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Die Erfindung betrifft eine Statorspule für eine elektrische Maschine. Die Statorspule besteht aus einem Spulenkörper, der eine Basis ausgebildet hat, auf der eine Statorwicklung aus einem elektrischen Draht mit einem rechteckigen Querschnitt gewickelt ist.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Statorspule.
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Die internationale Patentanmeldung
WO 2013/150594A1 offenbart einen Spulenkörper für eine drehende elektrische Maschine. Die drehende elektrische Maschine besitzt eine Vielzahl von Spulenkörpern, die am Kern eines Stators befestigt werden können. Jeder Spulenkörper ist mit einem rechteckigen Körperabschnitt ausgestaltet, um den der Windungsdraht gewickelt ist. Der Körperabschnitt besitzt dünne Elemente, die aus isolierendem Material hergestellt sind und die Windung in isolierender Weise schützen.
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Für jede elektrische Maschine ist der Temperaturanstieg proportional zum Quadrat der Stromdichte. Die Reduzierung der Stromdichte unter Beibehaltung der Leistung einer elektrischen Maschine ist das Ziel des Designs von elektrischen Maschinen. Die Reduzierung der Stromdichte wird durch einen größeren Kupferanteil erreicht, oder durch die Erhöhung des Füllfaktors. Somit ist bei einer Wicklung einer Spule ein hoher Füllfaktor von Bedeutung, damit eine elektrische Maschine bei einer niedrigen Temperatur arbeiten kann. Ein hoher Füllfaktor stellt sicher, dass die Stromdichte und der Temperaturanstieg gering ist.
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Daher ist es Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung, eine Statorspule für eine elektrische Maschine bereitzustellen, die einen hohen Kupfer-Füllfaktor besitzt und dabei gleichzeitig sicherstellt, dass bei dem Betrieb der elektrischen Maschine keine Bewegungen der elektrisch leitenden Drähte der Statorwicklung auftreten, die evtl. die Isolierung der elektrisch leitenden Drähte beschädigt und somit zu einem Versagen der elektrischen Maschine führt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Statorspule für eine elektrische Maschine gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1, bzw. des Anspruchs 2 umfasst.
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Ferner ist es Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Statorspule zu schaffen, die für den Betrieb einer elektrischen Maschine einen hohen Kupferfüllfaktor bildet und dabei beim Betrieb der elektrischen Maschine Bewegungen des elektrisch leitenden Drahtes der Statorwicklung vermeidet und somit eine Betriebssicherheit der elektrischen Maschine sicherstellt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Statorspule gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 3 bzw. des Anspruchs 4 umfasst.
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Gemäß einer ersten möglichen Ausführungsform besteht eine Statorspule für eine elektrische Maschine aus einem Spulenkörper, der eine Basis ausgebildet hat, auf der eine Statorwicklung aus einem elektrischen Draht mit rechteckigem Querschnitt gewickelt ist. Erfindungsgemäß hat die Basis des Spulenkörpers eine Struktur aus Erhebungen und Vertiefungen ausgebildet. Wenn der elektrisch leitende Draht auf die Basis gewickelt wird, ist dieser derart innerhalb einer Lage der Statorwicklung angeordnet, dass eine Windung zur nächsten Windung versetzt angeordnet ist. Bei der fertigen Statorwicklung entsteht somit ein Verband der einzelnen elektrischen Drähte (rechteckiger Querschnitt), wobei bei einer möglichen Ausführungsform der Versatz zwischen den einzelnen Windungen innerhalb einer Lage jeweils die halbe Höhe des rechtwinkligen Querschnitts des elektrisch leitenden Drahts beträgt. Das Ausmaß des Versatzes innerhalb einer Lage der Statorwicklung wird im Wesentlichen von der ausgebildeten Struktur, aus Erhebungen und Vertiefungen, der Basis vorgegeben.
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Der Versatz der Windungen innerhalb einer Lage der Statorwicklungen und die sich daraus ergebende Verzahnung der nachfolgenden Wicklungen der Statorwicklung bietet den Vorteil, dass die ganze Statorwicklung stabilisiert ist und die Bewegung des elektrisch leitenden Drahts der Statorwicklung während des Betriebs einer elektrischen Maschine eingeschränkt, bzw. verhindert ist. Hinzu kommt, dass durch den elektrisch leitenden Draht mit rechtwinkligem Querschnitt die Statorspule mit einem erhöhten Kupfer-Füllfaktor hergestellt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Statorspule für eine elektrische Maschine besteht diese aus einem Spulenkörper, der eine Basis ausgebildet hat, auf der eine Statorwicklung aus einem elektrischen Draht mit einem rechteckigem Querschnitt gewickelt ist. Die Basis des Spulenkörpers ist dabei glatt ausgebildet (besitzt eine glatte Oberfläche). Die fertige auf der glatten Basis des Spulenkörpers mit dem elektrisch leitenden Draht mit rechteckigem Querschnitt gewickelte Statorwicklung ist durch eine geschrumpfte Umhüllung kraft- und formschlüssig umschlossen. Dies hat den Vorteil, dass die Außenseite der Statorwicklung durch die geschrumpfte Umhüllung form- und kraftschlüssig gehalten wird, so dass jegliche ungewollte Bewegung der Statorwicklung, bzw. der einzelnen Windungen der Statorwicklung vermieden ist. Dadurch sind evtl. mögliche Beschädigungen der Isolation des elektrisch leitenden Drahtes der Statorwicklung ausgeschlossen. Ebenso wird mit der Wicklung der Statorwicklung aus dem elektrisch leitenden Draht mit rechteckigem Querschnitt ein hoher Kupfer-Füllfaktor erzielt.
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Die Windungen der Statorwicklung müssen vom Kern des Stators elektrisch isoliert sein. Dazu ist der Spulenkörper der Statorwicklung aus einem isolierenden Material gefertigt. Ebenso ist der Spulenkörper geeignet, Windungen der Statorwicklung bei einer erhöhten Temperatur zu halten und auch den Vibrationen der Umgebung zu widerstehen.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Statorspule. Zur Herstellung der Statorspule wird zunächst eine Basis des Spulenkörpers derart ausgebildet, dass auf der Basis eine Struktur aus Erhebungen und Vertiefungen gebildet wird. Auf die Basis des derart gebildeten Spulenkörpers wird ein elektrisch leitender Draht mit rechteckigem Querschnitt gewickelt. Durch die Erhebungen und die Vertiefungen der Basis wird bei der Wicklung des elektrisch leitenden Drahts auf die Basis erreicht, dass innerhalb jeweils einer Lage der Statorwicklung der elektrisch leitende Draht von einer Windung zur nächsten Windung versetzt angeordnet wird.
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Jede fertig gewickelte Lage der Statorwicklung wird mit Kunstharz getränkt bzw. auf die fertig gewickelte Lage wird Kunstharz aufgebracht. Nachdem die Statorwicklung fertig gewickelt ist, wird das Kunstharz vernetzt (ausgehärtet).
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass man durch den Versatz der einzelnen Windungen innerhalb einer Lage und der zusätzlichen Stabilisierung der gewickelten Statorwicklung mit dem Kunstharz eine stabile Statorwicklung erzielt, bei der eine Bewegung der einzelnen Windungen, bzw. der gesamten Statorwicklung vermieden wird. Ebenso erreicht man durch die Wicklung einer Statorwicklung mit einem elektrisch leitenden Draht und rechteckigem Querschnitt einen hohen Kupfer-Füllfaktor.
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Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Statorspule, wird zunächst auf eine glatte Basis eines Spulenkörpers ein elektrisch leitender Draht mit rechteckigem Querschnitt gewickelt. Bei der so gewickelten Statorwicklung liegt innerhalb jeder Lage der Statorwicklung der elektrisch leitende Draht immer vollflächig an der nächsten Windung an. Jede fertig gewickelte Lage der Statorwicklung wird mit Kunstharz getränkt bzw. auf die fertig gewickelte Lage wird Kunstharz aufgebracht. Nachdem die Statorwicklung fertig gewickelt ist, wird das Kunstharz vernetzt (ausgehärtet). Nach dem Aushärten wird eine durch Wärme schrumpfbare Umhüllung über die Statorwicklung gezogen. Die für die Schrumpfung der Umhüllung erforderliche Wärme wird durch Stromfluss in der Statorwicklung oder durch eine externe Wärmequelle erzeugt. Durch die Wärme schrumpft die Umhüllung und klemmt die Statorwicklung.
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Der Vorteil der geschrumpften Umhüllung ist, dass dadurch eine Bewegung der einzelnen Windungen der Statorwicklung vermieden wird. Dadurch ist auch eine mögliche Beschädigung der Isolation der elektrisch leitenden Drähte ausgeschlossen .
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Aufgrund der beigefügten Zeichnungen werden nun die Erfindung und ihre Vorteile durch Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dadurch die Erfindung auf das gezeigte Ausführungsbeispiel zu beschränken. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind. Dabei zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch eine Statorspule, gemäß dem Stand der Technik, wobei die Statorwicklung aus einem elektrisch leitenden Draht mit rundem Querschnitt besteht;
- 2 eine Seitenansicht der Statorspule des Standes der Technik aus 1;
- 3 einen Querschnitt durch eine Statorspule des Standes der Technik, die mit einem elektrisch leitenden Draht aus rechteckigem Querschnitt gewickelt ist;
- 4 eine Seitenansicht der Statorspule des Standes der Technik, gemäß 3;
- 5 eine Schnittansicht durch eine Statorwicklung, die gemäß der Erfindung gebildet ist;
- 6 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Statorspule aus 5;
- 7 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Statorspule, die gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist;
- 8 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Statorspule aus 7;
- 9 eine schematische Darstellung der Wicklung einer Statorspule aus elektrisch leitenden Drähten mit im Wesentlichen rundem Querschnitt;
- 10 einen Querschnitt durch eine Spule für eine Statorwicklung, die für die Herstellung der erfindungsgemäßen Statorspule gemäß den Ausführungsformen der 5 und 6 verwendet wird;
- 11 eine Seitenansicht eines Spulenkörpers, der für die Herstellung der erfindungsgemäßen Statorspule der Ausführungsform aus 7 und 8 verwendet wird;
- 12 eine schematische Darstellung des Herstellungsverfahrens der erfindungsgemäßen Statorspule, bei der auf die Statorwicklung eine schrumpfbare Umhüllung gelegt wird.
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Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, ohne jedoch die Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele zu beschränken.
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In den 1 und 2 werden verschiedene Ansichten einer Statorspule gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Eine Vielzahl dieser Statorspulen 1 sind auf einem Stator 20 der elektrischen Maschine (nicht dargestellt) angeordnet.
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1 zeigt dabei eine Schnittansicht einer Statorspule 1, die auf einem Kern 22 des Stators 20 sitzt. Die Statorspule 1 umfasst einen Spulenkörper 2, auf dem die Statorwicklung 10 aus einem elektrisch leitenden Draht 4 mit rundem Querschnitt gewickelt ist. Die Statorwicklung 10 liegt dabei auf einer Basis 6 des Spulenkörpers 2 auf.
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2 zeigt eine Seitenansicht der Statorspule 1 aus 1. Der Spulenkörper 2 sitzt am Stator 20. Wie bereits in der Beschreibung zu 1 erwähnt, ist die Statorwicklung 10 aus einem elektrisch leitenden Draht 4 mit rundem Querschnitt hergestellt.
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9 zeigt schematisch den Aufbau einer Spulenwicklung 10 aus einem elektrisch leitenden Draht 4 mit rundem Querschnitt. Bei der Wicklung der Statorwicklung 10 entstehen durch den elektrisch leitenden Draht 4 mit rundem Querschnitt zwischen den einzelnen elektrisch leitenden Drähten 4 Freiräume 16. Die Ausbildung dieser Freiräume 16 reduziert somit den Kupfer-Füllfaktor einer Statorwicklung 10.
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In den 3 und 4 wird eine weitere Ausgestaltung der Statorspule 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. 3 zeigt dabei einen Querschnitt durch die Statorspule 1, bei der die Windung 10 aus einem elektrisch leitenden Draht 4 mit rechteckigem Querschnitt hergestellt ist. Der elektrisch leitende Draht 4 ist dabei auf den Spulenkörper 2 gewickelt. 4 ist eine Seitenansicht der Statorspule 1 des Standes der Technik aus 3.
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Die 5 und 6 zeigen verschiedene Ansichten einer ersten möglichen erfindungsgemäßen Ausführungsform der Statorspule 1. 5 zeigt eine Schnittansicht durch die Statorspule 1, bei der die Anordnung der einzelnen Windungen W auf dem Spulenkörper 2 zu erkennen ist. Der Spulenkörper 2 hat eine Basis 6 ausgebildet, auf der der elektrisch leitende Draht 4, aus den die einzelnen Windungen W aufgebaut sind, gewickelt ist. Der elektrisch leitende Draht 4 besitzt einen rechteckigen Querschnitt. Die Ausgestaltung des bei dieser Ausführungsform verwendeten Spulenkörpers 2 ist in 10 in Schnittansicht dargestellt. Der Spulenkörper 2 hat die Basis 6 derart ausgebildet, dass in axialer Richtung A der Basis 6 abwechselnd Vertiefungen 9 und Erhebungen 8 ausgebildet sind. Beim Wicklungsprozess der Statorwicklung 10 wird der elektrisch leitende Draht 4 mit rechteckigem Querschnitt derart auf die Basis 6 gewickelt, dass bei der ersten Lage 14 der elektrisch leitende Draht 4 abwechselnd in eine Vertiefung 9, bzw. auf eine Erhebung 8 zu liegen kommt. Dadurch erreicht man, dass der elektrisch leitende Draht 4 innerhalb einer Lage 14 der Statorwicklung 10 von einer Windung W zur nächsten Windung W+1 versetzt angeordnet ist. Dieser Versatz, bzw. diese Verzahnung setzt sich auch in die darüber liegenden Lagen 14 fort. Durch die Erhebungen 8 und die Vertiefungen 9 der Basis 6 der Statorspule 2 wird somit erreicht, dass die einzelnen Windungen W innerhalb einer Lage 14 mit ihrer Höhe H nicht vollflächig aneinander grenzen. Die in 6 dargestellte Seitenansicht der in 5 beschriebenen Ausführungsform zeigt abermals den Versatz einer Windung W zu der nächsten Windung W+1 innerhalb einer Lage 14. Mehrere dieser Statorspulen 1 sind am Stator 20 angebracht. Der Spulenkörper 2 der Statorspule 1 umgibt dabei jeweils einen zugeordneten Kern 22.
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Zur weiteren Stabilisierung und zur Ausfüllung von möglichen Hohlräumen zwischen den einzelnen Windungen W der Statorspule 1, gemäß den Ausführungsformen der 5 und 6, kann die fertig gewickelte Statorspule 10 mit einem Kunstharz getränkt werden. Das Kunstharz gelangt in die möglichen Hohlräume der Statorwicklung 10 und füllt diese aus. Das Kunstharz wird vernetzt, was zusätzlich zu einer Stabilisierung der Statorspule 1 beiträgt, um somit eine Bewegung der einzelnen Windungen W innerhalb der Statorwicklung 10 zu vermeiden, bzw. eine Bewegung der gesamten Statorwicklung 10 am Spulenkörper 2 zu verhindern.
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In den 7 und 8 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Statorspule 1 dargestellt. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Statorspule 1 wird ein in 11 dargestellter Spulenkörper 2 verwendet. Der Spulenkörper 2 hat eine glatte Basis 6 in axialer Richtung A ausgebildet. Auf die Basis 6 wird beim Herstellungsprozess der Statorwicklung 10 für die Statorspule 1 ein elektrisch leitender Draht 4 mit rechteckigem Querschnitt aufgerollt. Wie in der Darstellung der 7 zu erkennen ist, liegen die einzelnen Windungen W mit der Höhe H des elektrisch leitenden Drahtes 4 mit rechteckigem Querschnitt vollflächig aneinander. Zur Stabilisierung und zur Füllung von möglichen Hohlräumen zwischen den einzelnen Windungen W der Statorwicklung 10 wird die gewickelte Statorwicklung 10 ebenfalls mit einem Kunstharz getränkt. Das Kunstharz wird anschließend ausgehärtet. Zur Stabilisierung der Statorwicklung 10 ist, wie in 7 und 8 dargestellt, eine mittels Wärme geschrumpfte Umhüllung 12 um die Statorwicklung 10 aufgebracht. Die durch Wärme geschrumpfte Umhüllung 12 umschließt somit die Statorwicklung 10 kraft- und formschlüssig, wodurch eine Bewegung der einzelnen Windungen W, bzw. der Statorwicklung 10 selbst vermieden ist.
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12 zeigt den Prozess des Aufbringens der durch Wärme schrumpfbaren Umhüllung 11 auf die Statorwicklung 10. Nachdem die Statorwicklung 10 auf den Spulenkörper 2 gewickelt ist, wird die Wicklung 10, wie bereits erwähnt, mit dem Kunstharz getränkt und ausgehärtet. Nach dem Aushärten des Kunstharzes wird in axialer Richtung A die durch Wärme schrumpfbare Umhüllung 11 über den Spulenkörper 2 mit der Spulenwicklung 10 gezogen. Nachdem die durch Wärme schrumpfbare Umhüllung 11 um den Spulenkörper 2, bzw. die Statorwicklung 10 positioniert ist, wird Wärme erzeugt, damit die schrumpfbare Umhüllung 11 auf die Statorwicklung 10 aufschrumpft. Die Wärme für das Schrumpfen der schrumpfbaren Umhüllung 11 kann z. B. durch einen Stromfluss in der Statorwicklung 10 oder durch eine externe Wärmequelle (nicht dargestellt) erzeugt werden. Durch das Schrumpfen der schrumpfbaren Umhüllung 11 erhält man die geschrumpfte Umhüllung 12, die an der Statorwicklung 10 form- und kraftschlüssig anliegt und somit die Windungen W der Statorwicklung 10, bzw. die Statorwicklung 10 selbst stabilisiert.
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Die Erfindung wurde in Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass Abwandlungen und Änderungen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Statorspule
- 2
- Spulenkörper
- 4
- elektrisch leitender Draht
- 6
- Basis
- 8
- Erhebungen
- 9
- Vertiefungen
- 10
- Statorwicklung
- 11
- schrumpfbare Umhüllung
- 12
- geschrumpfte Umhüllung
- 14
- Lage
- 16
- Freiraum
- 20
- Stator
- 22
- Kern
- A
- axiale Richtung
- H
- Höhe
- W
- Windung
- W+1
- nächste Windung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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