DE102019211267A1

DE102019211267A1 - Spulenanordnung für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102019211267A1
Application number: DE102019211267.6A
Authority: DE
Inventors: Florian Schulz
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2021-02-04
Also published as: US11909286B2; US20210036568A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine eines elektrischen Systems, bspw. eines Antriebssystems, und insbesondere die elektrische Isolierung einer Spule der Maschine. Hierzu wird eine Spulenanordnung vorgeschlagen, welche eine aus einem elektrischen Spulenleiter gebildete Spule sowie eine Isolieranordnung umfasst. Die Spule wird an einem elektrisch leitfähigen Gegenstand der Maschine angeordnet, bspw. an bzw. auf einem entsprechenden Zahn eines Stators oder eines Rotors der Maschine, welcher aus einem Blechpaket gebildet ist. Die Isolieranordnung dient zum Isolieren der Spule von dem elektrisch leitfähigen Gegenstand, bspw. von dem den Zahn bildenden Blechpaket, wobei die Isolieranordnung eine erste, elektrisch leitfähige Schicht aufweist, welche zumindest zum Teil zwischen der Spule und der metallischen Komponente angeordnet wird. Weiterhin wird die erste Schicht elektrisch mit der metallischen Komponente verbunden, um Teilentladungen zwischen der Isolieranordnung und der metallischen Komponente zu unterbinden.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine eines elektrischen Systems, bspw. eines elektrischen Antriebssystems, und insbesondere die elektrische Isolierung der Wicklungssysteme der Maschine.
Mit der stetig zunehmenden Leistungsfähigkeit elektrischer Maschinen, bspw. ausgedrückt durch die sog. Leistungsdichte, steigt auch die Beanspruchung der elektrischen Isolierung und damit u.a. ggf. das Risiko von Systemausfällen. Insbesondere für den Fall, dass die Maschine in einem sicherheitskritischen Umfeld eingesetzt werden soll, bpsw. als Komponente eines Antriebssystems eines elektrisch angetriebenen Luftfahrzeugs, ist eine äußerst hohe Ausfallsicherheit anzustreben. Dabei spielt insbesondere das elektrische Isolationssystem der Maschine eine wesentliche Rolle bei der Erzielung einer hohen Ausfallsicherheit.
Das Isolationssystem rotierender, elektrischer Maschinen wird insbesondere durch den Betrieb mit einer Leistungselektronik durch verschiedene Einflussfaktoren verstärkt belastet, bspw. durch ein Überschwingen der bereitgestellten Spannung aufgrund eines Schaltvorgangs, durch Spannungsreflexionen an den Eingangsklemmen der Maschine, durch nichtlineare Spannungsabfälle entlang des Wicklungssystems und/oder durch erhöhte Frequenzen von Teilentladungen. Aufgrund dessen können selbst in Isolationssystemen, die für den Niederspannungsbereich ausgelegt sind, im Dauerbetrieb kurzzeitig derart hohe elektrische Feldstärken auftreten, dass es zur Entstehung von Teilentladungen kommen kann. Derartige Teilentladungen können sich im Isolationssystem derart auswirken, dass es lokal bis zum elektrischen Kurzschluss und schließlich zum Ausfall der Maschine kommt.
Insbesondere die in diesem Anwendungsfeld gängigen organischen Isolationsmaterialien weisen eine sehr geringe Resistenz gegenüber Teilentladungen auf. Ohne Gegenmaßnahmen gegen die geschilderten Effekte kann sich die eigentlich erzielbare Lebensdauer einer solchen Maschine um mehrere Größenordnungen reduzieren. Diese Problematik wird im Angesicht der aktuellen Entwicklung der kommenden Halbleitergenerationen, welche in der der Maschine vorgeschalteten Leistungselektronik integriert ist, aller Voraussicht nach weiter zunehmen.
Die beschriebene Problematik ist nicht zuletzt vor dem Hintergrund kritisch, dass gängige Normen für den Niederspannungsbereich eine im Dauerbetrieb der Maschine teilentladungsfreie Auslegung des Isolationssystems vorsehen. Hierzu muss vermieden werden, dass die lokale elektrische Feldstärke die Durchschlagsfestigkeit im
vorliegenden Medium überschreitet. Zwar ist die Durchschlagsfestigkeit für Isolationsmaterialien verwendungsgemäß sehr hoch, jedoch stellen Lufteinschlüsse innerhalb des Isolationssystems kritische Schwachstellen dar, in denen es durch die allgemein niedrigere dielektrische Leitfähigkeit zu elektrischen Feldüberhöhungen kommt. Dadurch können bereits Lufteinschlüsse im Bereich von Mikrometern die Lebensdauer einer solchen elektrischen Maschine gefährden.
Das Vorhandensein derartiger Lufteinschlüsse lässt sich jedoch prozessbedingt bei den gängigen Tränk- und Imprägnierprozessen nicht vollständig ausschließen. Erschwerend kommt hinzu, dass sich eine Zustandsverschlechterung der Isolation unabhängig von ihrem Ursprung messtechnisch nur bedingt feststellen lässt. So lässt sich etwa eine Degradation der Leiter-Erde-Isolierung durch Messung des Isolationswiderstands grundsätzlich überwachen. Für die Leiter-Leiter-Isolierung hingegen existiert kein etabliertes Verfahren, mit dem die Lebensdauer bis zu einem Kurzschluss vorherzusagen oder im Fehlerfall auch nur rechtzeitig vor der Zerstörung der Maschine zu detektieren wäre.
Diese Problematik der lebensdauerreduzierenden Auswirkungen auf die Isolierung durch Teilentladungen wird auf verschiedene Weise adressiert. Bspw. können Lufteinschlüsse weitestgehend vermieden werden, indem die Windungen vergossen oder imprägniert werden, bspw. mit Hilfe entsprechender Harze. Auch hierbei können jedoch insbesondere im Bereich zwischen Nut und Nutisolation weiterhin kritische Lufteinschlüsse verbleiben. Desweiteren kann durch entsprechende Dimensionierung eine Reduzierung lokaler Feldstärken erreicht werden, so dass Teilentladungen auch in verbliebenen Lufteinschlüssen nicht dauerhaft auftreten können. Diese Anpassung der Dimensionierung wirkt sich jedoch negativ auf die Leistung der Maschine aus. Insbesondere bei den im Hochspannungsbereich arbeitenden Maschinen ist es nicht unüblich, die Leiter mit einer Art leitfähigem Klebeband zu umwickeln. Auch hierdurch wird das Problem der Lufteinschlüsse, die bspw. beim Einfügen der vorgeformten Leiterstäbe in die Nuten großer Motoren oder Geratoren zurückbleiben, nicht ausreichend gelöst, da bspw. durch Delamination derartige Lufteinschlüsse und damit die Gefahr von Teilentladungen entstehen können. Da letztlich auch eine Vorhersage von Windungsschlüssen in der Regel und mit vertretbarem Aufwand nicht ausreichend verlässlich möglich ist, stellt die eingangs erwähnte Gefahr von Teilentladungen ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ansatz zur Schaffung eines elektrischen Systems mit erhöhter Betriebssicherheit anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Spulenanordnung sowie die in den Ansprüchen 14 und 15 beschriebenen Verfahren gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.
Die Spulenanordnung umfasst eine aus einem elektrischen Spulenleiter gebildete Spule, welche an, d.h. in der Umgebung von, einer elektrisch leitfähigen Komponente insbesondere einer elektrischen Maschine anzuordnen ist.
Die elektrisch leitfähige Komponente kann bspw. ein Blechpaket eines Stators oder eines Rotors der elektrischen Maschine und insbesondere für den Fall, dass die Spule keine Luftspule ist, auch ein Zahn eines solchen Stators bzw. Rotors sein, an bzw. in dem Fall „auf“ dem die Spule angeordnet werden kann.
Desweiteren umfasst die Spulenanordnung eine Isolieranordnung zum elektrischen Isolieren zumindest einer Windung des Spulenleiters der Spule von einem elektrisch leitfähigen Gegenstand der elektrischen Maschine.
Dieser elektrisch leitfähige Gegenstand kann bspw. die genannte elektrisch leitfähige Komponente selbst sein, also bspw. das Blechpaket bzw. der Zahn. Auch kann der elektrisch leitfähige Gegenstand eine weitere Windung desselben Spulenleiters der Spule oder eine Windung eines Spulenleiters einer benachbart angeordneten Spule sein.
Die Isolieranordnung weist ihrerseits eine erste, elektrisch leitfähige Schicht auf, welche zwischen der zu isolierenden Windung der Spule und demjenigen elektrisch leitfähigen Gegenstand anzuordnen ist, von dem die Windung isoliert werden soll. Dabei ist die erste Schicht elektrisch mit der elektrisch leitfähigen Komponente verbindbar, also bspw. mit dem Blechpaket.
Die elektrische Kontaktierung der ersten Schicht mit der metallischen Komponente kann grundsätzlich an einer beliebigen Stelle erfolgen, bspw. ggf. am Zahn selbst.
Das Blechpaket und damit dann auch die erste Schicht ist seinerseits vorzugsweise mit der Masse elektrisch verbunden.
Hinsichtlich des Begriffes der elektrisch leitfähigen „Schicht“ sei angemerkt, dass hierbei lediglich entscheidend ist, dass die Schicht ein elektrisches Feld weitestgehend abschirmen kann. Dazu wären kleine Defekte akzeptabel, so dass der Begriff „Schicht“ durchaus auch ein engmaschiges Gitter, eine mit Löchern versehene Schicht sowie sogar Kratzer umfassen darf.
Auf der Seite der Nut wird das Potential durch die Masse eindeutig definiert. Hier spielt es keine Rolle wo der Kontakt hergestellt wird.
In einer ersten Ausführungsform ist der elektrisch leitfähige Gegenstand ein Blechpaket eines Stators oder eines Rotors der elektrischen Maschine und insbesondere ein Zahn des Stators oder des Rotors, auf dem die Spule anzuordnen ist. Die Isolieranordnung ist eine folienartig bzw. flächig ausgebildete Nutisolation, welche zwischen der Spule und dem elektrisch leitfähigen Gegenstand platziert ist, wobei die Nutisolation die erste, elektrisch leitfähige Schicht sowie eine zweite, elektrisch isolierende Schicht aufweist, wobei die erste Schicht eine leitfähige Oberfläche darstellend auf die zweite Schicht aufgebracht ist.
Die Nutisolation ist derart zwischen der Spule und dem elektrisch leitfähigen Gegenstand, d.h. bspw. dem Blechpaket bzw. dem Zahn, angeordnet, dass die erste, elektrisch leitfähige Schicht dem elektrisch leitfähigen Gegenstand zugewandt ist und die zweite, elektrisch isolierende Schicht der Spule zugewandt ist.
Desweiteren ist in einer axialen Richtung der Maschine gesehen die zweite Schicht derart dimensioniert, dass sie über die axialen Enden des elektrisch leitfähigen Gegenstandes hinaus ragt. Die erste Schicht ist dagegen derart dimensioniert, dass sie nicht wesentlich, d.h. insbesondere abgesehen von eventuellen toleranzbedingten Überständen, über die axiale Enden des elektrisch leitfähigen Gegenstandes hinaus ragt.
In dieser ersten Ausführungsform der Isolieranordnung als eine mit einer leitfähigen Oberfläche versehene Nutisolation wird die gängige Nutisolation durch einen erfindungsgemäßen Aufbau ersetzt. Dieser wird so in die Nut eingelegt, dass die leitfähige Oberfläche Kontakt zum Blechpaket hat, bspw. im Bereich des Zahns, so dass sich an diesen Objekten dasselbe elektrische Potential ausbildet. Zur Herstellung erfolgt nach der Positionierung der Nutisolation in der Nut das Bewickeln des Zahns mit dem die Spule bildenden Leiter und die abschließende Imprägnierung oder das Vergießen. Während die Nutisolation üblicherweise noch aus dem axialen Bereich des Zahns bzw. des Blechpakets weiter hinausgeführt wird, um die im Wickelkopfbereich notwendigen Luft- & Kriechstrecken sicher zu stellen, sollte die leitfähige Oberfläche nicht über die Nut bzw. den Zahn hinausstehen, sondern auf ihre Länge beschränkt werden.
Auch wenn nun im Zwischenraum von Zahn und Nutisolation Lufteinschlüsse zurück bleiben sollten, kann es aufgrund der fehlenden Potentialdifferenz nicht mehr zu Teilentladungen kommen. Diese Anwendung ist insbesondere dann zweckmäßig und ausreichend, wenn die Teilentladungsfreiheit auf der der Spule zugewandten Seite der Nutisolation durch andere Weise sichergestellt werden kann. Dies kann etwa durch eine zuverlässige Füllung der Hohlräume aufgrund der besseren Zugänglichkeit erreicht werden.
In einer alternativen Ausführungsform der Isolieranordnung ist diese und damit insbesondere auch zumindest die erste, elektrisch leitfähige Schicht im Wesentlichen schlauchförmig ausgebildet und umgibt den die Spule bildenden elektrischen Spulenleiter in dessen Umfangsrichtung bzw. in bezüglich der Längserstreckung des Spulenleiters tangentialer Richtung, so dass der Spulenleiter in seiner Längsrichtung innerhalb der Isolieranordnung und damit insbesondere auch zumindest innerhalb der ersten, elektrisch leitfähigen Schicht verläuft, welche wie bereits erwähnt elektrisch mit dem Blechpaket verbunden ist.
Der Spulenleiter ist im eingebauten Zustand auf den Zahn gewickelt und bildet so die Spule. Alternativ kann die Spule auch als Luftspule ausgebildet sein, welche dann -der obigen Formulierung folgend- „an“ der elektrisch leitfähigen Komponente, d.h. am bzw.in der Umgebung vom Blechpaket angeordnet ist.
Schwer zu detektierende Kurzschlüsse zwischen Windungen können somit verhindert werden. Stattdessen kommt es beim ersten Isolationsversagen zum Masseschluss mit der dazwischenliegenden elektrisch leitfähigen Oberfläche. Ein Masseschluss führt zumindest bei rechtzeitiger Detektion nicht zwangsweise zum kurzfristigen Ausfall der Maschine, so dass im Allgemeinen eine Eskalation des Fehlers mit geeigneten Maßnahmen verhindert und das Risiko einer weiterführenden Zerstörung etwa mit Brandfolge stark reduziert werden kann.
Ein sich anbahnender Isolationsfehler würde zu einem zunehmenden, messbaren Stromfluss zwischen dem Spulenleiter und Masse führen. Damit kann eine Bewertung des Zustands der Isolierung getroffen werden und eine Aussage über die Lebensdauer des Isolationssystems wird ermöglicht. Durch einen niedrigen elektrischen Widerstand der ersten Schicht oder der umgebenden Füllmaterialien kann eine hohe Sensitivität erreicht werden.
Der im Falle des Masseschlusses auftretende Stromfluss kann auch während des Betriebs detektiert werden. Gängige Sicherheitssysteme basieren auf Differentialrelais an den Zuleitungen der Spulen die ein Ungleichgewicht im Stromfluss oder dem draus resultierenden Magnetfeld messen.
Der Begriff „schlauchförmig“ sagt letztlich aus, dass der jeweilige „schlauchförmige“ Gegenstand zum Einen eine Länge aufweist, die typischerweise wesentlich größer ist als ihr Durchmesser. Zum Anderen gilt hinsichtlich des Querschnitts des schlauchförmigen und damit hohlen Gegenstands, dass dieser im Wesentlichen dem Querschnitt desjenigen Objektes entspricht, das der jeweilige schlauchförmige Gegenstand umgibt. Das umgebene Objekt kann bspw. der Spulenleiter sein, welcher bspw. als Flachleiter oder als Rundleiter ausgebildet sein kann, so dass der Querschnitt rund oder im Wesentlichen rechteckig ist. Andere Querschnitte sind natürlich denkbar und der Querschnitt des jeweiligen schlauchförmigen, dieses Objekt umgebenden Gegenstandes ist jeweils dementsprechend gewählt. Dabei beinhaltet der Begriff „schlauchförmig“ desweiteren, dass der schlauchförmige Gegenstand in tangentialer Richtung geschlossen und an den in Längsrichtung beabstandeten Enden offen ist, wobei sich die „tangentiale“ Richtung an der Längserstreckung des jeweils umgebenen Objektes, bspw. des Drahtes oder des Spulenleiters, orientiert. Letztlich bildet der schlauchförmige Gegenstand also eine abgesehen von den Enden geschlossene Oberfläche um das jeweils umgebene Objekt. Vorteilhafterweise gilt auch hier, dass die isolierende Schicht idealerweise über die leitfähige Schicht hinaus ragt, so dass Luft- und Kriechstrecken realisiert werden.
In dieser Ausführungsform mit schlauchförmiger Isolieranordnung, in welcher der Spulenleiter verläuft, wird insbesondere auch erreicht, dass zwischen verschiedenen Windungen derselben Spule oder auch zwischen Windungen benachbarter Spulen keine Teilentladungen auftreten. In diesem Fall trifft also zu, dass der elektrisch leitfähige Gegenstand, von der die Windung elektrisch isoliert werden soll, eine weitere Windung desselben Spulenleiters der Spule oder eine Windung eines Spulenleiters einer benachbart angeordneten Spule sein kann.
In einer ersten Variante der zweiten Ausführungsform weist der Spulenleiter einen elektrisch leitfähigen Draht sowie eine im Wesentlichen schlauchförmige, den Draht in dessen Umfangsrichtung umgebende und nicht elektrisch leitende Drahtisolierung auf. Der Draht verläuft in seiner Längsrichtung innerhalb der Drahtisolierung, wobei die schlauchförmige erste, elektrisch leitfähige Schicht der Isolieranordnung ihrerseits zwischen dem Draht und der Drahtisolierung den Draht (122') in dessen Umfangsrichtung umgebend angeordnet ist, so dass der Draht in seiner Längsrichtung innerhalb der ersten Schicht verläuft und elektrisch mit der ersten Schicht verbunden ist.
In einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform weist der Spulenleiter einen elektrisch leitfähigen Draht sowie eine im Wesentlichen schlauchförmige, den Draht in dessen Umfangsrichtung bzw. in bezüglich der Längserstreckung des Drahtes in tangentialer Richtung umgebende und nicht elektrisch leitende Drahtisolierung auf. Der Draht verläuft in seiner Längsrichtung innerhalb der Drahtisolierung und die schlauchförmige erste, elektrisch leitfähige Schicht der Isolieranordnung umgibt die Drahtisolierung in deren Umfangsrichtung, so dass die Drahtisolierung zwischen dem Draht und der ersten Schicht angeordnet ist.
Durch Applikation der leitfähigen ersten Schicht auf der Drahtisolierung können die Windungen der Spule beliebig angeordnet werden, ohne dass sich zwischen ihnen ein elektrisches Feld ausbreiten kann.
Es kann eine weitere elektrisch leitfähige Schicht vorgesehen sein. Die weitere elektrisch leitfähige Schicht ist ebenfalls schlauchförmig ausgebildet und zwischen dem Draht und der Drahtisolierung den Draht in dessen Umfangsrichtung umgebend angeordnet, so dass der Draht in seiner Längsrichtung innerhalb der weiteren Schicht verläuft und elektrisch mit der weiteren Schicht verbunden ist.
Wenn sich bspw. durch Alterung oder hohe mechanische Beanspruchung an einzelnen Stellen die Isolation vom Leiter abheben sollte, würde die Funktion der Isolieranordnung hinsichtlich des Vermeidens von Teilentladungen nicht verloren gehen, d.h. lokale Defekte wären noch nicht sicherheitskritisch.
Die hier umgesetzte direkte Applikation einer leitfähigen Schicht auf dem Draht bewirkt eine Reduktion der Komplexität des Isolationssystems. Anstelle verschiedener Werkstoffe zur Isolation der Spulenleiter, der Spulen benachbarter Zähne und der Nut wird nur eine elektrisch isolierende Schicht verwendet. Wenn diese durchgehend ist, kann es innerhalb dieser zu keiner Delamination und damit einem Einsetzen von Teilentladungen kommen. Weil diese mit dem Leiter fest verbunden ist, sinkt der Fertigungsaufwand entsprechend.
In einer dritten Variante der zweiten Ausführungsform weist die Isolieranordnung die erste, elektrisch leitfähige Schicht, eine zweite, elektrisch isolierende Schicht sowie eine dritte, elektrisch leitfähige Schicht auf. Die erste, die zweite und die dritte Schicht sind jeweils schlauchförmig und koaxial zueinander angeordnet, wobei die zweite Schicht innerhalb der ersten Schicht, die dritte Schicht innerhalb der zweiten Schicht und der Spulenleiter innerhalb der dritten Schicht angeordnet ist, so dass er in seiner Längsrichtung innerhalb der dritten Schicht verläuft, und dabei elektrisch mit der dritten Schicht verbunden ist.
Die somit beidseitig elektrisch leitend beschichtete Isolieranordnung bildet eine geschlossene Oberfläche um jede aus dem Spulenleiter gebildete Wicklung der Spule.
Die beschichtete Innenseite läuft jetzt parallel zur Windung und kann (grundsätzlich) mit dieser an jedem beliebigen Punkt kontaktiert werden. Dazu bieten sich der Anfang und das Ende des Spulenleiters an, bspw. an Löt- oder Krimpstellen.
Aufgrund der beidseitig elektrisch leitfähigen Beschichtung der zweiten Schicht wird nicht nur der Bereich zwischen der Isolieranordnung und dem Blechpaket, sondern auch derjenige zwischen der Isolieranordnung und dem Spulenleiter teilentladungsfrei gehalten. Es wird also auch innerhalb der erfindungsgemäßen Isolieranordnung ein in radialer Richtung feldfreier Bereich und damit Schutz vor Teilentladungen erzielt.
Besonders vorteilhaft wirkt sich die zweite Ausführungsform in dem Szenario aus, dass der elektrisch leitfähige Gegenstand, von dem die zumindest eine Windung des Spulenleiters der Spule zu isolieren ist, eine weitere Windung desselben Spulenleiters oder eine Windung eines Spulenleiters einer weiteren, bspw. benachbarten Spule der elektrischen Maschine ist.
Generell gilt in der zweiten Ausführungsform, dass die Isolieranordnung und mit ihr jede der diversen leitenden und nicht leitenden Schichten jeweils eine in Umfangsrichtung des Spulenleiters gesehen geschlossene Oberfläche um jede aus dem Spulenleiter gebildete Windung der Spule bilden.
In den Ausführungsformen kann die Spulenanordnung mit einem Verguss- oder Imprägniermittel vergossen werden. Dieses Mittel kann leitfähige, bspw. metallische Partikel und dementsprechend eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Da zwischen den einzelnen Windungen der Spule und den Spulenleitern benachbarter Spulen, d.h. unterschiedlicher Phasen, im Bereich der Imprägnierung bzw. des Vergusses aufgrund der beschriebenen Isolieranordnung keine elektrischen Felder mehr vom Spulenleiter ausgehen, müssen diese Imprägniermittel nicht mehr elektrisch isolierend ausgeführt werden. Durch eine Befüllung mit leitfähigen Partikeln kann hierdurch die thermische Leitfähigkeit des Imprägniermittels bedeutend gesteigert werden, um die Entwärmung der Wicklung zu verbessern.
Liegt die erste Schicht auf Masse, dann müssen weder die Füllstoffe wie das Tränkharz noch ein eventuell umgebendes Kühlmedium elektrisch isolierend ausgeführt werden, um Kurzschlüsse im Falle einer Beschädigung der Isolation zu verhindern. Aus Sicht der mechanischen Stabilität, der Wärmeleitung und dem Schutz vor Umwelteinflüssen sind diese Materialien aber weiterhin im Rahmen der Isolationskoordination bedeutsam. Diese Eigenschaften können gezielt unter Aufgabe der Anforderung isolierende Stoffe einzusetzen verbessert werden. Damit können etwa gezielt leitfähige, metallische Füllstoffe zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit genutzt werden. Auch kann ein Kühlmedium mit höherer Wärmekapazität wie Wasser ohne erhöhte Gefahr verwendet werden.
Im elektrisch feldfreien Bereich kommt dem Imprägnier-, Tränkmittel oder auch dem Kühlmedium keine Verbesserung der dielektrischen Bedingungen, insbesondere Freiheit von Lufteinschlüssen, mehr zu. Dadurch können wesentlich einfacherer Applikationsverfahren genutzt werden, ohne die Lebensdauer der Maschine zu gefährden.
Vorteilhafterweise sind die erste Schicht und damit auch die elektrisch leitfähige Komponente auf Masse gelegt, so dass letztlich von der Isolationsoberfläche keine elektrischen Felder mehr ausgehen. Damit entfällt die Notwendigkeit Luft- und Kriechstrecken einzuhalten und scharfe Kanten bspw. an Gehäuseteilen o.ä. zu vermeiden, die ansonsten zu Feldüberhöhungen führen können. Somit sinkt der benötigte Aufwand in der Auslegung und der entsprechend freiwerdende Bauraum kann anderweitig genutzt werden, etwa für eine kompaktere Auslegung.
Die verschiedenen elektrisch isolierenden Schichten können bspw. aus einem Thermoplast hergestellt sein. Gängige Isolationswerkstoffe umfassen Drahtlacke, Polyimidfolien (bspw. Kapton), Polyaramidfasern (bspw. Nomex) und entsprechende Laminate. Diese eignen sich aufgrund nicht zu gewährleistender Lochfreiheit, schlechter Haftung oder mangels einer flachen Oberfläche nicht ideal für eine durchgehende, leitfähige Beschichtung. Desweiteren ist ihre mechanische Festigkeit zu gering, um ohne verstärkende Beschichtung in der Nut appliziert werden zu können. Thermoplaste, bspw. PEEK, können dagegen alle diese Anforderungen erfüllen. Zudem weisen sie eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit, Temperaturbeständigkeit, mechanische Festigkeit und chemische Beständigkeit auf. Thermoplaste können durch Extrusion im Rahmen eines Endlosprozesses weitgehend frei geformt oder direkt auf einen Draht appliziert werden. Anschließend können die gewünschten Oberflächenbereiche wie hier angestrebt mit einer metallischen Schicht versehen werden. Alternativ können durch Koextrusion mit leitfähigen Partikeln befüllte Grenzschichten im selben Prozessschritt realisiert werden.
In einem ersten Schritt eines Verfahrens zum elektrischen Isolieren zumindest einer Windung eines Spulenleiters einer Spule einer elektrischen Maschine von einem elektrisch leitfähigen Gegenstand der elektrischen Maschine, bspw. von einem Zahn, mit Hilfe einer als flächige bzw. folienartige Nutisolierung ausgebildeten Isolieranordnung werden eine erste, elektrisch leitfähige Schicht der Isolieranordnung und eine zweite, elektrisch isolierende Schicht der Isolieranordnung aufeinander aufgebracht. In einem zweiten Schritt wird die so gebildete flächige Nutisolation derart in einem Raumbereich zwischen dem ersten Zahn und einem zum ersten Zahn benachbarten Zahn der elektrischen Maschine platziert, dass die erste Schicht in elektrischen Kontakt mit der elektrisch leitfähigen Komponente der elektrischen Maschine tritt. In einem dritten Schritt wird auf jeden Zahn, welcher in elektrischem Kontakt mit der Nutisolation ist, jeweils ein die jeweilige Spule bildender Spulenleiter gewickelt, so dass die Nutisolation zwischen dem ersten Zahn und dem auf diesen ersten Zahn gewickelten Spulenleiter liegt.
In einem ersten Schritt eines alternativen Verfahrens zum elektrischen Isolieren zumindest einer Windung eines Spulenleiters einer Spule einer elektrischen Maschine von einem elektrisch leitfähigen Gegenstand der elektrischen Maschine mit Hilfe einer schlauchförmigen Isolieranordnung werden zumindest eine erste, elektrisch leitfähige Schicht der Isolieranordnung und eine zweite, elektrisch isolierende Schicht der Isolieranordnung aufeinander aufgebracht. In einem zweiten Schritt wird der Spulenleiter derart in die Isolieranordnung eingelegt und die Isolieranordnung zu einem schlauchförmigen Gebilde geformt, dass die Isolieranordnung den elektrischen Spulenleiter in dessen Umfangsrichtung umgibt, so dass der Spulenleiter in seiner Längsrichtung innerhalb der Isolieranordnung verläuft, wobei die zweite Schicht innerhalb der ersten Schicht und der Spulenleiter innerhalb der zweiten Schicht angeordnet sind. In einem dritten Schritt wird der so aufgebaute Spulenleiter mit der ihn umgebenden Isolieranordnung bspw. auf den Zahn zur Spule gewickelt und die erste Schicht in elektrischen Kontakt mit einer elektrisch leitfähigen Komponente der elektrischen Maschine gebracht.
Vor dem zweiten Schritt kann auf der der zweiten Schicht gegenüberliegenden Seite der ersten Schicht eine dritte, elektrisch leitfähige Schicht platziert werden, so dass die dritte Schicht der schlauchförmigen Isolieranordnung innerhalb der zweiten Schicht verläuft, wobei die dritte Schicht elektrisch mit einem Draht des Spulenleiters verbunden wird.
Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept beruht darauf, das Einsetzen von Teilentladungen durch Potentialformung zu verhindern. Dazu wird ein Isolationsmaterial bspw. aus dem Niederspannungsbereich mit einer leitfähigen Oberfläche versehen. Dieses kann dann insbesondere mit dem umgebenden Blechpaket elektrisch verbunden werden und erreicht damit dasselbe elektrische Potential wie das Blechpaket. Hierdurch wird das Auftreten einer Spannung zwischen dem Blechpaket und der ihr zugewandten Oberfläche der Isolierung vermieden. Folglich können in diesem Bereich keine Teilentladungen auftreten. Durch beidseitige Beschichtung oder direkte Applikation auf einen Leiter können Teilentladungen vollständig verhindert werden.
Der vorgestellte Ansatz kombiniert die positiven Eigenschaften von bspw. Thermoplasten, bspw. PEEK, in ihrer Funktion als Niederspannungsisolationswerkstoffe etwa als Nutisolation oder Leiterisolierung mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung zur Potentialformung. Durch diese Kombination eines Isolationswerkstoffs, der mit vernachlässigbaren Lusteinschlüssen herstellbar ist, mit einer leitfähigen Oberfläche entsteht ein vollständiges, kompaktes Isolationssystem mit definierter Grenze. Außerhalb von diesem treten keine relevanten, zu isolierenden elektrischen Feldstärken mehr auf.
Wird der Isolationswerkstoff zuvor auf einen elektrischen Leiter appliziert, kann eine vollständige Ausfüllung des Bereichs zwischen Leiter und Grenzschicht der Isolation sichergestellt werden. Dadurch kann das Isolationssystem am Zahn in elektrischer Hinsicht bereits vollständig definiert werden. Teilentladungen werden damit zuverlässig verhindert und die Vorteile kommender Entwicklungen der Leistungselektronik können genutzt werden, ohne eine drastische Reduktion der Lebensdauer der Maschine befürchten zu müssen.
In der speziellen Ausprägung der Isolieranordnung als schlauchförmiger Gegenstand, welche den Spulenleiter umschließt, gilt desweiteren, dass aufgrund der definierten Geometrie der Isolations- und Leiteranordnung die elektrische Feldverteilung im Isolationssystem bekannt ist und stark inhomogene Bereiche mit Hilfe entsprechender Dimensionierung und Systemauslegung ausgeschlossen werden können. Bspw. kann die Dicke der Isolation entsprechend genau abgestimmt gewählt werden. Diese Dicke kann im Allgemeinen größer sein, als die der bislang üblichen Drahtisolation. Durch den nichtlinearen Spannungsabfall im Betrieb mit Leistungselektronik treten aber schon jetzt maßgebliche Belastungen an den Eingangswindung auf, welche nicht zuletzt von der Flankensteilheit der Impulse abhängen. Um diesen standzuhalten, kommen bereits deutlich dickere oder zusätzliche Drahtisolierungen zum Einsatz als bei einem linearen Spannungsabfall nötig wären. Weiterhin können Isolationswerkstoffe ohnehin nicht beliebig dünn ausgeführt werden, so dass auch erfindungsgemäß Schichtdicken unter 50 µm derzeit nicht praktikabel erscheinen. Damit wären bereits Durchschlagsfestigkeiten von 6 kV erreichbar, was für die Niederspannungsisolation als ausreichend gelten kann.
Der Einsatz der vorgestellten Lösung bietet sich insbesondere, aber nicht ausschließlich, bei elektrischen Maschinen an, die mit einer Leistungselektronik betrieben werden und deren Isolationssystem auf den Niederspannungsbereich ausgelegt ist. Die Vorteile der deutlich gesteigerten Freiheit in der Maschinenauslegung und die Vermeidung von Windungskurzschlüssen können grundsätzlich bei allen elektrischen Maschinen Verwendung finden, sind jedoch für Maschinen mit gesteigerten Anforderungen an die Ausfallsicherheit und Leistung besonders geeignet. Grundsätzlich gilt, dass der Einsatz der vorgestellten Lösung eine elektrische Alterung der Maschine verhindern oder zumindest verlangsamen kann.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.
Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Es ist daher möglich, dass sich bei der Beschreibung einer zweiten Figur zu einem bestimmten Bezugszeichen, welches bereits im Zusammenhang mit einer anderen, ersten Figur erläutert wurde, keine näheren Erläuterungen finden. In einem solchen Fall kann bei der Ausführungsform der zweiten Figur davon ausgegangen werden, dass die dort mit diesem Bezugszeichen gekennzeichnete Komponente auch ohne nähere Erläuterung im Zusammenhang mit der zweiten Figur die gleichen Eigenschaften und Funktionalitäten aufweist, wie im Zusammenhang mit der ersten Figur erläutert. Desweiteren werden der Übersichtlichkeit wegen teilweise nicht sämtliche Bezugszeichen in sämtlichen Figuren dargestellt, sondern nur diejenigen, auf die in der Beschreibung der jeweiligen Figur Bezug genommen wird.
Es zeigen:

1 eine bekannte elektrische Maschine,
2 einige Zähne des Stators der Maschine mit einer Isolieranordnung in einer ersten Ausführung,
3 die Statorzähne mit einer Isolieranordnung in einer zweiten Ausführung,
4 die Statorzähne mit einer Isolieranordnung in einer dritten Ausführung,
5 Details der Isolieranordnung in der dritten Ausführung,
6 die Statorzähne mit einer Isolieranordnung in einer vierten Ausführung,
7 Details der Isolieranordnung in der vierten Ausführung.

Es sei angemerkt, dass sich Begriffe wie „axial“, „radial“, „tangential“ etc. jeweils auf einen Gegenstand beziehen, der eine Längserstreckung aufweist, bspw. ein Draht oder ein schlauchförmiges Objekt. Dabei beschreibt „axial“ eine Richtung parallel zu der Längserstreckung, „radial“ beschreibt eine Richtung orthogonal zur Längserstreckung, auf diese zu oder auch von ihr weg, und „tangential“ bzw. auch „in Umfangsrichtung“ ist eine Richtung, die in konstantem radialen Abstand zum genannten Gegenstand und bei konstanter Axialposition kreisförmig um diesen herum gerichtet ist.
Unter dem Ausdruck „koaxiale Bauteile“, bspw. koaxiale schlauchförmige Objekte, werden hier Bauteile verstanden, deren Längserstreckungsvektoren sich überdecken bzw. bzgl. Richtung und Lage identisch sind. Der Ausdruck verlangt nicht zwangsläufig, dass koaxiale Bauteile den gleichen Radius haben.
Die 1 zeigt exemplarisch eine als Elektromotor ausgebildete elektrische Maschine 100, wie sie im Stand der Technik bekannt ist. Es sei erwähnt, dass die elektrische Maschine 100 in ähnlichem Aufbau grundsätzlich auch als Generator betrieben werden kann. Weiterhin sei angemerkt, dass der Aufbau der im Folgenden beschriebenen Maschine 100 stark vereinfacht ist und desweiteren einige der im Zusammenhang mit den weiteren Figuren erläuterten Details nicht zeigt, sondern lediglich zur Veranschaulichung der grundsätzlichen Funktionsweise des Elektromotors 100 dient. Es kann als bekannt vorausgesetzt werden, dass je nach Ausbildung der elektrischen Maschine 100 als Generator oder als Elektromotor und/oder als bspw. Radial- oder Axialflussmaschine mit einem als Innen- oder auch als Außenläufer ausgebildeten Rotor etc. die verschiedenen Bauteile der Maschine 100 unterschiedlich angeordnet sein können.
Der Elektromotor 100 weist einen im Wesentlichen ringförmigen Stator 120 sowie einen hier als Innenläufer ausgebildeten, im Wesentlichen zylindrischen Rotor 110 auf, wobei der Rotor 110 innerhalb des Stators 120 angeordnet ist und im Betriebszustand des Elektromotors 100 um eine Rotationsachse rotiert. Der Rotor 110 bzw. sein im Wesentlichen zylindrischer Rotorgrundkörper 111 ist drehfest mit einer Welle 130 verbunden, so dass eine Rotation des Rotors 110 über die Welle 130 auf ein nicht dargestelltes anzutreibendes Bauteil, bspw. auf einen Propeller eines Flugzeugs o.ä., übertragbar ist.
Der Stator 120 weist erste magnetische Mittel 121 auf, die bspw. als Statorwicklungen 121 bzw. Spulen 121 realisiert sein können. Jede der Spulen 121 wird durch einen elektrischen Spulenleiter 122 gebildet (in 1 der Übersichtlichkeit wegen nicht mit Bezugszeichen gekennzeichnet). Die Spulenleiter 122 sind jeweils auf einen Statorzahn 123 des Stators 120 gewickelt und im Betriebszustand des Elektromotors 100 von einem elektrischen Strom durchflossen, so dass magnetische Felder erzeugt werden. Die Statorzähne 123 sind an einem Statorring 124 befestigt. Der Rotor 110 weist zweite magnetische Mittel 112 auf, die bspw. als Permanentmagnete oder als erregte bzw. erregbare Wicklungen ausgebildet sein können. Im Folgenden wird angenommen, dass es sich um Permanentmagnete 112 handelt.
Der Übersichtlichkeit wegen sind nur einige wenige erste und zweite magnetische Mittel 121, 112 sowie Statorzähne 123 mit Bezugszeichen versehen.
Die ersten und die zweiten magnetischen Mittel 121, 112 sind derart ausgebildet und durch einen Luftspalt voneinander beabstandet zueinander angeordnet, dass sie im Betriebszustand des Elektromotors 100 elektromagnetisch miteinander wechselwirken. Dieses Konzept einschließlich der Bedingungen für die Ausbildung und genaue Anordnung der magnetischen Mittel 112, 121 bzw. von Rotor 110 und Stator 120 sind an sich bekannt und werden daher im Folgenden nicht näher erläutert. Es sei lediglich erwähnt, dass zum Betreiben der elektrischen Maschine 100 als Elektromotor die Spulen 121 mit Hilfe einer nicht dargestellten Stromquelle mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden, der bewirkt, dass die Spulen 121 dementsprechende Magnetfelder erzeugen, welche mit den Magnetfeldern der Permanentmagnete 112 des Rotors 110 in elektromagnetische Wechselwirkung treten. Dies resultiert darin, dass ein Drehmoment auf den mit den Permanentmagneten 112 ausgestatteten Rotor 110 wirkt, welches sich unter der Voraussetzung, dass die Permanentmagnete 112 ausreichend fest mit dem Rotorgrundkörper 111 verbunden sind, darin äußert, dass bei geeigneter Ausbildung und Anordnung der genannten Bauteile zueinander der Rotor 110 und mit ihm die Welle 130 in Rotation versetzt werden.
Dieses Konzept der Ausbildung der elektrischen Maschine 100 als Elektromotor kann als bekannt vorausgesetzt werden. Auch die entsprechende Konfiguration und Verwendung der elektrischen Maschine 100 als Generator kann als bekannt vorausgesetzt werden. In dieser Konfiguration werden die Welle 130 und mit ihr der Rotor 110 durch einen Motor o.ä. angetrieben, so dass in die Spulen 121 elektrische Ströme induziert werden. Diese können an entsprechenden, nicht dargestellten elektrischen Kontakten der elektrischen Maschine 100 abgegriffen werden. Beide Ausbildungen der elektrischen Maschine 100 werden aufgrund der Bekanntheit der Konzepte im Folgenden nicht weiter detailliert.
Die 2 sowie auch die übrigen 3-6 zeigen jeweils einen dem in 1 mit „II“ bezeichneten Bereich entsprechenden Ausschnitt. Dort sind jeweils drei benachbarte Statorzähne 123-1, 123-2, 123-3 mit den darauf jeweils angeordneten Spulen 121-1, 121-2, 121-3 dargestellt. Dabei sind die Zähne 123-1 und 123-3 sowie die entsprechenden Spulen 121-1, 121-2, 121-3 nur zur Hälfte gezeigt. Die Spulen 121-i (mit i=1, 2, 3) sind aus Spulenleitern 122-i gebildet, welche in bekannter Weise auf den jeweiligen Statorzahn 123-i gewickelt sind. Die Statorzähne 123-i sind als Teil des Stators 120 aus einem metallischen Blechpaket 129 gebildet, so dass im Betriebszustand der elektrischen Maschine 100 die einleitend erläuterten Probleme aufgrund von Teilentladungen etc. auftreten können
Um diese Problematik zu adressieren, befindet sich zwischen der jeweiligen Spule 121-i und dem Statorzahn 123-i jeweils eine Isolieranordnung 150 zum Isolieren der jeweiligen Spule 121-i vom jeweiligen Zahn 123-i. Die gesamte Spulenanordnung 200 bestehend aus der jeweiligen Spule 121-i und der Isolieranordnung 150 ist desweiteren mit Hilfe eines Imprägnier- bzw. Vergussmittels 160 in an sich bekannter Weise vergossen, um Lufteinschlüsse zu vermeiden.
Die Isolieranordnung 150 ist in der in 2 dargestellten ersten Ausführung als Nutisolation ausgebildet. Die Nutisolation 150 ist folienartig bzw. flächig ausgebildet, erstreckt sich also prinzipiell, d.h. bspw. wenn sie noch nicht in die jeweilige Nut eingelegt ist, in zwei Raumrichtungen und weist in der dritten Raumrichtung eine vergleichsweise vernachlässigbare Erstreckung auf. Sie umfasst eine erste, elektrisch leitfähige Schicht 151 sowie eine zweite, elektrisch isolierende Schicht 152, wobei die erste Schicht 151 eine leitfähige Oberfläche darstellend auf die zweite Schicht 152 aufgebracht ist. Die zweite Schicht 152 kann bspw. aus einem Thermoplast bestehen. Dabei ist die Nutisolation 150 derart in dem Zwischenraum zwischen dem Zahn 123-i und der auf diesen Zahn 123-i gewickelten Spule 121-i angeordnet, dass die erste, elektrisch leitfähige Schicht 151 dem Zahn 123-i zugewandt ist und die zweite, elektrisch isolierende Schicht 152 der Spule 121-i zugewandt ist. Desweiteren ist die erste Schicht 151 über eine elektrische Verbindung 157 elektrisch mit dem Blechpaket 129 des Stators 120 verbunden, bspw. indem sie mit dem Statorzahn 123-i kontaktiert wird oder indem sie derart zwischen Spule 121-i und Zahn 123-i in die entsprechende Nut eingelegt wird, dass die leitfähige erste Schicht 151 der Nutisolation 150 an zumindest einer Stelle elektrischen Kontakt zum Blechpaket 129 herstellt, so dass sich an diesen beiden Komponenten 151 und 123-i bzw. 129 dasselbe elektrische Potential ausbildet. In der 2 sowie in den übrigen 3-6 ist diese Verbindung 157 lediglich schematisch angedeutet und exemplarisch direkt mit Masse 158 verbunden.
Dieses elektrische Kontaktieren und die damit verbundene Potentialformung verhindern das Auftreten einer elektrischen Spannung zwischen dem Blechpaket 129 bzw. dem Zahn 123-i und der ihm zugewandten Oberfläche der Isolieranordnung 150 und damit das Einsetzen von Teilentladungen in diesem Bereich.
Zum Herstellen eines solchen Stators 120 mit folienartiger Nutisolation 150 wird die Nutisolation 150 zunächst wie beschrieben in der Nut zwischen jeweils benachbarten Zähnen 123-i positioniert, so dass die leitfähige Oberfläche bzw. die erste Schicht 151 elektrischen Kontakt zum Blechpaket 129 hat. Anschließend erfolgt zur Bildung der Spule 121-i das Bewickeln des Zahns 123-i mit dem Spulenleiter 122-i und die abschließende Imprägnierung oder das Vergießen mit dem entsprechenden Mittel 160. Die Nutisolation 150 wird üblicherweise in axialer Richtung des Stators 120 noch über die Erstreckung der Zähne 123-i hinausgeführt, um die im Wickelkopfbereich notwendigen Luft- und Kriechstrecken sicher zu stellen. Hierbei sollte jedoch die erste Schicht 151 in dieser axialen Richtung nicht über die Nut bzw. die Zähne 123-i hinausstehen, sondern auf die entsprechende Erstreckung der Zähne 123-i beschränkt bleiben.
In einer zweiten Ausführung, welche in der 3 dargestellt ist, ist die Isolieranordnung 150 nicht mehr folienartig bzw. flächig ausgebildet, sondern schlauchförmig. Wie in der ersten Ausführung weist sie eine elektrisch leitfähige erste Schicht 151 auf, welche konsequenterweise als Teil der Isolieranordnung 150 ebenfalls schlauchförmig ausgebildet ist. Die Bedeutung des Begriffs „schlauchförmig“ wurde bereits einleitend erläutert. Letztlich erlaubt die schlauchförmige Ausbildung der Isolieranordnung 150, dass sie eine geschlossene Oberfläche um jede Windung 122-i-k mit k=1,2,3,... des jeweiligen Spulenleiters 122-i herum bildet, in welche der Spulenleiter 122-i eingelegt werden kann.
Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist der die jeweilige Spule 121-i bildende Spulenleiter 122-i in die erste Schicht 151 eingelegt. Die schlauchförmige erste Schicht 151 umgibt den Spulenleiter 122-i in dessen Umfangsrichtung vollständig, so dass dieser dementsprechend innerhalb der schlauchförmigen ersten Schicht 151 verläuft. Der Spulenleiter 122-i besteht seinerseits aus einem elektrisch leitfähigen Draht 122', welcher bspw. Als Rund- oder Flachdraht ausgebildet sein kann, sowie einer im Wesentlichen schlauchförmigen, den Draht 122' in bezüglich der Längserstreckung des Drahtes 122' in dessen Umfangsrichtung umgebenden und nicht elektrisch leitenden Drahtisolierung 122". Letztere kann bspw. aus einem Thermoplast bestehen.
Die Drahtisolierung 122" ist, realisiert durch die erste Schicht 151, mit einer leitfähigen Oberfläche versehen. Wie in der ersten Ausführung ist diese erste Schicht 151 mit dem Blechpaket 129 elektrisch verbunden, so dass das elektrische Potential an der Oberfläche 151 der Drahtisolierung 122" definiert dem des Blechpakets 129 entspricht. Es kann daher weder innerhalb der Nut, noch im Bereich der Wickelköpfe zu Teilentladungen kommen. Zudem tritt auch keine Potentialdifferenz zwischen den Oberflächen der Spulenleiter 122-i, 122-j bzw. den ersten Schichten 151 der Spulenleiter 122-i, 122-j der Spulen 121-i, 121-j benachbarter Zähne 123-i, 123-j auf (jeweils mit i≠j), da sämtliche Spulenleiter 122-i jeweils elektrisch mit dem Blechpaket 129 verbunden sind und demnach dasselbe Potential aufweisen. Demnach werden auch Teilentladungen zwischen den verschiedenen Windungen 122-i-k derselben Spule 122-i sowie zwischen den Windungen 122-i-k, 122-j-l benachbarter Spulen 122-i, 122-j mit k=1,2,3,... und l=1,2,3,... vermieden.
Die 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Isolieranordnung 150. Die nach wie vor schlauchförmige Isolieranordnung 150 umfasst wie in der zweiten Ausführungsform die bereits eingeführte elektrisch leitfähige, mit dem Blechpaket 129 wiederum über die Verbindung 157 verbundene und den jeweiligen Spulenleiter 122-i umgebende erste Schicht 151. Die elektrische Kontaktierung der ersten Schicht 151 zum Zahn 123-i bzw. zum Blechpaket 129 gilt für alle Windungen des Spulenleiters 122-i. Zusätzlich weist die Isolieranordnung 150 eine weitere elektrisch leitfähige Schicht 155 auf, welche ebenfalls schlauchförmig ausgebildet und zudem zwischen dem Draht 122' und der Drahtisolierung 122" den Draht 122' in bezüglich der Längserstreckung des Drahtes 122' tangentialer Richtung umgebend angeordnet ist, so dass der Draht 122' in seiner Längsrichtung innerhalb der weiteren Schicht 155 verläuft. Demnach sind die erste Schicht 151, die weitere Schicht 155 sowie die Drahtisolierung 122" und der Draht 122' selbst weitestgehend koaxial zueinander. Die weitere Schicht 155 und der Draht 122' sind dabei elektrisch miteinander verbunden bzw. in Kontakt, da die weitere Schicht 155 direkt auf der Drahtoberfläche liegt.
Zur Verdeutlichung der Funktionsweise insbesondere der dritten Ausführung zeigt die 5 den in 4 mit „V“ bezeichneten und dort mit gestrichelter Linie markierten Ausschnitt. Falls sich bspw. durch Alterung oder hohe mechanische Beanspruchung an einzelnen Stellen die Drahtisolation 122" vom Draht 122' abheben sollte, kann sich an der entsprechenden Stelle ein lokaler Lufteinschluss 170 bilden. Da die weitere Schicht 155 jedoch den Draht 122' vollständig umgebend angeordnet ist, bleibt der elektrische Kontakt zwischen Draht 122' und weiterer Schicht 155 sichergestellt, so dass die Funktion der Isolieranordnung 150 hinsichtlich des Vermeidens von Teilentladungen auch in diesem Fall gewährleistet ist. Mit anderen Worten kann also durch die zusätzliche leitfähige Oberfläche in Form der weiteren Schicht 155 zwischen der Drahtisolierung 122" und dem Draht 122' zusätzlich das Einsetzen von Teilentladungen durch Delamination der Drahtisolierung 122" vom Draht 122' verhindert werden.
Die 6 zeigt eine vierte Ausführungsform der Isolieranordnung 150. Zudem zeigt die 7 zur Verdeutlichung der vierten Ausführungsform den in 6 mit „VII“ bezeichneten und dort mit gestrichelter Linie markierten Ausschnitt. In diesem Fall umfasst die Isolieranordnung 150 die elektrisch leitfähige erste Schicht 151, eine elektrisch isolierende zweite Schicht 152, bspw. aus einem Thermoplast, sowie eine elektrisch leitfähige dritte Schicht 153. Die Isolieranordnung 150 sowie sämtliche ihrer Schichten 151, 152, 153 sind schlauchförmig und desweiteren koaxial zueinander angeordnet, wobei die isolierende zweite Schicht 152 innerhalb der leitfähigen ersten Schicht 151 und die leitfähige dritte Schicht 153 innerhalb der isolierenden zweiten Schicht 152 liegen. Der jeweilige Spulenleiter 122-i, der in diesem Fall keine eigene Drahtisolierung aufweist, sondern lediglich den Draht 122', ist innerhalb der dritten Schicht 153 angeordnet, so dass er in seiner Längsrichtung innerhalb der dritten Schicht 153 verläuft. Desweiteren ist der Draht 122' elektrisch mit der ihn umgebenden dritten Schicht 153 verbunden. Dies muss, wie in der 6 mit der Verbindung 156 symbolisiert, für jede Spulenwicklung 122-i an zumindest einer Stelle erfolgen, kann aber auch an mehreren Stellen realisiert sein. Im Unterschied zur dritten Ausführungsform der 4, 5 ist die leitfähige dritte Schicht 153 jedoch nicht zwangsläufig in direktem, vollflächigen Kontakt zum Draht 122'. Wie in 6 angedeutet, kann beim Herstellprozess auch Vergussmittel 160 in den Bereich zwischen der dritten Schicht 153 und dem Draht 122' gelangen.
Insbesondere hinsichtlich der in den 3-6 dargestellten zweiten bis vierten Ausführungsformen, bei denen die Isolieranordnung 150 jeweils schlauchförmig ausgeführt und den jeweiligen Spulenleiter 122-i auf verschiedene Art und Weise in dessen Umfangsrichtung vollständig umgibt, ist festzustellen, dass zwischen den einzelnen Windungen 122-i einer jeweiligen Spule 121-i sowie auch zwischen den Spulen 121-i bzw. deren Spulenleitern 122-i verschiedener Zähne 123-i im Bereich der Imprägnierung bzw. des Vergusses 160 keine elektrischen Felder mehr vom jeweiligen Spulenleiter 122-i ausgehen. Dementsprechend muss das Verguss- bzw. Imprägniermaterial 160 nicht mehr elektrisch isolierend ausgeführt sein. Das Material 160 wird daher mit Hilfe elektrisch leitfähiger Partikel angereichert, wodurch auch die thermische Leitfähigkeit des so veränderten Verguss- bzw. Imprägniermaterials 160 bedeutend gesteigert werden kann, einhergehend mit einer wesentlich verbesserten Entwärmung des Stators 120. Die Anreicherung des Verguss- bzw. Imprägniermaterials 160 mit leitfähigen Partikeln ist insbesondere dann sicherheitsunkritisch, wenn die Isolieranordnung 150 bzw. deren erste Schicht 151 so wie auch das Blechpaket 129 auf Masse liegen.
In der dritten sowie in der vierten Ausführungsform, welche in den 4-6 dargestellt sind, umfasst die Isolieranordnung 150 jeweils eine elektrisch isolierende Schicht 122" bzw. 152. Auf beiden Seiten dieser isolierenden Schicht 122" bzw. 152 ist jeweils eine elektrisch leitfähige Schicht 151, 155 bzw. 151, 153 angeordnet. Durch eine derartige beidseitige elektrisch leitfähige Beschichtung der isolierenden Schicht 122" bzw. 152 wird sowohl der Bereich zwischen Isolierung 122" bzw. 152 und Blechpaket 129, als auch derjenige zwischen Isolieranordnung 150 und Spulenleiter 122 teilentladungsfrei gehalten.
Zur Herstellung bzw. zum Aufbau des Stators 120 basierend auf einer der der zweiten bis vierten Ausführungsformen kann der derart isolierte Spulenleiter 122 vorgeformt und in die Nut eingeführt oder direkt auf den Zahn 123 gewickelt werden. Dadurch steht die an der jeweiligen Außenseite des Spulenleiters 122 befindliche elektrisch leitfähige erste Schicht 151 in Kontakt zum Blechpaket 129, so dass sich an der Oberfläche 151 der Isolierung und am Blechpaket 129 dasselbe Potential ausbildet.
Da die Oberfläche des isolierten Spulenleiters 122 keine Potentialdifferenz zur Umgebung mehr aufweist, sind kompakte Auslegungen des Stators 120 mit kurzen Wickelköpfen und ohne zusätzliche Luft- und Kriechstrecken möglich.
Die elektrische Kontaktierung an der Innenseite der Isolieranordnung 150 mit dem Draht 122' kann bspw. erfolgen, indem auf eine Drahtisolierung 122" gänzlich verzichtet wird, oder gesondert, wenn dies etwa bei gelitzten Drähten 122' nicht zweckmäßig ist. Dadurch wird auch innerhalb der Isolierung ein feldfreier Bereich und damit Schutz vor Teilentladungen erzielt.
Hinsichtlich der Herstellung der Isolieranordnung 150 selbst sei angemerkt, dass deren nicht elektrisch leitfähige Schicht 152 bzw. 122" bspw. aus einem Thermoplast hergestellt sein kann, bspw. aus PEEK. Im entsprechenden Extrusionsprozess kann dieses direkt auf die erste Schicht 151 appliziert werden. Lufteinschlüsse im Thermoplast können bei diesem Prozess auf wenige Mikrometer beschränkt werden. Idealerweise wird durch Koextrusion im selben Prozessschritt die nichtisolierende bzw. leitfähige erste Schicht 151 und ggf. auch die ebenfalls leitfähige dritte Schicht 153 auf der Ober- und/oder Unterseite der elektrisch isolierenden zweiten Schicht 152 aufgebracht. Dazu wird das Basismaterial der zweiten Schicht 152, d.h. bspw. der Thermoplast, an der entsprechenden Oberfläche mit leitfähigen oder auch nur halbleitfähigen Partikeln versetzt. In der Kunststoffschmelze verbindet sich diese (halb-)leitfähige Schicht 151 bzw. 153 mit der isolierenden Grundschicht 152 und verhindert Delaminationen, wie sie bei der Kombination verschiedener Werkstoffe üblicherweise auftreten können.
Eine stellenweise Beschädigung der leitfähigen Beschichtung 151 beim Einbringen in die Nut kann ggf. in Kauf genommen werden, solange die elektrische Feldverteilung im Betrieb der elektrischen Maschine 100 davon praktisch unbeeinflusst bleibt. Wird die Dicke der ersten Schicht 151 ausreichend groß gewählt, kann auf die Verwendung einer dedizierten Nutisolation verzichtet werden. Hierzu kann auch eine asymmetrische Schicht 151 im oben erwähnten Koextrusionsprozess aufgebracht werden, die nur in Richtung des Blechpakets 129 verstärkt, zwischen den Spulenleitern 122 aber möglichst gering ausgeführt wird.
Abschließend sei zum Einen angemerkt, dass die Darstellungen in den verschiedenen Figuren nicht unbedingt maßstabsgetreu sind. Teilweise wurde zur Verdeutlichung gewisser Merkmale Komponenten vergrößert dargestellt. Zum Anderen wurden der Übersichtlichkeit wegen in der Regel nicht sämtliche Komponenten bzw. Bauteile mit Bezugszeichen versehen, sondern nur eine weitestgehend willkürliche Auswahl solcher Bauteile. Dies betrifft bspw. die Spulenleiter 122 und deren Drähte 122' sowie Drahtisolierungen 122' und die ersten, zweiten, dritten und weiteren Schichten 151, 152, 153, 155 etc. gleiches gilt für die Windungen 122-i-k der Spulen 121-i bzw. der Spulenleiter 122-i, von denen jeweils nur die ersten drei mit Bezugszeichen 122-i-1, 122-i-2, 122-i-3 versehen wurden. Die entsprechende Nummerierung würde sich in gleicher Weise für die übrigen Windungen fortsetzen.

Claims

Spulenanordnung (121, 150), umfassend - eine aus einem elektrischen Spulenleiter (122, 122-i) gebildete Spule (121, 121-i), welche an einer elektrisch leitfähigen Komponente (123, 123-i, 129) insbesondere einer elektrischen Maschine (100) anzuordnen ist, und - eine Isolieranordnung (150) zum elektrischen Isolieren zumindest einer Windung (122-i-k; i=1,2,3; k=1,2,3,...) des Spulenleiters (122, 122-i) der Spule (121, 121-i) von einem elektrisch leitfähigen Gegenstand (122, 122-i, 122-i-k, 123, 123-i, 129) der elektrischen Maschine (100), wobei die Isolieranordnung (150) eine erste, elektrisch leitfähige Schicht (151) aufweist, welche zwischen der zu isolierenden Windung der Spule (121, 121-i) und dem elektrisch leitfähigen Gegenstand (122, 122-i, 122-i-k, 123, 123-i, 129) anzuordnen ist, wobei die erste Schicht (151) elektrisch mit der elektrisch leitfähigen Komponente (123, 123-i, 129) verbindbar ist.
Spulenanordnung (121, 150) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Gegenstand (122, 122-i, 122-i-k, 123, 123-i, 129) ein Blechpaket (129) eines Stators (120) oder eines Rotors (110) der elektrischen Maschine (100) und insbesondere ein Zahn (123, 123-i) des Stators (120) oder des Rotors (110) ist, auf dem die Spule (121, 121-i) anzuordnen ist, wobei die Isolieranordnung (150) eine flächig ausgebildete Nutisolation ist, welche zwischen der Spule (121, 121-i) und dem elektrisch leitfähigen Gegenstand (129) platziert ist, wobei die Nutisolation (150) die erste, elektrisch leitfähige Schicht (151) sowie eine zweite, elektrisch isolierende Schicht (152) aufweist, wobei die erste Schicht (151) eine leitfähige Oberfläche darstellend auf die zweite Schicht (152) aufgebracht ist.
Spulenanordnung (121, 150) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutisolation (150) derart zwischen der Spule (121, 121-i) und dem elektrisch leitfähigen Gegenstand (129) angeordnet ist, dass die erste Schicht (151) dem elektrisch leitfähigen Gegenstand (129) zugewandt ist und die zweite Schicht (152) der Spule (121, 121-i) zugewandt ist.
Spulenanordnung (121, 150) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einer axialen Richtung der Maschine (100) gesehen - die zweite Schicht (152) derart dimensioniert ist, dass sie über die axialen Enden des elektrisch leitfähigen Gegenstandes (129) hinaus ragt und - die erste Schicht (151) derart dimensioniert ist, dass sie nicht oder nicht wesentlich über die axiale Enden des elektrisch leitfähigen Gegenstandes (129) hinaus ragt.
Spulenanordnung (121, 150) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolieranordnung (150) und insbesondere zumindest die erste, elektrisch leitfähige Schicht (151) im Wesentlichen schlauchförmig ausgebildet ist und den elektrischen Spulenleiter (122, 122-i) umgibt, so dass der Spulenleiter (122, 122-i) in seiner Längsrichtung innerhalb der Isolieranordnung (150) und insbesondere zumindest innerhalb der ersten, elektrisch leitfähigen Schicht (151) verläuft.
Spulenanordnung (121, 150) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenleiter (122, 122-i) einen elektrisch leitfähigen Draht (122') sowie eine im Wesentlichen schlauchförmige, den Draht (122') umgebende und nicht elektrisch leitende Drahtisolierung (122") aufweist, wobei der Draht (122') in seiner Längsrichtung innerhalb der Drahtisolierung (122") verläuft und wobei die schlauchförmige erste, elektrisch leitfähige Schicht (151) der Isolieranordnung (150) zwischen dem Draht (122') und der Drahtisolierung (122'') den Draht (122') umgebend angeordnet ist, so dass der Draht (122') in seiner Längsrichtung innerhalb der ersten Schicht (151) verläuft und elektrisch mit der ersten Schicht (151) verbunden ist.
Spulenanordnung (121, 150) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenleiter (122, 122-i) einen elektrisch leitfähigen Draht (122') sowie eine im Wesentlichen schlauchförmige, den Draht (122')umgebende und nicht elektrisch leitende Drahtisolierung (122") aufweist, wobei der Draht (122') in seiner Längsrichtung innerhalb der Drahtisolierung (122") verläuft und wobei die schlauchförmige erste, elektrisch leitfähige Schicht (151) der Isolieranordnung (150) die Drahtisolierung (122") umgibt.
Spulenanordnung (121, 150) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere elektrisch leitfähige Schicht (155) vorgesehen ist, wobei die weitere elektrisch leitfähige Schicht (155) schlauchförmig ausgebildet und zwischen dem Draht (122') und der Drahtisolierung (122") den Draht (122') umgebend angeordnet ist, so dass der Draht (122') in seiner Längsrichtung innerhalb der weiteren Schicht (155) verläuft und elektrisch mit der weiteren Schicht (155) verbunden ist.
Spulenanordnung (121, 150) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolieranordnung (150) aufweist - eine zweite, elektrisch isolierende Schicht (152) sowie - eine dritte, elektrisch leitfähige Schicht (153), wobei - die erste (151), die zweite (152) und die dritte Schicht (153) jeweils schlauchförmig und koaxial zueinander angeordnet sind und - die zweite Schicht (152) innerhalb der ersten Schicht (151), - die dritte Schicht (153) innerhalb der zweiten Schicht (152) und - der Spulenleiter (122, 122-i) innerhalb der dritten Schicht (153) angeordnet ist, so dass er in seiner Längsrichtung innerhalb der dritten Schicht (153) verläuft, und elektrisch mit der dritten Schicht (153) verbunden ist.
Spulenanordnung (121, 150) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Gegenstand (122, 122-i, 122-i-k, 123, 123-i, 129), von dem die zumindest eine einer Windung (122-i-k) des Spulenleiters (122, 122-i) der Spule (121, 121-i) zu isolieren ist, eine weitere Windung (122-i-l mit k≠l) desselben Spulenleiters oder eine weitere Windung (122-j-m mit j≠i und m=1,2,3,...) eines Spulenleiters (122, 122-j) einer weiteren Spule (121-j) der elektrischen Maschine (100) ist.
Spulenanordnung (121, 150) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (121, 150) mit einem Vergussmittel (160) vergossen ist, wobei das Vergussmittel (160) elektrisch leitfähige Partikel aufweist.
Spulenanordnung (121, 150) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (151) und die elektrisch leitfähige Komponente (123, 123-i, 129) auf Masse gelegt sind.
Spulenanordnung (121, 150) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige elektrisch isolierende Schicht (152, 122") aus einem Thermoplast hergestellt ist.
Verfahren zum elektrischen Isolieren zumindest einer Windung (122-i-k; i=1,2,3; k=1,2,3,...) eines Spulenleiters (122, 122-i) einer Spule (121, 121-i) einer elektrischen Maschine (100) von einem elektrisch leitfähigen Gegenstand (122, 122-i, 122-i-k, 123, 123-i, 129) der elektrischen Maschine (100) mit Hilfe einer Isolieranordnung (150), insbesondere von einem Zahn der elektrischen Maschine, wobei die Isolieranordnung (150) eine flächig ausgebildete Nutisolation ist, wobei - in einem ersten Schritt eine erste, elektrisch leitfähige Schicht (151) der Isolieranordnung (150) und eine zweite, elektrisch isolierende Schicht (152) der Isolieranordnung (150) aufeinander aufgebracht werden, - in einem zweiten Schritt die so gebildete flächige Nutisolation (150) derart in einem Raumbereich zwischen dem ersten Zahn (123-i) und einem zum ersten Zahn (123-i) benachharten Zahn (123-j) der elektrischen Maschine (100) platziert wird, dass die erste Schicht (151) in elektrischen Kontakt mit der elektrisch leitfähigen Komponente (129) der elektrischen Maschine (100) tritt, - in einem dritten Schritt auf jeden Zahn (123-i), welcher in elektrischem Kontakt mit der Nutisolation (150) ist, jeweils ein die jeweilige Spule (121, 121-i) bildender Spulenleiter (122, 122-i) gewickelt wird, so dass die Nutisolation (150) zwischen dem ersten Zahn (123-i) und dem auf diesen ersten Zahn (123-i) gewickelten Spulenleiter (122, 122-i) liegt.
Verfahren zum elektrischen Isolieren zumindest einer Windung (122-i-k; i=1,2,3; k=1,2,3,...) eines Spulenleiters (122, 122-i) einer Spule (121, 121-i) einer elektrischen Maschine (100) von einem elektrisch leitfähigen Gegenstand (122, 122-i, 122-i-k, 123, 123-i, 129) der elektrischen Maschine (100) mit Hilfe einer schlauchförmigen Isolieranordnung (150), wobei - in einem ersten Schritt zumindest eine erste, elektrisch leitfähige Schicht (151) der Isolieranordnung (150) und eine zweite, elektrisch isolierende Schicht (152) der Isolieranordnung (150) aufeinander aufgebracht werden, - in einem zweiten Schritt der Spulenleiter (122, 122-i) derart in die Isolieranordnung (150) eingelegt und die Isolieranordnung (150) zu einem schlauchförmigen Gebilde geformt wird, dass die Isolieranordnung (150) den elektrischen Spulenleiter (122, 122-i) umgibt, so dass der Spulenleiter (122, 122-i) in seiner Längsrichtung innerhalb der Isolieranordnung (150) verläuft, wobei die zweite Schicht (152) innerhalb der ersten Schicht (151) und der Spulenleiter (122, 122-i) innerhalb der zweiten Schicht (152) angeordnet sind, - in einem dritten Schritt der so aufgebaute Spulenleiter (122, 122-i) mit der ihn umgebenden Isolieranordnung (150) zur Spule (121-i) gewickelt und die erste Schicht (151) in elektrischen Kontakt mit einer elektrisch leitfähigen Komponente (123, 123-i, 129) der elektrischen Maschine (100) gebracht wird.