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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wicklung eines Leiterelements, einen Rotor für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine.
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Wicklungen der in Rede stehenden Art werden in der Regel aus Lackdrähten geformt oder hergestellt. Hierbei handelt es sich meist um Kupferdrähte, welche bei der Fertigung mit einer elektrisch isolierenden Lackschicht überzogen werden. Zum Herstellen der Wicklungen als solcher, beispielsweise einer Rotorwicklung einer elektrischen Maschine, gibt es die verschiedensten Wickeltechniken. Oft ist die Wicklung, beispielsweise um die Drehzahlfestigkeit zu steigern, mit einer geeigneten Vergussmasse vergossen. Eine große Herausforderung besteht vorliegend insbesondere darin, möglichst hohe Packungsdichten bzw. Nutfüllfaktoren zu erreichen, um so die Wirkungsgrade der Motoren zu erhöhen. Hierfür werden z. B. gleitoptimierte Lackdrähte vorgeschlagen, vgl. beispielsweise die
DE 10 2010 039 168 A1 . Die
EP 2 782 103 A1 stellt explizit darauf ab, eine Haftung zwischen der Vergussmasse und den Lackdrähten zu verbessern, wobei hierzu zwischen der Isolation des Lackdrahts und der Vergussmasse eine Haftschicht vorgesehen wird. Dessen ungeachtet hat sich in der Praxis nun zusätzlich das Problem herausgestellt, dass in den Isolationen, insbesondere auch hervorgerufen durch die hohen Drehzahlen, Risse entstehen können. Diese können, insbesondere wenn sie bis zu den Drahtlitzen vordringen, äußerst problematisch für das Betriebsverhalten sein.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wicklung, einen Rotor sowie eine elektrische Maschine anzugeben, welche sehr robust in Bezug auf ein Risswachstum bzw. in der Lage sind, eine Rissausbreitung, beispielsweise innerhalb der Vergussmasse einer Wicklung, möglichst zu unterbinden oder zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Wicklung gemäß Anspruch 1, durch einen Rotor gemäß Anspruch 10 sowie durch einen Elektromotor gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und der beigefügten Figur.
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Erfindungsgemäß ist eine Wicklung zumindest eines Leiterelements zumindest bereichsweise von einer Vergussmasse umgeben, wobei das Leiterelement ein innenliegendes Leitermaterial aufweist, und wobei das Leiterelement eine erste Hülllage und eine zweite Hülllage zur Isolation, insbesondere zur elektrischen Isolation, aufweist, wobei die zweite Hülllage aus einem zu einem Werkstoff der ersten Hülllage unterschiedlichen Werkstoff gebildet ist, und wobei das Leiterelement zumindest eine dritte Hülllage aufweist, wobei die Duktilität der dritten Hülllage höher als die Duktilität der Vergussmasse ist. Mit Vorteil ermöglicht eine derart mehrlagige Gestaltung, dass insbesondere ein in der Vergussmasse auftretender Riss besser aufgenommen bzw. gestoppt oder abgeleitet werden kann, sodass gewährleistet ist, dass immer eine ausreichende Isolationswirkung gewährleistet ist. Bei den Hülllagen handelt es sich insbesondere um Isolationslagen. Mit anderen Worten sind die stromführenden Leiter auch bei evtl. entstehenden Rissen oder dergleichen in der Vergussmasse stets mit einer Restschichtdicke isoliert bzw. geschützt. Die dritte Hülllage kann mit Vorteil durch ihre Duktilität eine Rissausbreitung verhindern bzw. ein Risswachstum stoppen. Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Leiterelement insbesondere um ein im Querschnitt rundes, insbesondere kreisrundes, Leiterelement, insbesondere aus einem metallischen Werkstoff, wie z. B. Kupfer. Alternativ kann das Leiterelement aber auch andere Querschnitte, wie beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt, aufweisen. Mit Vorteil unterscheiden sich die Werkstoffe der ersten und der zweiten Hülllage, insbesondere in ihrem Aufbau bzw. in ihrer Zusammensetzung. Bevorzugt ist ein Werkstoff der ersten Hülllage dahingehend ausgelegt, eine möglichst gute Haftung am bzw. zum Leitermaterial bereitzustellen, während der Werkstoff der zweiten Hülllage gemäß einer Ausführungsform dahingehend gewählt oder ausgelegt ist, eine ausreichend hohe Temperaturbeständigkeit des Leiterelements zu gewährleisten. Gemäß einer Ausführungsform umgibt die erste Hülllage das Leiterelement direkt bzw. unmittelbar. Die dritte Hülllage erfüllt mit Vorteil eine dritte Funktion, indem sie ausgelegt ist, einen Rissfortschritt oder eine Rissausbreitung in der Wicklung, beispielsweise ausgehend von der Vergussmasse, aufzuhalten. Gemäß einer Ausführungsform ist ein Werkstoff der Vergussmasse ein Duroplast. Ein dort ggf. entstehender oder entstandener Riss kann durch die duktile dritte Hülllage mit Vorteil aufgehalten werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die dritte Hülllage eine höhere Duktilität, Elastitzität und/oder eine höhere Bruchzähigkeit auf als die erste Hülllage und/oder die zweite Hülllage bzw. auch als die Vergussmasse. Die dritte Hülllage kann auch eine höhere Duktilität, Elastizität oder Bruchzähigkeit als die erste oder die zweite Hülllage aufweisen. Während die erste Hülllage gemäß einer Ausführungsform bevorzugt direkt bzw. unmittelbar das Leitermaterial umgibt, kann die dritte Hülllage unterschiedlich positioniert sein. Gemäß einer Ausführungsform kann die dritte Hülllage aber auch die innerste Hülllage sein, also diejenige Hülllage, welche das Leiterelement direkt umgibt oder ummantelt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die dritte Hülllage die äußerste Hülllage des Leiterelements. Die erste Hülllage ummantelt das Leitermaterial zweckmäßigerweise direkt oder unmittelbar, wobei sie z. B. direkt bzw. unmittelbar von der zweiten Hülllage umgeben ist. Die dritte Hülllage bildet vorteilhafterweise die äußerste Hülllage. Weiter alternativ kann die dritte Hülllage auch zwischen der ersten Hülllage und der zweiten Hülllage angeordnet sein, wobei die erste Hülllage die innerste Lage bildet. Die tatsächlich beste Anordnung muss ggf. im Einzelfall ermittelt werden. Darüber hinaus können auch mehrere dritte Hülllagen vorgesehen sein.
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Gemäß einer Ausführungsform wirkt zwischen der ersten Hülllage und dem Leiterelement als Kontaktpartner eine Haftreibung, welche größer ist als die Haftreibung der dritten Hülllage zu einem oder den angrenzenden Kontaktpartnern. Bevorzugt ist die erste Hülllage dahingehend gestaltet, dass sie eine optimale Haftung zum Leitermaterial oder Leiterkern selbst aufweist. Die dritte Hülllage weist demgegenüber eine reduzierte Haftreibung auf und kann in der Folge bei Krafteinwirkung „schneller“ in den Zustand der Gleitreibung gelangen. Über dieses Gleiten können Kräfte abgebaut werden, welche ebenfalls dazu führen, dass ein Risswachstum oder eine Rissausbreitung von einer Lage zur nächsten und insbesondere von der Vergussmasse in Richtung des Leitermaterials aufgehalten werden kann. Allgemeiner ausgedrückt ist die dritte Hülllage ausgelegt, schneller in den Zustand der Gleitreibung zu gelangen als die anderen Hülllagen. Insbesondere ist dazu deren Haftreibung zu den jeweiligen Kontaktpartner geringer ausgebildet als die der anderen Hülllagen.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die Hülllagen jeweils eine Vielzahl von Schichten auf, wobei die erste Hülllage mehr Schichten aufweist als die dritte Hülllage. Gemäß einer Ausführungsform weist die erste Hülllage sieben Schichten auf, während die zweite Hülllage drei Schichten aufweist und die dritte Hülllage ebenfalls drei Schichten. Eine derartige Aufteilung kann sinnvoll sein, da eine Gesamtdicke der Isolation nicht beliebig erhöht werden kann. Hatte die erste Hülllage beispielsweise in einer ursprünglichen Konfiguration (bei einem Leiterelemente mit zwei Hülllagen) zehn Schichten, so kann deren Anzahl zweckmäßigerweise auf sieben Schichten reduziert werden, wobei dann drei Schichten auf die dritte Hülllage entfallen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein Werkstoff der dritten Hülllage zu einem Werkstoff der zweiten Hülllage unterschiedlich. Bevorzugt ist ein Werkstoff der zweiten Hülllage dahingehend ausgelegt, eine bestimmte Temperaturklasse zu erreichen bzw. eine ausreichend hohe chemische Beständigkeit bereitzustellen. Zweckmäßigerweise ist der Werkstoff der dritten Hülllage dahingehend ausgewählt, eine Rissfortpflanzung möglichst zu unterbinden. Die erste Hülllage, welche z. B. direkt am Leitermaterial anliegt, weist bevorzugt sehr gute Hafteigenschaften zu diesem auf. Bei dem Leitermaterial handelt es sich mit Vorteil um Kupfer, alternativ beispielsweise aber auch um Aluminium.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein Werkstoff der dritten Hülllage und der ersten Hülllage ein Polyester (PES), insbesondere eine THEIC-modifiziertes Polyester (THEIC -Trishydroxyethylisocyanurat), wobei ein Werkstoff der zweiten Hülllage bevorzugt Polyamidimid (PAI) ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein Vernetzungsgrad des Werkstoffs der dritten Hülllage geringer als ein Vernetzungsgrad des Werkstoffs der ersten Hülllage. Damit kann gezielt eine gewünschte Duktilität eingestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist eine Temperaturbeständigkeit der zweiten Hülllage höher als die Temperaturbeständigkeit der anderen Hülllagen. Mit Vorteil kann darüber eine gewünschte Temperaturklasse des Leiterelements eingestellt werden.
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Die Erfindung richtet sich auch auf einen Rotor für eine elektrische Maschine, umfassend zumindest eine erfindungsgemäße Wicklung.
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Weiter richtet sich die Erfindung auf einen Elektromotor bzw. auf eine elektrische Maschine, umfassend einen erfindungsgemäßen Rotor. Insbesondere handelt es sich bei der elektrischen Maschine um eine stromerregte Synchronmaschine, wobei der Rotor ein oder mehrere erfindungsgemäße Wicklungen aufweist. Insbesondere kann dadurch ein extrem drehzahlfester Elektromotor bereitgestellt werden, welcher sich insbesondere durch eine hohe Betriebssicherheit auszeichnet. Durch die zumindest eine dritte Hülllage des Leiterelements kann ein ggf. auftretender Riss in der Wicklung, beispielsweise entstehend in der Vergussmasse, aufgehalten bzw. gestoppt werden. Somit bleibt der stromführende Leiter selbst immer ausreichend isoliert.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform eines Leiterelements mit Bezug auf die beigefügte Figur.
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Es zeigt:
- 1: einen Querschnitt einer Ausführungsform eines Leiterelements als Bestandteil einer Wicklung.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Leiterelement 1, welches ein im Querschnitt rundes bzw. kreisrundes Leitermaterial 10 aufweist. Insbesondere handelt es sich bei dem Leitermaterial 10 beispielsweise um einen Kupferdraht. Dieser ist direkt mit einer ersten Hülllage 11 ummantelt bzw. von dieser umgeben. Die erste Hülllage 11 wiederum ist von einer zweiten Hülllage 12 ummantelt bzw. umgeben. Als äußerste Lage ist eine dritte Hülllage 20 vorgesehen, welche insbesondere dahingehend ausgelegt ist, einen Rissfortschritt innerhalb einer Wicklung, beispielsweise ausgehend von der Vergussmasse (hier nicht gezeigt), zu unterbinden. Hierzu weist die dritte Hülllage 20 insbesondere eine entsprechend eingestellte Duktilität auf. Insbesondere ist die Duktilität bzw. Bruchzähigkeit der dritten Hülllage 20 größer als die der ersten Hülllage 11 und/oder der zweiten Hülllage 12 bzw. insbesondere größer bzw. höher als die einer hier (nicht gezeigten) Vergussmasse, in welche das Leiterelement 1 bzw. der Lackdraht bzw. die Wicklung eingebettet sind. Hierdurch kann mit Vorteil gewährleistet werden, dass der stromführende Leiter immer mit einer ausreichenden Restisolierung versehen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterelement, Lackdraht
- 10
- Leitermaterial
- 11
- erste Hülllage
- 12
- zweite Hülllage
- 20
- dritte Hülllage
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010039168 A1 [0002]
- EP 2782103 A1 [0002]
