellenförmigen Linien gezeigt, wobei direkt benachbarten Kontaktpins (4) innerhalb eines Teilstrangs miteinander elektrisch leitend, beispielsweise mittels schweißen, verbunden sind. Miteinander verbundene Kontaktpins (4) unterschiedler Teilstränge sind durch entsprechende Pfeile verbunden. Die Pfeile zwischen den einzelnen Doppellagen stellen hierbei eine direkte Verbindung, beispielsweise durch Verschweißen, der Kontaktpins (4) der entsprechenden Hairpins (6, 6', 6") dar. Durch den Pfeil innerhalb der letzten Doppellage ist das Brückenelement (7) gezeigt, durch das die Teilstränge miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
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Durch die Wendebereiche W erfolgt, über den Umfang verteilt, im dargestellten Beispiel zunächst ein Wechsel von einer linken Nut (3) zu einer rechten Nut (3), indem ein Hairpin (6') der zweiten Variante vorgesehen ist. Im weiteren Verlauf des Teilstrangs ist ein Hairpin (6") der dritten Variante vorgesehen, um wieder von einer rechten in eine linke Nut (3) zu wechseln. Im dargestellten Beispiel sind zwischen den Hairpins (6', 6") der zweiten und dritten Variante jeweils Hairpins (6) der ersten Variante vorgesehen. Hierdurch wird ein hoher Grad an Symmetrie erreicht, was die Verluste verringert. Abhängig von der Anzahl der Pole und dergleichen ist auch eine andere Verteilung der Hairpins (6, 6', 6") unterschiedlicher Varianten über den Umfang möglich, wie direkt benachbarte Hairpins (6', 6") der zweiten und dritten Variante mit daran angeschlossenen Hairpins (6) der ersten Variante. Allgemein wird weitgehend symmetrischer Aufbau bevorzugt. Im weiteren Verlauf eines Spulenstrangs sind die Hairpins (6, 6', 6") mit gleicher Variante pro Wickelrichtung jeweils an der gleichen Position am Umfang angeordnet, wodurch ein gleichmäßiger Aufbau des Wicklungskopfs erreicht wird.
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Der erste Spulenstrang durchläuft, wie in 3 dargestellt, mit dem ersten Teilstrang zunächst die radial äußere Doppellage. Der erste Teilstrang geht durch eine entsprechende Verbindung der Kontaktpins (4) in den zweiten Teilstrang über, welcher in gleicher Richtung der Wicklung analog zum ersten Teilstrang durch die nächste Doppellage verläuft. In dieser Weise werden zunächst die Nuten (3) der Doppellagen mit einer gleichen Richtung der Wicklung von radial außen nach radial innen durchlaufen. Am letzten Kontaktpin (4) des, hier dritten, Teilstrangs in der radial inneren Lage wird durch eine Brückenelemente (7) die elektrisch leitende Verbindung mit dem ersten Kontaktpin (4) des hier vierten Teilstrangs hergestellt.
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Bei dieser Verbindung über das Brückenelement findet eine Umkehrung der Richtung der Wicklung statt. Im dargestellten Beispiel wird durch das Brückenelement (7) ein dem Standard-Wickelschritt von hier 6 entsprechender Wickelschritt vorgenommen. Alternativ sind, wie bei der in 2 gezeigten Ausführungsform, auch Brückenelemente (7, 7') mit unterschiedlichen dem zweiten beziehungsweise dritten Wickelschritt entsprechenden Wickelschritten möglich, um von einer linken Nut in eine rechte Nut zu wechseln.
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Der vierte Teilstrang, welcher in entgegengesetzter Richtung die Nuten in der radial inneren Doppellage durchläuft, geht anschließend in den fünften Teilstrang über, welcher in der benachbarten Doppellage ebenfalls die Nuten durchläuft. Die bis zur radial äußeren Lage zurücklaufenden Teilstränge weisen einen analogen Aufbau zu den vorgenannten Teilsträngen auf. Der letzte Hairpin des hier sechsten Teilstrangs weist an seinem Ende, welches auch das Ende des ersten Spulenstrangs dargestellt, entsprechend den Anschlusspin (5) zum Anschluss an die Leistungselektronik auf.
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4 zeigt ein Wickelschema für einen zweiten Spulenstrang für eine Phase gemäß dem in 1 dargestellten Beispiel, welcher parallel zum ersten Spulenstrang, analog zu dem in 3 gezeigtem, geschalten ist. 4 stellt eine Ausführung mit 72 über den Umfang verteilten Nuten (3) dar, wobei nicht alle Nuten dargestellt sind. Die Darstellung ist analog zu 2 aufgebaut, wobei der zweite Spulenstrang zunächst ausgehend vom Anschlusspin (5') die Nuten (3) der Doppellagen bis zur radial inneren Doppellage durchläuft. Die Richtung der Wicklung entspricht der Richtung der Wicklung des ersten Spulenstrangs. In der radial inneren Doppellage findet der Wechsel der Richtung der Wicklung ebenfalls durch ein Brückenelement (7) auf der Seite der Kontaktbereiche K statt. Anschließend durchlaufen die Teilstränge des zweiten Spulenstrangs die Nuten der Doppellagen bis zur radial äußeren Doppellage und endet im Anschlusspin (5). Im Unterschied zum ersten Spulenstrang findet im hier dargestellten zweiten Spulenstrang zunächst durch einen Hairpin (6") der dritten Variante ein Wechsel von einer rechten Nut (3) in eine linke Nut (4) statt. Auch hier ist ein regelmäßiger Aufbau, das heißt eine regelmäßige Anordnung der Hairpins (6, 6', 6") unterschiedlicher Varianten, bevorzugt, insbesondere ein weitgehend symmetrischer Aufbau.
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Durch einen in den Figuren dargestellten Aufbau wird ein sehr hohes Maß an Symmetrie in der Spule des Stators (1) erreicht, wodurch Verluste aufgrund von gegenseitiger Induktion der Spulenstränge minimiert werden kann.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführung eingeschränkt. Es können wie oben ausgeführt, auch nur einzelne vorteilhafte Merkmale vorgesehen werden. Auch sind Ausführungsformen mit einer anderen Anzahl von Doppellagen und dergleichen möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator mit Wicklung
- 2
- Statorkörper
- 3
- Nut
- 4
- Kontaktpin
- 5, 5'
- Anschlusspin
- 6, 6', 6"
- Hairpin
- 7, 7', 7"
- Brückenelemente
- K
- Kontaktbereich
- W
- Wendebereich
- O
- Überlappungsbereich
- A
- Anschlussbereich pro Phase und Pol
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014223202 A1 [0002]
- WO 2007/146252 [0003]
