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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spulenelement für eine elektrische Maschine mit einer verteilten Wicklung sowie eine elektrische Maschine mit einer entsprechenden Wicklung.
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Im Stand der Technik ist beispielsweise aus
DE 10 2014 223 202 A1 bekannt, dass bei einer elektrischen Maschine verteilte Wicklungen mit mehreren sich über den Umfang verteilten Strängen aus Leiter vorgesehen werden.
Ein weiteres Beispiel für den Stand der Technik ist in
WO 2007/146252 gezeigt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung ein Spulenelement, welches den benötigten Bauraum, insbesondere in axialer Richtung, möglichst geringhält. Eine weitere Aufgabe ist ein Wickelschema, welches einfach und schnell herzustellen ist sowie einen Betrieb der elektrischen Maschine mit hoher Leistung und geringen Verlusten ermöglicht.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Spulenelement sowie einer Wellenwicklung und einer elektrischen Maschine gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist ein Spulenelement für eine Spule einer elektrischen Maschine umfassend mindestens zwei parallel verlaufenden Leiterelemente zu Anordnung in Nuten eines Spulenkörpers und mindestens einem Verbindungsabschnitt der die beiden Leiterelemente miteinander verbindet, wobei die Leiterelemente und der Verbindungsabschnitt einteilig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass nur an einem Übergang von einem Leiterelement zu dem Verbindungsabschnitt eine Biegestelle in einer von den beiden Leiterelementen aufgespannten Ebene vorgesehen ist, und dass der Verbindungsabschnitt geradlinig verläuft.
Für Spule einer elektrischen Maschine, insbesondere mit einer verteilten Wicklung, werden Spulenstränge verwendet, welche aus einem oder mehreren Spulenelementen aus einem Stück eines elektrisch leitenden Materials, beispielsweise Kupferdraht insbesondere mit rechteckigem Querschnitt, gebildet werden. Verbreitet sind hierbei Spulenelemente als sogenannte Hairpins, welche in ihrer Ausgangsform aus zwei parallel verlaufenden Leiterelementen und einem die Leiterelemente verbindenden Wendebereich bestehen. Alternativ sind auch wellenförmige Spulenelemente möglich, welche eine Vielzahl parallel verlaufender Leiterelemente aufweisen, wobei jeweils zwei Leiterelemente über einen Wendebereich miteinander verbunden sind. Im Weiteren sind mit den Begriffen Hairpin, wellenförmiger Leiter beziehungsweise Wellenleiter ebenfalls Spulenelemente im Sinne der Anmeldung umfasst. Die Leiterelemente werden lagenweise in über den Umfang verteilten, in axialer Richtung verlaufenden Nuten eines Spulenkörpers eingebracht, um die Wicklung zu bilden.
Der Wendbereich umfasst jeweils einen sich an den Leiterelementen anschließenden Übergang, bei dem durch eine Biegestelle das leitende Material in Richtung des jeweils anderen Leiterelements gebogen ist. Die Übergänge sind durch einen in radialer Richtung betrachtet geradlinig verlaufenden Verbindungsabschnitt einteilig verbunden. Durch den geradlinigen Verlauf kann der benötigte axiale Bauraum für den Spulenkopf reduziert werden und somit eine kompakte Bauform erreicht werden.
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Ausführungsformen eines Spulenelements sind dadurch gekennzeichnet, dass die Biegestelle im Übergang in zwei durch einen geraden Zwischenabschnitt verbundene Teilbiegestellen aufgeteilt ist. Um den Biegewinkel pro Biegestelle zu verringert und damit auch die Belastung einer gegebenenfalls am leitenden Material vorgesehen isolierenden Beschichtung beziehungsweise die Gefahr deren Beschädigung zu verringern, ist die Biegestelle in mehrere Teilbiegestellen aufgeteilt. Die Teilbiegestellen sind vorteilhafterweise durch gerade Zwischenabschnitte verbunden, um die durch die Biegung belasteten Bereich der isolierenden Beschichtung zu beabstanden.
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Spulenelemente gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass am Verbindungsabschnitt zwei weitere Biegestellen in einer Ebene, welche senkrecht zu der von den Leiterelementen aufgespannten Ebene verläuft, aufweist, und dass die weiteren Biegestellen in gegenläufige Richtungen gebogen sind. Die Leiterelemente werden bei Hairpins in unterschiedlichen Lagen beziehungsweise bei Wellenleiter wechselweise in unterschiedlichen Lagen der Nuten angeordnet. Damit die Wendebereiche in axialer Richtung betrachtet über den Umfang des Spulenkopf aneinander vorbei geführt werden können, ist im Verbindungsabschnitt ein S-förmiger Verlauf mit zwei gegenläufigen Biegestellen vorgesehen. Aufgrund des S-förmigen Verlaufs können die Verbindungsbereich besser in radialer Richtung nebeneinander angeordnet werden, wodurch axialer Bauraum eingespart wird.
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Weitere Ausführungsformen der Spulenelemente sind dadurch gekennzeichnet, dass die beiden weiteren Biegestellen den Verbindungsabschnitt in mehrere Bereiche teilen und zwei der Bereiche parallel verlaufen. In axialer Richtung betrachtet können die weiteren Biegestellen mit einem relativ großen Radius vorgesehen sein und direkt ineinander übergehen. Vorteilhafterweise teilen die weiteren Biegestellen den Verbindungsabschnitt allerdings in zwei in axialer Richtung betrachtet geradlinig verlaufenden Bereiche, welche parallel zueinander verlaufen.
Gegebenenfalls kann zwischen den weiteren Biegestellen ein weiterer gerader Bereich vorgesehen sein.
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Spulenelement gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt oder zumindest ein durch Biegestellen begrenzter Bereich des Verbindungsabschnitts in einer senkrecht zu den Leiterelementen verlaufenden Ebene gebogen verläuft. Alternativ oder zusätzlich zu einem S-förmigen Verlauf mit weiteren Biegestellen, ist es ebenfalls möglich, dass der Verbindungsabschnitt oder Bereiche des Verbindungsabschnitts in einer senkrecht zu den Leiterelementen verlaufenden, also einer radialen, Ebene gebogen verlaufen. Auch hiermit kann die Anordnung der Wendebereiche in radialer Richtung verbessert und somit axialer Bauraum eingespart werden.
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Ausführungsformen von Spulenelementen sind dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt in einer senkrecht zu den Leiterelementen verlaufenden Ebene liegt. Indem der Verbindungsabschnitt parallel zu dem axialen Ende des Spulenkörpers angeordnet wird, kann ebenfalls der benötigte Bauraum in axialer Richtung geringgehalten werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Wellenwicklung für eine elektrische Maschine mit zumindest einem Spulenelement gemäß der Beschreibung. Hiermit können die beschriebenen Vorteile für die Wellenwicklung genutzt werden. Die Wellenwicklung kann hierbei aus mehreren Spulensträngen bestehen, welche jeweils wiederum aus mehreren, miteinander elektrisch leitend verbundenen, Spulenelementen, wie Hairpins, zusammengesetzt sind, oder jeweils einen oder mehrere Wellenleitern umfassen.
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Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei unterschiedliche Spulenelemente vorgesehen sind, welche mit ihren Verbindungsabschnitten in axialer Richtung unterschiedlich weit über den Spulenkörper vorstehen, und dass zumindest die weiter über den Spulenkörper vorstehenden Spulenelemente zumindest teilweise als Spulenelemente gemäß der Beschreibung ausgebildet sind. Insbesondere bei axial weiter über den Spulenkörper vorstehenden Wendebereichen ist durch erfindungsgemäße Spulenelemente eine Reduzierung des benötigten axialen Bauraums erreichbar.
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Wellenwicklung sind gemäß Ausführungsformen dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Phasen und eine Lochzahl q von zumindest drei vorgesehen ist, dass die Wellenwicklung einen Standard-Wickelschritt WS von WS = q*m aufweist, wobei q der Lochzahl und m der Anzahl der Phasen entspricht, dass zumindest eine der Lochzahl q entsprechende Anzahl an Spulensträngen parallel geschalten vorgesehen sind, wobei die Spulenstränge jeweils zumindest ein Spulenelement mit zumindest einem Wendebereich W umfasst, wobei der Wendebereich W den Verbindungsabschnitt und die benachbarten Übergänge beinhaltet, dass zwei unterschiedliche Varianten von Spulenelementen vorgesehen sind, dass bei einer ersten Variante der Spulenelemente der Wendebereich W zwischen den Leiterelementen einen verkürzten Wickelschritt WK aufweist, dass bei einer zweite Variante der Spulenelemente der Wendebereich W einen verlängerten Wickelschritt WL aufweist, und dass zumindest die zweite Variante durch Spulenelemente gemäß der Beschreibung ausgebildet ist.
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Die Erfindung umfasst somit eine Wellenwicklung, welche eine verteilte Wicklung darstellt, bei der die Spulen der Wicklung jeweils über den Umfang der elektrischen Maschine verteilt sind. Die elektrische Maschine weist zumindest eine Phase auf, wobei auch mehrere Phasen, insbesondere drei Phasen, vorgesehen sein können. Es ist eine festgelegte Anzahl von magnetischen Pole vorgesehen, die über einen Umfang der elektrischen Maschine verteilt sind, diese Anzahl entspricht der Polzahl und ist geradzahlig, da jeweils eine gleiche Anzahl von magnetischen Nord- und Südpolen vorliegt. Entweder der Rotor, der Stator oder Rotor und Stator der elektrischen Maschine weisen Nuten für die Aufnahme der Wellenwicklung auf. Pro Phase können auch mehrere Spulenstränge parallel geschalten vorgesehen sein. Bevorzugt weist die elektrische Maschine eine Lochzahl von mindestens drei auf, was bedeutet, dass pro Pol eine der Lochzahl entsprechende Anzahl in Umfangsrichtung benachbarter Nuten vorgesehen ist. Die Spulenstränge weisen an Ihren beiden Enden jeweils einen Anschlusspin auf und sind jeweils in mehrere in Reihe geschaltene Teilstränge aufgeteilt. Jeder Teilstrang weist dabei eine der Polzahl der elektrischen Maschine entsprechende Mehrzahl von Leiterelementen auf und erstreckt sich somit einmal um den Umfang. Zwei benachbarte Leiterelemente sind jeweils durch einen Wendebereich miteinander zu einem Hairpin verbunden. Die Leiterelemente sind in Lagen in den Nuten aufgenommen und jeweils zwei in radialer Richtung benachbarte Lagen bilden eine Doppellage, wobei vorzugsweise die Leiterelemente eines Teilstrangs in einer Doppellage angeordnet sind.
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Jeder Hairpin weist an seinen freien Enden Kontaktbereiche auf. Der Wendebereich ist jeweils vorzugsweise einteilig mit den Leiterelementen ausgebildet. Um benachbarte Hairpins miteinander zu verbinden ist der Kontaktbereich als Kontaktpin ausgeführt, welcher zur elektrisch leitfähigen Verbindung, zum Beispiel Verschweißen mit einem entsprechenden Kontaktpin eines benachbarten Hairpins des Spulenstrangs verbunden wird. Der Kontaktbereich kann auch als Anschlusspin ausgeführt sein, welcher zum Anschluss des Spulenstrangs, genauer der beiden Enden eines Spulenstrangs, an eine Leistungselektronik zur Steuerung der elektrischen Maschine ausgebildet ist. Vorteilhaft weisen Kontaktpins und Anschlusspins eine gleiche geometrische Ausbildung auf, wodurch die Anzahl unterschiedlicher Teile reduziert wird, was die Kosten und den Montageaufwand verringert, wobei auch unterschiedliche Geometrien möglich sind, um beispielsweise die Anbindung an die Leistungselektronik zu erleichtern.
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Wellenwicklungen gemäß der Erfindung weisen zwei unterschiedliche Varianten von Hairpins auf. Hierfür weist bei einer ersten Variante der Hairpins der Wendebereich zwischen den Leiterelementen einen verkürzten Wickelschritt WK auf. Der verkürzte Wickelschritt WK ist dabei um eins kleiner als ein theoretischer Standard-Wickelschritt WS, welcher den Abstand zwischen den Nuten der Leiterelemente auf den theoretischen Wert aus dem Produkt aus der Lochzahl und der Anzahl Phasen darstellt, bei dem pro Pol stets die gleiche Nutposition, beispielsweise rechts, Mitte oder links bei einer Lochzahl von drei, belegt wird. Durch den verkürzten Wickelschritt WK wird ein Wechsel zwischen den Nuten erreicht. Aufgrund des Zusammenhangs WK = WS - 1, wobei WK den verkürzten Wickelschritt und WS den Standard-Wickelschritt darstellt, erfolgt durch die erste Variante von Hairpins ein Wechsel der Leiterelemente eines Teilstrangs zwischen benachbarten Nuten der aufeinanderfolgenden, über den Wendebereich des Hairpins verbundenen, Pole. Es erfolgt somit abhängig von der Blickrichtung und einer Lochzahl von drei ein Wechsel von einer rechten auf eine mittlere beziehungsweise von einer mittleren auf eine linke Nut.
Es sind daher ebenfalls Hairpins in einer zweiten Variante vorgesehen, wobei die Hairpins der zweiten Variante einen verlängerten Wickelschritt WL aufweisen, der um den Wert der Lochzahl q größer als der verkürzte Wickelschritt WK ist. Der verlängerte Wickelschritt WL kann auch mit der Formel WL = WK + q dargestellt werden, wobei q den Wert der Lochzahl, WL den verlängerten Wickelschritt der zweiten Variante von Hairpins und WK den verkürzten Wickelschritt der ersten Variante von Hairpins darstellt. Durch diese Hairpins mit einem verlängertem Wickelschritt WL wird zwischen den äußeren Nutpositionen aufeinanderfolgender Leiterelemente gewechselt, von der linken auf die rechten Nut, wobei die Bezeichnungen links und rechts hierbei von der Blickrichtung abhängig sind.
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Beiden Varianten ist gemein, dass die Kontaktbereiche jeweils um den halben Standard-Wickelschritt WS in dem Wendebereich entgegengesetzter Richtung umgeformt sind, um zwischen miteinander verbundenen Leiterelementen benachbarter Hairpins den Standard-Wickelschritt WS zu erreichen. Anders ausgedrückt, weisen erfindungsgemäße Wellenwicklungen auf der axialen Seite der Kontaktbereiche für alle Lagen einen einheitlichen Wickelschritt auf, wodurch die Herstellung sowie die Verbindung, zum Beispiel durch Schweißen, der entsprechenden Kontaktbereiche miteinander vereinfacht wird. Die Umformung erfolgt dabei pro Lage abwechselnd in entgegengesetzte Umfangsrichtung, da die Leiterelemente jedes Hairpins in unterschiedlichen Lagen einer Doppellage angeordnet sind.
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Weitere Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass das Spulenelement mehrere Wendebereiche W aufweist, wobei sowohl Wendebereiche W mit verkürztem Wickelschritt WK als auch mit verlängertem Wickelschritt WL vorgesehen sind. Werden Wellenleiter verwendet, weisen die Spulenelemente mehrere Wendebereiche W an beiden axialen Enden des Spulenkörpers auf. Um ein gewünschtes Wickelschema zur Erreichen sind daher an einem Wellenleiter als Spulenelement Wendebereiche W mit zumindest teilweise unterschiedlichen Wickelschritten vorgesehen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass sich entlang des Spulenelements Wendebereiche W mit verlängertem Wickelschritt WL und verkürztem Wickelschritt WK jeweils mit einem Wendebereich mit einem Standard-Wickelschritt WS abwechseln, und dass mehr, vorzugsweise doppelt so viele, Wendebereiche W mit verkürztem Wickelschritt WK als mit verlängertem Wickelschritt WL vorgesehen sind. Zur Ausbildung eines gewünschten Wickelschemas, zum Beispiel analog zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen mit Hairpins, sind vorteilhafterweise immer Wendebereiche mit einem Standard-Wickelschritt WS wechselweise mit anderen Wickelschritten vorgesehen, wodurch diese auf einer axialen Seite des Spulenkörpers liegen. Da mehr Hairpins der ersten Variante als der zweiten Variante benötigt werden, sind bei der Verwendung von Wellenleiter entsprechend mehr Wendebereiche mit verkürztem Wickelschritt WK als mit verlängertem Wickelschritt WL vorgesehen. Für eine bevorzugte Lochzahl von drei wären entsprechend doppelt so viele Wendebereiche W mit verkürztem Wickelschritt WK wie Wendebereiche W mit verlängertem Wickelschritt WL vorgesehen.
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Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass der Wendebereich W der Hairpins mit verlängertem Wickelschritt WL axial weiter über einen Spulenkörper vorsteht als der Wendebereich W der Hairpins mit einem verkürzten Wickelschritt WK. Die Wendebereiche der Hairpins verbinden die Leiterelemente in den Nuten des Spulenkörpers an einem axialen Ende des Spulenkörpers. Die Wendebereiche der Hairpins mit verkürztem Wickelschritt können dabei nebeneinander angeordnet werden und mit einer gleichen, vorzugsweise geringen, Höhe ausgeführt werden. Die Wendebereiche der Hairpins mit einem verlängerten Wickelschritt stehen axial weiter über den Spulenkörper vor und überspannen die Wendebereiche mit einem verkürzten Wickelschritt.
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Wellenwicklungen gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass pro Teilstrang mindestens ein Hairpin mit verlängertem Wickelschritt WL und mindestens zwei Hairpins mit einem verkürzten Wickelschritt WK vorgesehen sind.
Aus Gründen der vorteilhaften Symmetrie weist jeder Teilstrang im Durchschnitt einen Abstand zwischen den Leiterelementen auf, welcher dem Standard-Wickelschritt entspricht. Hierfür sind für jeden Hairpin mit einem verlängerten Wickelschritt eine der Lochzahl minus eins entsprechende Anzahl von Hairpins mit verkürztem Wickelschritt vorgesehen. Die Anzahl der Hairpins erfüllen somit vorzugsweise das Gleichungsverhältnis n = m * (q - 1), wobei n die Anzahl der Hairpins einer ersten Variante mit verkürztem Wickelschritt, m die Anzahl der Hairpins einer zweiten Variante mit verlängertem Wickelschritt und q die Lochzahl darstellt.
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Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass pro Teilstrang zusätzlich zumindest ein Hairpin einer dritten Variante vorgesehen ist, welcher einen Wendebereich W mit einem Standard-Wickelschritt WS aufweist. Hierdurch können konstruktionsabhängig auch längere Teilstränge bereitgestellt werden, bei denen der Durchschnittliche Wickelschritt dem Standard-Wickelschritt entspricht.
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Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterelemente pro Teilstrang gleich oft jede der Lochzahl zugehörigen Nuten durchlaufen. Hierdurch wird für die Spulenstränge ein hoher Symmetriegrad erreicht, welcher unter anderem hinsichtlich reduzierten Verlusten vorteilhaft ist.
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Für den Fall, dass Hairpins einer dritten Variante vorgesehen sind, sind diese mit einer der Lochzahl entsprechenden Anzahl, oder einem Vielfachen davon, vorgesehen und vorzugsweise jeweils zwischen den Hairpins der ersten und zweiten Variante angeordnet.
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Wellenwicklungen gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass ein ganzahliges Vielfaches von parallel geschalteten Spulensträngen vorgesehen sind. Spulen weisen vorteilhafterweise mehrere parallele Stränge auf. Pro Phase sind vorzugsweise jeweils gleich viele parallele Stränge vorgesehen, weshalb ein ganzzahliges Vielfaches der Phasenzahl an parallelen Strängen vorgesehen ist.
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Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusspins der parallelen Spulenstränge jeweils im gleichen Pol angeordnet sind. Durch die Anordnung im gleichen Pol kann der Aufwand für eine Verschaltung der Spulenstränge vereinfacht und kleiner ausgeführt werden. Somit kann Bauraum eingespart werden.
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Wellenwicklungen gemäß Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Anschlusspins eines Spulenstrangs in der gleichen Lage angeordnet sind. Bauraum kann ebenfalls eingespart werden, wenn beide Anschlusspins eines Spulenstrangs in eine gleichen, vorzugsweise äußeren, Lage angeordnet sind, da hierdurch die Verschaltung kleiner ausgeführt beziehungsweise nur von einer Seite angeordnet werden kann oder die Anschlusspins einfach in radialer Richtung umformbar sind.
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Alternative Ausführungsformen von Wellenwicklungen sind dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Anschlusspins eines Spulenstrangs in direkt benachbarten Lagen einer Doppellage angeordnet sind. Abgesehen von der Umformbarkeit in radialer Richtung weisen diese Ausführungsformen die gleichen Vorteile auf, wie die vorgenannten mit einer Anordnung in einer Lage.
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Weiter alternative Ausführungsformen einer Wellenwicklung sind dadurch gekennzeichnet, dass jeweils einer der beiden Anschlusspins eines Spulenstrangs in der radial inneren Lage und in der radial äußeren Lage angeordnet ist. Durch eine derartige Anordnung ist ebenfalls eine leichte Zugänglichkeit der Anschlusspins gegeben und es ist gegebenenfalls ausreichend, dass die Spulenstränge den Spulenkörper in radialer Richtung nur einmal durchlaufen.
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Ausführungsformen von Wellenwicklungen sind dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil jedes Spulenstrangs, welcher mindestens einen Teilstrang umfasst, in Umfangsrichtung entgegengesetzter Richtung gewickelt ist, dass der Wechsel der Richtung der Wicklung zwischen den Teilsträngen in einer in radialer Richtung äußeren Lage erfolgt, dass die Verbindung zwischen den Teilen des Spulenstrangs mit unterschiedlicher Richtung der Wicklung durch ein Brückenelement oder einen in radialer Richtung sowie entgegengesetzter Umfangsrichtung verformten Kontaktbereich K gebildet ist, welche mit den Kontaktbereichen K der Hairpins elektrisch leitend verbunden sind.
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Durch die Umkehr der Richtung der Wicklung werden die Verluste weiter reduziert, da eine höhere Symmetrie der Wellenwicklung erreicht wird.
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Durch die Verwendung von Brückenelementen kann die einheitliche Verformung der Kontaktbereiche der Hairpins aufrechterhalten werden, was die Herstellung vereinfacht und gleichzeitig eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den entsprechenden Teilsträngen erreicht werden. Durch das Brückenelement kann einfach eine Verbindung über einen benötigen Umfangsbereich erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass abhängig vom zur Verfügung stehenden Bauraum für die elektrische Maschine das Brückenelement entweder mit axialer oder besonders bevorzugt mit radialer Ausrichtung angeordnet ist.
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Alternativ kann anstatt eines Brückenelements auch einer der entsprechenden Kontaktbereiche radial nach außen und in entgegengesetzter Umfangsrichtung verformt werden, um eine direkte Verbindung zwischen den Kontaktbereichen zu erreichen.
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Hierdurch wird der Umformprozess der Kontaktbereiche zwar etwas aufwendiger, jedoch entfallen die Brückenelemente sowie deren Positionierung.
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Weitere Gegenstände der Erfindung sind ein Stator oder ein Rotor für eine elektrische Maschine, welcher dadurch gekennzeichnet, dass der Stator mit einer Wellenwicklung gemäß der vorangegangenen Beschreibung versehen ist sowie eine elektrische Maschine, bei der eine Wellenwicklung nach der obigen Beschreibung vorgesehen ist.
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Die Merkmale der Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Gleiche oder ähnliche Elemente werden mit einheitlichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1a & 1 b zeigen jeweils ein Teil eines Spulenelements in radialer Richtung gesehen.
- 2a & 2b zeigen jeweils ein Teil eines Spulenelements in axialer Richtung gesehen.
- 3 zeigt einen Vergleich verschiedener Wendebereiche nebeneinander.
- 4 stellt eine Spule mit einer Wellenwicklung in einer perspektivischen Ansicht dar.
- 5 zeigt ein Beispiel für ein Wickelschema für einen Spulenstrang.
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1a und 1b zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel eines Spulenelements (6), wobei lediglich ein Wendebereich W mit angrenzenden Leiterelementen (10) gezeigt ist. Wird das Spulenelement (6) als Hairpin ausgeführt schließen sich an die Leiterelemente (10) nicht dargestellte Kontaktberieche K an, wird das Spulenelement (6) als Wellenleiter ausgeführt, schließen sich an die Leiterelemente (10) entsprechend jeweils ein weiterer Wendebereich W oder ein Anschlusspin (5) an.
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Sowohl in 1a als auch in 1b sind jeweils zwei parallel verlaufenden Leiterelemente (10) gezeigt, welche über einen Wendebereich W verbunden sind. Der Wendebereich W umfasst jeweils einen an die Leiterelemente (10) angrenzenden Übergang (9) sowie einen zwischen den Übergängen (9) angeordneten Verbindungsabschnitt (8). Im Übergang (9) ist jeweils eine Biegestelle (11, 11') vorgesehen. Der Verbindungsabschnitt (8) verläuft in der dargestellten Ebene, die ebenfalls durch die parallel verlaufenden Leiterelemente (10) aufgespannt wird, geradlinig.
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Bei dem in 1a dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Übergänge (9) jeweils zwei Teilbiegestellen (11') auf, welche zusammen die Biegestelle (11) bilden, sowie einen dazwischenliegenden geraden Abschnitt auf.
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Bei 1b hingegen wird der Übergang (9) durch eine kontinuierlich verlaufende Biegestelle (11) gebildet.
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2a und 2b zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel eines Spulenelements (6), aus einer axialen Richtung gesehen, womit die dargestellte Ebene senkrecht zu den Leiterelementen (10) verläuft.
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Auch 2a und 2b zeigen einen prinzipiell gleichen Aufbau, wobei ebenfalls nur der Wendebereich W dargestellt ist. An den Verbindungsabschnitt (8) schließt sich an beiden Enden ein Übergang (9) an. Im Verbindungsabschnitt (8) sind zwei weitere Biegestellen (12) vorgesehen, welche gegenläufig gebogen sind. Durch die weiteren Biegestellen (12) wird ein Versatz im Verbindungsabschnitt (8) erreicht, mit welchem beispielsweise der Wechsel der Leiterelemente (10) zwischen verschiedenen Lagen der Nuten (3) vereinfacht wird. Die weiteren Biegestellen (12) teilen den Verbindungsabschnitt in zwei parallel verlaufende Bereiche. Es sind auch Ausführungen möglich, bei denen die weiteren Biegestellen (12) nicht direkt aufeinander folgen, sondern durch einen weiteren Bereich des Verbindungsabschnitts (8) voneinander getrennt sind, wodurch ein größerer Versatz erreichbar ist.
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Bei 2a verlaufen die Übergänge (9) sowie der Verbindungsabschnitt (8), abgesehen von den weiteren Biegestellen (12) in der dargestellten Ebene geradlinig.
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Im Gegensatz zu 2a ist den Übergängen (9) sowie dem Verbindungsabschnitt (8) eine gemeinsame Krümmung überlagert, um deren Verlauf an den Durchmesser eines Spulenkörpers (2) anzupassen. Alternativ kann eine derartige Krümmung auch nur an den Übergängen (9) oder dem Verbindungsabschnitt (8) vorgesehen sein.
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Die 1a, 1b, 2a und 2b sind jeweils mit einem symmetrischen Aufbau dargestellt. Es sind allerdings auch Ausführungsformen möglich, welche nicht symmetrisch sind und beispielsweise die Übergänge (9) nicht gleichartig ausgebildet sind oder die weiteren Biegestellen (12) nicht mittig am Verbindungsabschnitt (8) vorgesehen sind.
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In 3 sind drei Spulenkörper (2) mit Wellenwicklungen als Vergleichsbeispiele nebeneinander dargestellt. Die Wellenwicklungen weisen hierbei ein gleiches Wickelschema auf. Der Unterschied liegt darin, dass die axial weiter über den Spulenkörper (2) vorstehenden Spulenelemente (6') anders ausgeführt sind. Wie deutlich erkennbar benötigt das rechte Vergleichsbeispiel mit Spulenelementen gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführung weniger Bauraum in axialer Richtung. Somit kann die Spule in axialer Richtung kompakter ausgebildet werden beziehungsweise benötigt weniger Raum.
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4 zeigt einen Spulenkörper mit einer Wellenwicklung (1) gemäß dem linken Vergleichsbeispiel gemäß 3, hier als Stator. Wie auch in 3 gezeigt, ist eine folgend beschriebene Wellenwicklung ebenfalls mit erfindungsgemäßen Spulenelementen (6, 6') ausbildbar. Der Stator weist einen Spulenkörper (2) auf, in dem Nuten (3) zur Aufnahme der Wellenwicklung ausgebildet sind. In die Nuten (3) sind Leiterelemente (10) im dargestellten Beispiel im Rahmen von Hairpins (6, 6') eingebracht, wobei pro Nut (3) mehrere Leiterelemente (10) in Lagen eingebracht sind.
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Die Hairpins (6, 6') des dargestellten Beispiels umfassen jeweils zwei Leiterelemente (10), einen Wendebereich W, in dem die Leiterelemente (10) einstückig miteinander verbunden sind, sowie Kontaktbereiche K an den Enden des Hairpins (6, 6'). Die Hairpins (6, 6') sind abgesehen von den jeweils ersten und letzten Hairpins (6, 6') der einzelnen Spulenstränge in ihren Kontaktbereichen K mit zwei Kontaktpins (4) ausgeführt, die jeweils mit dem im Spulenstrang benachbarten Hairpin (6, 6'), genauer seinem entsprechenden Kontaktpin (4) elektrisch leitend verbunden sind. Der jeweils erste und letzte Hairpin (6, 6') eines Spulenstrangs weist einen Kontaktpin (4) zur Verbindung mit dem benachbarten Hairpin (6, 6') des Spulenstrangs sowie einen Anschlusspin (5) zur Verbindung mit einer nicht dargestellten Leistungselektronik auf.
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Um eine gegenseitige Kontaktierung zu ermöglichen, sind alle Kontaktpins (4) der Wellenwicklung auf der gleichen axialen Seite des Spulenkörpers (2) angeordnet, wodurch entsprechend die Wendebereiche W der Hairpins (6, 6') auf der entgegengesetzten axialen Seite des Spulenkörpers (1) angeordnet sind.
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Auf der Seite der Wendebereiche W bildet sich ein gleichmäßiges Muster mit parallel verlaufenden Wendebereichen W mit einem verkürzten Wickelschritt WK aus, welche jeweils von einem Wendebereich W mit verlängertem Wickelschritt WL überspannt werden. Es sind jeweils ein der Lochzahl q minus eins entsprechende Anzahl von Hairpins (6) der ersten Variante mit verkürztem Wickelschritt WK und ein Hairpin (6') der zweiten Variante mit verlängertem Wickelschritt WL pro Pol benachbart vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Lochzahl von drei somit zwei Hairpins (6) der ersten Variante und ein Hairpin (6') der zweiten Variante. Durch die Hairpins (6) der ersten Variante findet stets ein Wechsel von der rechten Nut (3) auf eine mittlere Nut (3) beziehungsweise von einer mittleren Nut (3) auf eine linke Nut (3) der benachbarten Lage statt. Mit dem Hairpin (6') der zweiten Variante wird stets zwischen einer linken Nut (3) und einer rechten Nut (3) der benachbarten Lage gewechselt.
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5 zeigt ein Wickelschema für einen ersten Spulenstrang analog zu einem in 4 dargestellten Beispiel mit einer Lochzahl von drei, wobei ein Ausführungsbeispiel mit 54 Nuten (3) gezeigt ist.
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Es ist eine Abwicklung der Nuten (3) mit einer Darstellung der hier acht Lagen, und somit vier Doppellagen, je Nut (3) gezeigt. Es sind allerdings auch eine andere Anzahl von Nuten (3) oder Lagen, wie beispielsweise den sechs Lagen in 4, möglich.
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In den Lagen sind jeweils nur die Leiterelemente der Hairpins (6, 6') für parallele Teilstränge eines Pols in den jeweils drei Nuten (3) pro Pol dargestellt und derart nummeriert, dass die Nummer jeweils einen Buchstaben für den Teilstrang und eine zweistellige Zahl umfasst. Mit Groß- und Kleinbuchstaben sind jeweils die beiden Leiterelemente des jeweiligen Hairpin (6, 6') unterschieden. Bei der zweistelligen Zahl zeigt die erste Zahl jeweils die Doppellage an, in welcher der Hairpin (6, 6') angeordnet ist, und die zweite Zahl steht für eine fortlaufende Durchnummerierung der Hairpins (6, 6') in Stromflussrichtung in dieser Doppellage. Die den Anschlusspins (5) benachbarten Leiterelemente oder anders ausgedrückt, die entsprechenden ersten und letzten Leiterelemente der Spulenstränge sind mit Pfeilen markiert, wobei die Pfeile zur Differenzierung der unterschiedlichen Stränge mit durchgezogenen Linien, gestrichelten Linien beziehungsweise Punkt-Linien dargestellt sind.
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Die Anschlusspins (5) der einzelnen Spulenstränge sind im dargestellten Beispiel jeweils in der radial äußeren Lage der Wellenwicklung vorgesehen und die Anschlusspins (5) der parallelen Spulenstränge sind jeweils im gleichen Pol angeordnet. Aufgrund der Anordnung in der radial äußeren Lage kann ein Anschluss an die Leistungselektronik in radialer Richtung erfolgen, wodurch kein oder nur minimaler Bauraum in axialer Richtung benötigt wird. Durch die Anordnung im gleichen Pol sind die Anschlusspins (5) für die Kathode und die Anode jeweils direkt benachbart angeordnet. Die Anschlusspins (5) der parallelen Spulenstränge für die Kathode sowie die Anode sind in Umfangsrichtung einen Pol des Spulenstrangs versetzt angeordnet. Durch diese Ausbildung wird für den Anschluss an die Leistungselektronik nur ein geringer Bereich des Umfangs benötigt.
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Durch die Wendebereiche W erfolgt, über den Umfang verteilt, im dargestellten Beispiel jeweils ein Wechsel von einer linken Nut (3) zu einer rechten Nut (3), indem ein Hairpin (6') der zweiten Variante mit einem verlängerten Wickelschritt WL vorgesehen ist. Im weiteren Teilstrang des jeweiligen Spulenstrangs sind im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Hairpins (6) der ersten Variante mit verkürztem Wickelschritt WK vorgesehen, um von einer rechten in eine mittlere Nut (3) beziehungsweise von einer mittleren in eine linke Nut (3) zu wechseln. Im dargestellten Beispiel sind nur Hairpins (6, 6') der ersten und zweiten Variante vorgesehen. Hierdurch wird ein hoher Grad an Symmetrie erreicht, was die Verluste verringert. Abhängig von der Anzahl der Pole und dergleichen ist auch eine andere Verteilung der Hairpins (6, 6') unterschiedlicher Varianten über den Umfang möglich, wobei auch Hairpins einer dritten Variante mit einem Standard-Wickelschritt WS mit vorgesehen werden können.
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Die Spulenstränge durchlaufen, wie in 5 dargestellt, mit dem ersten Teilstrang jeweils zunächst die radial äußere Doppellage. Der erste Teilstrang geht durch eine entsprechende Verbindung der Kontaktpins (4) in den zweiten Teilstrang über, welcher in gleicher Richtung der Wicklung analog zum ersten Teilstrang durch die nächste Doppellage verläuft. Dieser Übergang zwischen den Doppellagen ist in 5 exemplarisch mit einem Pfeil mit einer Strich-Punkt-Linie angedeutet. In dieser Weise werden zunächst die Nuten (3) der Doppellagen mit einer gleichen Richtung der Wicklung von radial außen nach radial innen durchlaufen.
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Am letzten Kontaktpin (4) des, hier vierten, Teilstrangs in der radial inneren Lage wird jeweils durch ein Brückenelement (7) die elektrisch leitende Verbindung mit dem ersten Kontaktpin (4) des hier fünften Teilstrangs hergestellt.
Bei dieser Verbindung über das Brückenelement findet eine Umkehrung der Richtung der Wicklung statt. Im dargestellten Beispiel wird durch das Brückenelement (7) ein dem Standard-Wickelschritt WS entsprechender Wickelschritt vorgenommen. Alternativ sind auch Brückenelemente (7) mit unterschiedlichen zum Beispiel dem verlängerten beziehungsweise verkürzten Wickelschritt entsprechenden Wickelschritten möglich, um beim Übergang zwischen den Teilsträngen zwischen den Nuten (3) zu wechseln.
Auch ist alternativ zu einem separaten Brückenelement (7) möglich, dass die entsprechenden letzten oder ersten Kontaktpins (4) in radialer Richtung in eine gedachte weitere Lage umgeformt werden und diese in eine der ursprünglichen Lage entgegengesetzte Umfangsrichtung umgeformt werden, um mit dem entsprechenden Kontaktpin (4) direkt, in Art der weiteren Kontaktpins (4), beispielsweise mittels schweißen, verbunden zu werden.
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Der hier fünfte Teilstrang, welcher in entgegengesetzter Richtung die Nuten in der radial inneren Doppellage durchläuft, geht anschließend in den sechsten Teilstrang über, welcher in der benachbarten Doppellage ebenfalls die Nuten (3) durchläuft. Dieser Übergang ist ebenfalls exemplarisch einmal mit einem Pfeil mit einer Strich-Punkt-Linie angedeutet. Die bis zur radial äußeren Lage zurücklaufenden Teilstränge weisen einen analogen Aufbau zu den vorgenannten Teilsträngen auf. Der letzte Hairpin des hier achten Teilstrangs weist an seinem Ende, welches auch das Ende des Spulenstrangs dargestellt, entsprechend den Anschlusspin (5) zum Anschluss an die Leistungselektronik auf.
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Es sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen Anschlusspins (5) an der radial innenliegenden Lage vorgesehen sind oder auch Ausführungsformen bei denen sowohl an der radial äußeren als auch an der radial inneren Lage Anschlusspins (5) vorgesehen sind.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführung eingeschränkt. Es können wie oben ausgeführt, auch nur einzelne vorteilhafte Merkmale vorgesehen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spulenkörper mit Wicklung
- 2
- Spulenkörper
- 3
- Nut
- 4
- Kontaktpin
- 5
- Anschlusspin
- 6, 6'
- Spulenelement / Hairpin
- 7
- Brückenelemente
- 8
- Verbindungsabschnitt
- 9
- Übergang
- 10
- Leiterelement
- 11
- Biegestelle
- 11'
- Teilbiegestelle
- 12
- weitere Biegestelle
- K
- Kontaktbereich
- W
- Wendebereich
- WL
- Wendebereich mit verlängertem Wickelschritt
- WK
- Wendebereich mit verkürztem Wickelschritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014223202 A1 [0002]
- WO 2007/146252 [0002]
