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Die Erfindung betrifft eine leistungserzeugende Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine und eine elektrische Rotationsmaschine mit der erfindungsgemäßen leistungserzeugenden Komponente.
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Je nach Leistungsbereich bzw. Anwendungsfall ist es oftmals notwendig, in elektrischen Maschinen durch verschiedene Verluste entstehende Wärme durch eine effektive Kühlung abzuführen. Die Kühlung sorgt dafür, dass kritische Temperaturen, welche zu Beschädigungen an Materialien und Komponenten führen könnten, vermieden werden. Darüber hinaus trägt die Kühlung zur Verbesserung des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine bei, da insbesondere der ohmsche Widerstand in elektrischen Leitern stark temperaturabhängig ist, wodurch bei höheren Temperaturen die Leistungsverluste zunehmen.
Insbesondere bei elektrischen Maschinen, welche eine hohe Drehmoment- bzw. Leistungsdichte aufweisen, reicht eine Oberflächenkühlung mit Wärmeabgabe an die umgebende Luft oftmals nicht aus, so dass eine Kühlung durch ein Kühlfluid erforderlich ist. Als Kühlfluide können prinzipiell Öle, Wasser bzw. Wassergemische wie z. B. Wasser-Glykol, aber auch dielektrische Flüssigkeiten zum Einsatz kommen. Es ist jedoch auch der Einsatz von gasförmigen Medien, wie zum Beispiel auch Luft, als Kühlmedium nicht ausgeschlossen.
Dabei besteht üblicherweise auch die Anforderung, dass das Kühlsystem bei geringem finanziellen sowie technologischen Aufwand einen möglichst geringen Bauraumbedarf aufweist und einen optimalen Wärmeübergang gewährleistet.
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Im Bereich der Wickelköpfe existieren bereits unterschiedliche Ansätze hinsichtlich einer Flüssigkeitskühlung. Eine direkte Leiterkühlung in den Nuten der elektrischen Maschine stellt allerdings weiterhin eine technische Herausforderung dar.
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Es existieren unterschiedliche Veröffentlichungen zur Mantelkühlung sowie zur Wickelkopfkühlung für die Realisierung einer Kühlung von elektrischen Maschinen. Während die Mantelkühlung die entstehende Wärme an der Oberfläche des Statorblechpakets in einen Kühlkreislauf überträgt, erfolgt bei der Wickelkopfkühlung der Wärmeübergang direkt an den Leitern außerhalb des Statorblechpakets im Bereich der Wickelköpfe in das Fluid.
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Die
DE 11 2011 103 347 T5 offenbart ein elektrisches Maschinenmodul mit einer elektrischen Maschine, die eine Statorbaugruppe umfasst, wobei die Statorbaugruppe mehrere Statorbleche, die miteinander verbunden sind, und mehrere Leiter umfasst, die durch axiale Schlitze der mehreren Statorbleche positioniert sind. Es ist ein Kühlmittelkanal vorhanden, der wenigstens teilweise innerhalb der axialen Schlitze definiert ist; und ein Gehäuse, das die elektrische Maschine wenigstens teilweise umgibt und wenigstens teilweise einen Maschinenhohlraum definiert, wobei der Kühlmittelkanal in Fluidverbindung mit dem Maschinenhohlraum steht. Dabei können Schlitzauskleidungen über die axiale Länge der Statorbaugruppe durch jeden der axialen Schlitze positioniert sein und mehrere Leiter können durch die Schlitzauskleidungen positioniert sein.
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Weitere Verbesserungen bieten getrennt ausgeführte Kühlkanäle, welche in das Blechpaket des Stators eingebracht werden, wie es in der
EP3157138 A1 offenbart ist. Dieses Dokument offenbart ein Blechpaket eines Rotors oder Stators einer elektrischen Maschine, mit einer Vielzahl von Blechen, wobei die Bleche Aussparungen zum Transport eines Kühlmediums durch das Blechpaket aufweisen. Dabei sind Zulaufkanalabschnitte, Rücklaufkanalabschnitte, Zahnzulaufkanalabschnitte, Zahnzwischenkanalabschnitte und Zahnrücklaufkanalabschnitte Aussparungen.
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Für die verbesserte Kühlung mit direktem Kontakt von Fluid und Leiter in der Nut sind unter anderem die folgenden Dokumente bekannt.
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So lehrt die
DE10 2015 013 018 A1 einen Stator für eine elektrische Maschine, umfassend einen ringförmigen Statorkörper mit mehreren radial von einer ringförmigen Grundform abstehenden Statorzähnen, die in Umfangsrichtung zwischen jeweils zwei der Statorzähnen eine Aufnahme für Wicklungen jeweils wenigstens einer Spule ausbilden. Des Weiteren umfasst der Stator mehrere Spulen, deren Wicklungen jeweils wenigstens einen der Statorzähne umlaufen. Der Stator weist des Weiteren ein Statorgehäuse auf, das für sich genommen oder gemeinsam mit dem Statorkörper ein von Kühlmittel durchströmbares Kühlvolumen - abgesehen von wenigstens einem Kühlmittelzufluss und wenigstens einem Kühlmittelabfluss - vollständig umschließt. Das Kühlvolumen schließt zumindest die Spulen ein.
In ähnlicher Ausgestaltung offenbart die
JP2016149900 A2 eine Kühlstruktur für eine elektrische Rotationsmaschine mit einem Stator, einem Rotor und einem Gehäuse, wobei ein Rotor-Raum und ein Stator-Raum durch eine Trennwand voneinander getrennt sind. Dem Stator ist ein Kühlkreislauf zugeordnet. Über eine Ventileinrichtung kann der Kühlmittel-Fluss durch den Stator in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen gesteuert werden.
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Die
DE 10 2015 220 852 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem auf Öl basierenden Kühlkreislauf, wobei das Kühlmittel die Leistungselektronik, die Phasenanschlussleitungen und die Nuten der elektrischen Maschine durchströmt und kühlt.
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Die
DE 10 2016 101 705 A1 ist auf eine elektrische Maschine gerichtet, die einen Stator mit einer Spuleneinrichtung und einen drehbaren Rotor aufweist.
Die Spuleneinrichtung ist zur Wärmeabfuhr direkt von einem Kühlmittel umströmbar. Zwischen dem Stator und dem Rotor ist ein Wandungselement angeordnet, welches den vom Kühlmittel umströmten Teil der Spuleneinrichtung fluiddicht gegenüber dem Rotor abdichtet. Dabei umfasst das Wandungselement magnetisch leitfähige Wandabschnitte, welche gegenüber anderen Wandabschnitten des Wandungselementes gezielt eine erhöhte magnetische Leitfähigkeit aufweisen.
Aus der
US 2017 104 380 AA ist eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor bekannt, wobei der Stator und/ oder der Rotor Schlitze aufweisen. Ein jeweiliger Schlitz ist fluiddicht abgedichtet, zur Aufnahme eines Kühlfluids. In einem jeweiligen Schlitz ist eine Wicklung eines Leiters angeordnet. Zur Positionierung der Leiter in einem jeweiligen Schlitz können Abstandshalter verwendet werden.
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Die
US2009078448 AA lehrt einen elektrischen Wickelleiter mit rechteckigem Querschnitt zur Herstellung einer elektrischen Wicklung für elektrische Geräte, wobei auf einer Seite des Wickelleiters auf seiner ganzen Länge mit Abstand zueinander aus Isoliermaterial bestehende Erhöhungen angebracht sind.
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Des Weiteren existiert der Ansatz, in einem Stator einer elektrischen Rotationsmaschine für in Nuten des Stators geführte elektrische Leiter einen Abstandshalter zu integrieren, der einen definierten Abstand zwischen dem elektrischen Leiter und dem Blechpaket realisiert. Dieser Abstandshalter kann als ein Nuteinsatz ausgebildet sein, der an einer axialen Seite des Stators eine geschlossene Fläche ausbildet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine leistungserzeugende Komponente, insbesondere einen Stator, einer elektrischen Rotationsmaschine zur Verfügung zu stellen, die in kostengünstiger sowie bauraumminimierter Ausführung eine optimale Kühlung und/oder lange Lebensdauer bzw. vereinfachte Montage ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die leistungserzeugende Komponente nach Anspruch 1. Eine die leistungserzeugende Komponente aufweisende elektrische Rotationsmaschine ist in Anspruch 11 definiert. Vorteilhafte Ausführungsformen der leistungserzeugenden Komponente sind Gegenstände der Ansprüche 2 bis 10.
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Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die erfindungsgemäße leistungserzeugende Komponente einer elektrischen Rotationsmaschine umfasst zumindest eine Wicklung wenigstens eines zumindest abschnittsweise in Nuten der leistungserzeugenden Komponente geführten elektrischen Leitungselements. Das Leitungselement ist helixförmig von wenigstens einem strangförmigen Abstandselement umwickelt, wobei das Abstandselement an einer eine Nut begrenzenden Nutwandung anliegt und demzufolge das Leitungselement zumindest in dem umwickelten Abschnitt durch das Abstandselement in einem Abstand zu der Nutwandung positioniert ist.
Bei Verlauf des Leitungselements in mehreren Nuten kann das Abstandselement an Wandungen von mehreren Nuten anliegen.
Die Angabe „radial“ bezieht sich im Sinne der vorliegenden Erfindung auf die Längsachse des betreffenden Leitungselements.
Das umwickelte Leitungselement hat vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt. Das Leitungselement kann prinzipiell einen beliebigen geometrischen Querschnitt aufweisen. Insbesondere kann das Leitungselement einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, zur optimalen Raumausnutzung in der Nut. Im Fall eines Leitungselements mit eckigem Querschnitt erfolgt die helixförmige Umwicklung derart, dass das Abstandselement der Kontur des Leitungselements folgend auf diesem bzw. an diesem herumgewickelt wird, so dass bei ebenen Außenflächen des Leitungselements das Abstandselement streckenweise einen linearen Verlauf und demzufolge einen von einer runden Schraubengangform abweichenden Verlauf aufweist.
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Als Leitermaterial kommt vorzugsweise Kupfer bzw. eine Kupferlegierung oder auch Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung zum Einsatz.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich das Leitungselement über das Abstandselement an einander gegenüberliegenden Wandungen einer Nut abstützt.
Dabei kann auch eine leichte Spielpassung zwischen dem Abstandselement und der betreffenden Nutwandung realisiert sein. Generell sollte jedoch die radiale Erstreckung des Abstandselements in Bezug zur lichten Weite der betreffenden Nut derart dimensioniert sein, dass bei der Montage als auch im Betrieb einer mit der leistungserzeugenden Komponente ausgestatteten elektrischen Rotationsmaschine das betreffende Leitungselement in der Nut definiert positioniert und in einem translatorischen Freiheitsgrad senkrecht zur Längserstreckungsrichtung fixiert ist.
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Die Erfindung ist aber nicht darauf eingeschränkt, dass lediglich ein Abstandselement um ein Leitungselement herum gewunden ist, sondern es können auch mehrere Abstandselemente ein Leitungselement umwickeln.
Ebenso schließt die Erfindung nicht aus, dass mehrere Leitungselemente zusammen von einem Abstandselement oder auch von mehreren Abstandselementen umwickelt sind.
Bei der Umwicklung eines Leitungselements mit mehreren Abstandselementen weisen diese in vorteilhafter Ausführungsform die gleiche Wickelrichtung auf. Es ist allerdings auch eine Ausführungsform nicht von der Erfindung ausgeschlossen, in der die Abstandselemente eines gemeinsamen Leitungselements entgegengesetzte Wickelrichtungen aufweisen, sodass sie einander kreuzen.
Durch den Abstand bzw. Freiraum zwischen dem betreffenden Leitungselement einer Nutwandung kann ein Kühlfluid strömen, um Wärme vom Leitungselement und/oder vom die Nut ausbildenden Blechpaket aufzunehmen.
Dabei ist die Erfindung nicht auf die Verwendung eines Kühlfluids eingeschränkt, sondern ein jeweiliges Abstandselement kann auch dazu dienen, die Montage bzw. Anordnung von Leitungselementen innerhalb einer Nut zu erleichtern, da das Abstandselement bereits den Montageprozess dahingehend unterstützt, dass die Leitungselemente beschädigungsfrei positioniert werden.
Die erfindungsgemäße leistungserzeugende Komponente kann insbesondere ein Stator einer elektrischen Rotationsmaschine sein, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendung eingeschränkt ist, sondern die leistungserzeugende Komponente kann auch der Rotor der elektrischen Rotationsmaschine sein, welcher Windungen von elektrischen Leitungselementen aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der leistungserzeugenden Komponente ist vorgesehen, dass das Abstandselement an wenigstens einem zum Leitungselement benachbarten Leitungselement anliegt und demzufolge das Leitungselement zumindest in dem umwickelten Abschnitt in einem Abstand zum benachbarten Leitungselement positioniert ist.
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Durch diesen Abstand bzw. Freiraum zwischen dem betreffenden Leitungselement und einem benachbarten Leitungselement kann ein Kühlfluid strömen, um Wärme vom Leitungselement und/oder vom die Nut ausbildenden Blechpaket aufzunehmen. Benachbarte Leitungselemente können auch Bestandteile eines gemeinsamen Leiters sein, der in seiner Wicklung in der Nut im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Abschnitte des Leiters ausbildende Leitungselemente aufweist.
Die Beabstandung der Leitungselemente zueinander mittels des Abstandselements verringert ebenfalls die Gefahr der Beschädigung der Leitungselemente untereinander, so dass auf ein zwischen Leitungselementen und der Nutwandung verwendetes Isolationspapier verzichtet werden kann.
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Dabei können das Leitungselement und das jeweilige benachbarte Leitungselement in radialer Richtung zueinander benachbart angeordnet sein. Das bedeutet, dass in einer jeweiligen Nut die Leitungselemente parallel zueinander in einer Reihenanordnung entlang der radialen Erstreckungsrichtung der Nut positioniert sind.
Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass das Leitungselement und das jeweilige benachbarte Leitungselement in Umfangsrichtung zueinander benachbart angeordnet sind.
Eine solche Ausgestaltung setzt eine breitere Nut voraus als in der erstgenannten Ausführungsform. Des Weiteren ist nicht ausgeschlossen, dass die leistungserzeugende Komponente in einer Nut beide Anordnungsformen aufweist, also Leitungselemente aufweist, die sowohl in radialer Richtung als auch in Umfangsrichtung von weiteren Leitungselementen benachbart sind.
Zudem ist nicht ausgeschlossen, dass die Leitungselemente in einer Nut auch nicht parallel, sondern bereichsweise chaotisch bzw. wirr oder ungeordnet verlaufen. Insbesondere kann eine in radialer sowie in Umfangsrichtung benachbarte Anordnung vorliegen, wenn die betreffende Nut entlang ihres radialen Verlaufs zunehmend aufgeweitet ist, also eine geringere Weite an der radial inneren Seite der leistungserzeugenden Komponente aufweist als an ihrem radial äußeren Endbereich. Insbesondere kann in dieser Ausführunsform die Nut einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
In einer derartigen Ausgestaltung mit unterschiedlicher Weite der Nut in Umfangsrichtung können insbesondere in den Bereichen der Nut, in denen diese eine relativ große Weite hat, mehrere Leitungselemente in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sein. Mit zunehmender Entfernung vom Zentrum der leistungserzeugenden Komponente kann dann die Anzahl der in Umfangsrichtung benachbarten Leitungselemente zunehmen.
Des Weiteren können einander benachbarte Leitungselemente mit nicht-rundem Querschnitt derart zueinander positioniert sein, dass nicht-runde Formelemente wie z.B. Kanten bzw. Ecken zueinander oder auch voneinander weg weisend angeordnet sind. Die Formelemente können dabei in radialer Richtung oder in Umfangsrichtung oder mit jeweils einer Komponente in radialer Richtung und in Umfangsrichtung und entsprechend schräg ausgerichtet sein.
Gegebenenfalls können derartige nicht-runde Formelemente bzw. die betreffenden Leitungselemente derart in ihrer Winkelposition in Bezug auf die Längsachse des Leitungselements ausgerichtet sein, dass die Formelemente komplementär angeordnet sind, so dass sich ein höherer Füllgrad in der Nut erreichen lässt.
In alternativer Ausführungsform sind die Formelemente derart ausgerichtet, so dass in Kombination mit den Abstandselementen ein jeweils vergrößerter Abstand zwischen den Längsachsen der Leitungselemente realisiert ist, einhergehend mit der Vergrößerung eines Strömungskanals für das Kühlmedium.
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Insbesondere kann das Abstandselement ein Garn sein.
Unter einem Garn sind im Sinne der Erfindung auch einzelne oder mehrere Fasern oder Fasergeflechte, Fäden, Drähte, Geflechte, Verdrillungen von mehreren Filamenten, Verzwirnungen oder allgemein lange und dünne Halbzeuge zu verstehen.
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Dabei kann das Abstandselement an einer Isolationsschicht des Leitungselements fixiert sein, wobei diese Fixierung insbesondere durch eine Klebung und/ oder durch eine nach radial innen gerichtete Eigenspannung im helixförmig gewickelten Abstandselement realisiert ist.
Die Isolationsschicht dient der elektrischen Isolation des Leitungselements. Hier kommen vorzugsweise Materialien aus der Gruppe der Thermoplaste und Duroplaste zum Einsatz. Zudem ist auch der Einsatz anorganischer Stoffe für die Isolation nicht ausgeschlossen .
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In einer alternativen Ausführungsform ist das Abstandselement direkt bzw. unmittelbar auf dem leitenden Material des Leitungselements, wie zu Beispiel Kupfer, angeordnet. Dies kann zum Beispiel mittels einer stoffschlüssigen Verbindung realisiert sein.
In weiterer Ausgestaltung dieser Ausführungsform kann eine Isolation das leitende Material wie das Abstandselement einschließen bzw. abdecken.
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In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Abstandselement zumindest in dem translatorischen Freiheitsgrad, der senkrecht zur Längserstreckungrichtung des Abstandselements sowie zur Oberfläche des Leitungselements verläuft, an dem Leitungselement formschlüssig fixiert ist.
Weiterhin ist nicht ausgeschlossen, dass der Formschluss zwischen dem Abstandselement und der Oberfläche des Leitungselements auch für eine Fixierung des Abstandselements entlang der Längserstreckungsrichtung des Abstandselements sowie senkrecht zur Oberfläche des Leitungselements sorgt.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße leistungserzeugende Komponente derart ausgestaltet sein, dass die helixförmige Umwicklung des Leitungselements in einer ersten Umwicklungsrichtung realisiert ist, ein zum Leitungselement in der Nut benachbartes Leitungselement ebenfalls helixförmig von wenigstens einem strangförmigen Abstandselement umwickelt ist, und eine helixförmige Umwicklung des benachbarten Leistungselements in einer zur ersten Umwicklungsrichtung entgegengesetzten zweiten Umwicklungsrichtung realisiert ist.
Auch hier ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass das das benachbarte Leitungselement umwickelnde Abstandselement einer eine Nut begrenzenden Nutwandung anliegt und demzufolge das benachbarte Leitungselement zumindest in dem umwickelten Abschnitt durch das Abstandselement in einem Abstand zu einer Nutwandung positioniert ist.
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Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass ein zum Leitungselement in der Nut benachbartes Leitungselement ebenfalls helixförmig von wenigstens einem strangförmigen Abstandselement umwickelt ist, und die helixförmigen Umwicklungen der Leitungselemente in einer gleichen Umwicklungsrichtung realisiert sind.
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Dabei ist es möglich, dass sich die an den beiden Leitungselementen angeordneten Abstandselemente nicht kreuzen, oder dass sich die an den beiden Leitungselementen angeordneten Abstandselemente kreuzen.
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In der erstgenannten Ausgestaltung sind vorteilhafterweise regelmäßige oder sogar gleiche Abstände der Windungen zwischen den beiden Leitungselementen vorgesehen.
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Wenn sich die Abstandselemente kreuzen, kann vorgesehen sein, dass sich die an den beiden Leitungselementen angeordneten Abstandselemente im Kreuzungsbereich derart verformen, dass der Abstand der beiden Leitungselemente im Kreuzungsbereich im Wesentlichen der Höhe des Abstandselements entspricht, das die geringere Höhe aufweist.
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Bei gleichen Höhen der Abstandselemente, d.h., bei gleichen radialen Erstreckungsmaßen, ausgehend von der Oberfläche des Leitungselements, ist auf Grund einer ausreichenden Kompressibilität wenigstens eines Abstandselements der Abstand der beiden Leitungselemente im Kreuzungsbereich entsprechend genauso groß wie die Höhe eines Abstandselements.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Abstandselement an seiner dem leitfähigen Material des Leitungselements abgewandten Seite konvex ausgebildet ist. Diese Konvexität des Abstandselements führt zu einer punkt- oder auch linienförmigen Auflage, und wirkt somit einer unnötigen Verengung des freien Strömungsquerschnitts in einer betreffenden Nut entgegen.
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In vorteilhafter Ausführungsform ist die Steigung bzw. die Ganghöhe des helixförmigen Abstandselements mindestens so groß wie der Durchmesser des Abstandselements.
Insbesondere kann das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Leitungselements D und der Steigung P des Abstandselements des betreffenden Leitungselements im folgenden Verhältnis stehen: D/P = 0,05 bis 0,12.
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Innerhalb dieses Bereiches ist das folgende Verhältnis zu bevorzugen: D/P = 0,075 bis 0,1.
Die maximale Steigung entspricht der Nut-Länge bzw. der Länge des Leitungselements in einer betreffenden Nut.
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Die Steigung kann als Kompromiss zwischen der Anzahl an notwendigen Abstützungen der Leitungselemente und des zulässigen Strömungswiderstands für das Kühlfluid eingestellt werden.
Dabei kann die Steigung bzw. die Ganghöhe der Wicklung des Abstandselements entlang der Länge der jeweiligen Nut bzw. des darin platzierten Leitungselements konstant sein, oder aber auch über die Länge variieren.
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In weiterer vorteilhafter Ausführungsform ist der Abstand zwischen einem Leitungselement und einer Nutwandung mindestens 1/15 der maximalen Quererstreckung des Leitungselements an dieser axialen Position. Der maximale Abstand beträgt in einer vorteilhaften Ausführungsform 1/7 der maximalen Quererstreckung des Leitungselements an dieser axialen Position.
Dies ermöglicht einen großen Querschnitt des Leitungselements für einen hohen Kupferfüllgrad und einen geringen ohmschen Widerstand innerhalb der Nut. Gleichzeitig ist die Kontaktfläche zwischen der verbleibenden Oberfläche des Leitungselements und dem Kühlfluid maximiert, bei Gewährleistung eines ausreichend großen Querschnitt zur Realisierung eines möglichst geringen Druckverlustes.
Die erfindungsgemäß ausgestaltete Wicklung sollte eine ausreichende Temperaturfestigkeit bezüglich der maximalen Temperatur und der thermischen Zyklierung aufweisen. Zudem sollte sie hinsichtlich ihres Wärmeausdehnungskoeffizienten an die Wärmeausdehnung des die Nut ausbildenden Blechpakets angepasst sein.
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Die erfindungsgemäße leistungserzeugende Komponente ermöglicht eine einfache Montage im Fertigungsprozess, insbesondere durch die aufwandsarme Herstellung der Fixierung des Abstandselements am Leitungselement. Des Weiteren wird durch die Fixierung des Abstandselements eine einfache und zuverlässige Einbringung bzw. Positionierung in die Nut ermöglicht, ohne eine Beschädigung eines Leitungselements bzw. und seiner Isolationsschicht befürchten zu müssen. Des Weiteren existieren durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der leistungserzeugenden Komponente keine technologischen Nachteile bezüglich der Formung bzw. Biegung der Leitungselemente, insbesondere im Wickelkopf.
Die Umwicklung des Leitungselements mit dem Abstandselement kann grundsätzlich in einem Endlosprozess für die Herstellung von beliebig langen Leitungselementen erfolgen. Die umwickelten Leitungselemente werden dann vergleichbar zu konventionellen Schneid- und Biegeprozessen entsprechend ihrer Einbaulänge in den Nuten der betreffenden leistungserzeugenden Komponente zugeschnitten und geformt. Anschließend werden die Leitungselemente in die Nuten der leistungserzeugenden Komponente eingebracht und die Nuten je nach Anforderung verschlossen. Dieser Verschluss kann beispielsweise durch einen Nutverschlusskeil oder durch ein Spaltrohr realisiert werden.
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In diesem Zustand befindet sich das Abstandselement zwischen benachbarten Leitungselementen und/ oder zwischen Leitungselement und Nutwandung bzw. Verschluss der Nut. Durch die Anbringung des Abstandselements auf den einzelnen Leitungselementen werden die einzelnen Leitungselemente in der Nut fixiert, wodurch die Leitungselemente in allen Richtungen abgestützt werden können. Dabei entsteht ein räumlich zusammenhängender Hohlraum, welcher als Kühlkanal zur Führung des Kühlfluids innerhalb der Nut mit großer Kontaktfläche zu den Leitungselementen vorteilhaft genutzt werden kann.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Rotationsmaschine mit zumindest einer erfindungsgemäßen leistungserzeugenden Komponente.
In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die elektrische Rotationsmaschine einen Kühlfluid-Kreislauf, der mit dem Anschluss zur Zuführung eines Kühlfluids der leistungserzeugenden Komponente strömungstechnisch gekoppelt ist.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
- 1: einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen leistungserzeugenden Komponente in Ansicht von der Seite,
- 2: ein mit einem Abstandselement umwickeltes Leitungselement,
- 3: ein mit einem Abstandselement umwickeltes Leitungselement in perspektivischer Ansicht,
- 4: eine perspektivische Ansicht eines axialen Endbereichs eines Leitungselements,
- 5: in 3 Teildarstellungen eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen leistungserzeugenden Komponente in einer perspektivischen Ansicht, in einem Querschnitt benachbarter Leitungselemente sowie eine perspektivische Ansicht der benachbarten Leistungselemente,
- 6: in 3 Teildarstellungen eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen leistungserzeugenden Komponente in einer perspektivischen Ansicht, in einem Querschnitt benachbarter Leitungselemente sowie eine perspektivische Ansicht der benachbarten Leistungselemente,
- 7: in 3 Teildarstellungen eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen leistungserzeugenden Komponente in einer perspektivischen Ansicht, in einem Querschnitt benachbarter Leitungselemente sowie eine perspektivische Ansicht der benachbarten Leistungselemente,
- 8: in 3 Teildarstellungen eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen leistungserzeugenden Komponente in einer perspektivischen Ansicht, in einem Querschnitt benachbarter Leitungselemente sowie eine perspektivische Ansicht der benachbarten Leistungselemente,
- 9: in 3 Teildarstellungen eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen leistungserzeugenden Komponente in einer perspektivischen Ansicht, in einem Querschnitt benachbarter Leitungselemente sowie eine perspektivische Ansicht der benachbarten Leistungselemente,
- 10: einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen leistungserzeugenden Komponente einer ersten Ausführungsform hinsichtlich des radialen Abschlusses in Ansicht von der Seite, und
- 11: einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen leistungserzeugenden Komponente einer zweiten Ausführungsform hinsichtlich des radialen Abschlusses in Ansicht von der Seite.
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1 zeigt in einem Ausschnitt in Ansicht von der Seite eine erfindungsgemäße leistungserzeugende Komponente 1, die hier als Stator ausgeführt ist. Die leistungserzeugende Komponente 1 umfasst mehrere nach radial außen gerichtete Nuten 10, in denen Leitungselemente 20 in Form von Wicklungen 2 angeordnet sind. Diese Leitungselemente 20 bilden an hier nicht ersichtlichen stirnseitigen Bereichen der leistungserzeugenden Komponente 1 bzw. des Stators Wickelköpfe aus, so dass ein Leitungselement 20 sich durch mehrere Nuten 10 erstreckt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein jeweiliges Leitungselement 20 von einem Abstandselement 30 helixförmig umwickelt ist, wie es in 2 dargestellt ist.
Das bedeutet, dass das Abstandselement 30 im Wesentlichen die Form eines Gewindes mit hoher Steigung 31 an der Außenseite des Leitungselements 20 ausbildet. Die helixförmige Umwicklung ist ebenfalls in der perspektivischen Ansicht in 3 erkennbar.
4 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Querschnitt eines Leitungselements 20. Hier ist ebenfalls das Abstandselement 30 geschnitten dargestellt. Ersichtlich ist, dass das Leitungselement 20 an seiner Außenseite eine Isolationsschicht 21 aufweist, auf bzw. an der das Abstandselement 30 angeordnet ist.
Die 5-9 zeigen in jeweiligen 3 Teildarstellungen unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen leistungserzeugenden Komponente 1. Zunächst wird auf die allen Ausführungsformen gleichen Elemente eingegangen. Wie bereits zu 1 erwähnt, sind in den Nuten 10 die Leitungselemente 20 derart angeordnet, dass sie Wicklungen 2 ausbilden.
Die Abstandselemente 30 auf bzw. an den Leitungselementen 20 dienen dazu, ein jeweiliges Leitungselement 20 in einem Abstand 32 zu einer jeweiligen Nutwandung 11 zu positionieren, um zu ermöglichen, dass Kühlfluid zwischen der Nutwandung 11 und dem Leitungselement 20 durch die betreffende Nut 10 strömen kann und derart Wärme von einem betreffenden Leitungselement 20 und/oder dem Blechpaket über Konvektion abführen kann.
Eine weitere Funktion des Abstandselements 30 besteht darin, ein betreffendes Leitungselement 20 in Bezug zu einem in einer jeweiligen Nut 10 angeordneten, benachbarten Leitungselement 40 in einem Abstand 41 zu positionieren, sodass Kühlfluid 33 auch zwischen dem Leitungselement 20 und dem benachbarten Leitungselement 40 hindurch strömen kann und derart die Wärmeabfuhr von den Leitungselementen 20,40 weiter optimiert ist.
Zur besseren Verdeutlichung des Abstandes 32 zwischen dem Leitungselement 20 und der Nutwandung 11 sowie des Abstandes 41 zwischen einem Leitungselement 20 und dem benachbarten Leitungselement 40 ist auf die 10 und 11 zu verweisen.
Die Ausführungsformen gemäß der 5-9 unterscheiden sich jedoch hinsichtlich der Anordnung der Abstandselemente 30 auf den Leitungselementen 20,40.
In der Ausführungsform gemäß 5 sind die Abstandselemente 30 auf dem Leitungselement 20 sowie auf dem benachbarten Leitungselement 40 in einer gleichen Wickelrichtung angeordnet, nämlich in einer ersten Umwicklungsrichtung 50. Dies führt dazu, dass die Abstandselemente 30 an den einander zugewandten Seiten des Leitungselements 20 und des benachbarten Leitungselement 40 bereichsweise parallel zueinander verlaufen, da hier die betreffenden Abschnitte der Abstandselemente 30 relativ dicht zueinander angeordnet sind.
In der Ausführungsform gemäß 6 sind die Abstandselemente 30 auf dem Leitungselement 20 und dem benachbarten Leitungselement 40 ebenfalls in der ersten Umwicklungsrichtung 50 angeordnet. Allerdings kommt es hier aufgrund eines geänderten Abstandes an den einander zugewandten Seiten des Leitungselements 20 und des benachbarten Leitungselements 40 zu Kreuzungen der betreffenden Abschnitte der Abstandselemente 30 in Kreuzungsbereichen 52. Dies ist unter anderem auch aus der den Querschnitt der Leitungselemente 20,40 zeigenden Teildarstellung in 6 ersichtlich.
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7 zeigt eine Ausführungsform, in der das Abstandselement 30 an dem ersten Leitungselement 20 in der ersten Umwicklungsrichtung 50 angeordnet ist, und das Abstandselement 30 an dem benachbarten Leitungselement 40 in einer zur ersten Umwicklungsrichtung 50 entgegengesetzt verlaufenden zweiten Umwicklungsrichtung 51 angeordnet ist. Aufgrund eines ausreichenden Abstandes an den einander zugewandten Seiten des Leitungselements 20 und des benachbarten Leitungselements 40 kreuzen sich hier die Abstandselemente 30 nicht.
Bei einer Veränderung des Abstandes der Abstandselemente 30 am Leitungselement 20 und am benachbarten Leitungselement 40 ergibt sich, wie in der Ausführungsform gemäß 8 dargestellt, eine parallele Führung der Abstandselemente 30 an den einander zugewandten Seiten des Leitungselements 20 und des benachbarten Leitungselements 40.
Bei weiterer Änderung des Abstandes kommt es jedoch zu einer Kreuzung der Abstandselemente 30 an den einander zugewandten Seiten des Leitungselements 20 und des benachbarten Leitungselements 40 in Kreuzungsbereichen 52, wie in der Ausführungsform gemäß 9 ersichtlich. Hier ist zudem aus der Teildarstellung, die den Querschnitt des Leitungselements 20 und des benachbarten Leitungselements 40 zeigt, ersichtlich, dass trotz Kreuzung der Abstandselemente 30 das Leitungselement 20 und das benachbarte Leitungselement 40 relativ dicht zueinander angeordnet sind, da in der hier vorliegenden Ausführungsform das Abstandselement 30 derart komprimierbar ist, dass es trotz Kreuzung im Kreuzungsbereich 52 auf die Hälfte seiner Dicke komprimiert werden kann, sodass der Abstand zwischen dem Leitungselement 20 und dem benachbarten Leitungselement 40 nicht größer ist als die Dicke eines Abstandselements 30.
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Die 10 und 11 zeigen einen Ausschnitt der als Stator ausgeführten leistungserzeugenden Komponente 1 in unterschiedlichen Ausführungsformen bezüglich des radial inneren Abschlusses der Nuten 10.
10 zeigt dabei je Nut 10 ein Nutverschlussteil 12, mit welchem die betreffende Nut 10 im Wesentlichen flüssigkeitsdicht abgeschlossen ist.
11 zeigt dagegen eine Ausführungsform, an der mehrere bzw. alle Nuten 10 im radial inneren Endbereich durch ein gemeinsames Spaltrohr 13 geschlossen sind.
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Hier sind die Abstände zwischen einem betreffenden Leitungselement 20 und der Nutwandung 11 sowie die Abstände zwischen einem Leitungselement 20 und einen diesbezüglich benachbarten Leitungselement 40 ersichtlich, sowie das die Leitungselemente 20,40 umströmende Kühlfluid 33.
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Die erfindungsgemäße leistungserzeugende Komponente, die insbesondere ein Stator einer elektrischen Rotationsmaschine ist, sowie eine damit ausgestattete elektrische Rotationsmaschine weisen den Vorteil auf, in kostengünstiger sowie bauraumminimierter Ausführung eine optimale Kühlung und/oder lange Lebensdauer bzw. vereinfachte Montage zu gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- leistungserzeugende Komponente
- 2
- Wicklung
- 10
- Nut
- 11
- Nutwandung
- 12
- Nutverschlussteil
- 13
- Spaltrohr
- 20
- Leitungselement
- 21
- Isolationsschicht
- 30
- Abstandselement
- 31
- Steigung
- 32
- Abstand
- 33
- Kühlfluid
- 40
- benachbartes Leitungselement
- 41
- Abstand zum benachbarten Leitungselement
- 50
- erste Umwicklungsrichtung
- 51
- zweite Umwicklungsrichtung
- 52
- Kreuzungsbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112011103347 T5 [0005]
- EP 3157138 A1 [0006]
- DE 102015013018 A1 [0008]
- JP 2016149900 A2 [0008]
- DE 102015220852 A1 [0009]
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