-
Die Erfindung betrifft ein Herstellverfahren zum Herstellen eines Stators mit Wellenwicklung. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Wellenwicklungsmatte zum Bilden einer Wellenwicklung für einen Stator.
-
Zur Herstellung der Wicklung eines Stators für eine elektrische Maschine existieren im Stand der Technik unterschiedliche Verfahren. Bei der sogenannten Hairpin-Technologie werden beispielsweise haarnadelförmige Leiter in Nuten des Stators eingesetzt.
-
Eine Alternative zur Hairpin-Wicklung mit Formdraht bildet die sogenannte Wellenwicklung mit Formdraht.
-
Statoren mit Wellenwicklung werden beispielsweise in den folgenden Dokumenten behandelt:
- D1 WO 2019/101272 A1 ,
- D2 WO 2019/166060 A1 ,
- D3 WO 2019/166061 A1 ,
- D4 WO 2017/102903 A1 ,
- D5 WO 2015/158986 A2 ,
- D6 WO 2016/139430 A1 ,
- D7 DE 11 2012 004 477 T5 ,
- D8 WO 2016/088270 A1 .
-
Hierzu ist aus der D1 eine Biegeeinheit zum Biegen einer Wellenwicklung für eine Spulenwicklung einer elektrischen Maschine bekannt.
-
Die D2 und die D3 offenbaren ein Herstellverfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Wicklungsmatte sowie eine Wicklungsmatte, wobei Einzeldrähte der Wicklungsmatte nicht verwebt oder umschlungen werden, sondern die Einzeldrähte und auch mehrere Wicklungsmatten gestapelt, gesteckt und/oder Kreuz gesteckt werden.
-
Aus der D4 ist eine Vorrichtung zum Herstellen einer Wicklungsmatte in Schwertwicklung bekannt.
-
Aus der D5 ist ein Verfahren zur Herstellung einer mehrere Umläufe langen Wicklungsmatte bekannt, wobei die Wicklungsmatte zwei Lagen von jeweils sechs Einzelspulen aus Einzelleitern umfasst, die periodisch die Lage miteinander wechseln. Die Einzelleiter sind bevorzugt Runddrähte, die in einem Verfahrensschritt in eine Rechteckform gestempelt werden.
-
Die D6 offenbart eine Wicklung einer Wicklungsmatte, wobei zwei dreiphasige Systeme gewickelt werden und die Wicklungsrichtung mehrfach wechselt. Die Spulen können aus einzelnen Leitern oder aus Leiterbündeln sein. Die Leiter können aus Runddraht oder Rechteckdraht sein.
-
Die D7 offenbart eine Hairpin-Wicklung und die Herstellung einer Einzelspule, die mehrere Segmentleiter aufweist, wobei die Segmentleiter miteinander kombiniert werden und mit isolierendem Harzbandmaterial oder Klebstoff als Einheit verbunden werden. Die Einzelspule ist in der Nut derart angeordnet, dass die Segmentleiter in Umfangsrichtung nebeneinander liegen.
-
Auch die D8 offenbart eine Hairpin-Wicklung, wobei ein einzelner Hairpin aus mehreren Leitern besteht, die in radialer Richtung nebeneinander in der Nut liegen. Die Hairpins werden zu einer S-Windung zusammengeschweißt.
-
Um leistungsfähige Statoren mit Wellenwicklung aus Rechteckdraht herzustellen, sind unterschiedliche Lösungen bekannt.
-
Eine Möglichkeit ist es beispielsweise, eine Wicklungsmatte aus Einzelspulen mit dicken Leitern herzustellen. Die Vorteile dieser Lösung sind, dass die Leiterlängen und Wicklungsmatten kurzgehalten werden können, wodurch sich ein gutes Handling und kurze Prozesszeiten ergeben. Elektrisch ergeben sich allerdings größere Wirbelströme in den dicken Leitern, was sich nachteilig auf den Wirkungsgrad des Stators auswirken kann.
-
Wird dagegen eine Wicklungsmatte aus Einzelspulen mit dünnen Leitern hergestellt, ergeben sich lange instabile Wicklungsmatten sowie lange Einzelleiter. Um die gleiche Leistung zu erhalten wie bei Wicklungsmatten aus Einzelspulen mit dicken Leitern, werden bei Wicklungsmatten aus Einzelspulen mit dünnen Leitern mehr Windungen benötigt. Dies kann die Prozesszeit und die Herstellkosten erhöhen und außerdem die Aufstellfläche der Anlagentechnik vergrößern.
-
Eine weitere Möglichkeit ist die Erhöhung der Lochzahl q. Die Lochzahl q gibt die Anzahl der Nuten pro Polzahl und Strang bzw. Phase an. Zur Erhöhung der Lochzahl wird beispielsweise die Anzahl der Nuten und somit die Anzahl der Leiter pro Nut erhöht. Zwar führt dies zu geringeren Wirbelstromverlusten, kürzeren Leiterlängen und kürzeren Wicklungsmatten. Allerdings muss eine größere Anzahl von Leitern verarbeitet werden. Dadurch ergeben sich längere Prozesszeiten bei einer Flachwicklung.
-
Ferner können mehrere Wicklungsmatten mit Einzelspulen aus dünnen Drähten verwendet und zu einer Spulenmatte beispielsweise aufeinandergelegt werden. Dadurch können sich kürzere Leiterlängen und Wicklungsmattenlängen ergeben. Dafür müssen die Wicklungsmatten aber mehrfach gefertigt werden, was die Prozesszeiten vervielfacht. Zusätzlich wird die Anzahl der Kontaktstellen, die kontaktiert werden müssen, vervielfacht. Um die Kontaktierungsmöglichkeiten der Einzelleiter zu erhalten, sollten die Wicklungsmatten im Umfang versetzt eingebracht werden. Dadurch muss jedoch auch in einem größeren Winkelbereich kontaktiert werden.
-
Eine weitere Möglichkeit bildet die Verwendung einer Wicklungsmatte mit dickem Litzendraht. Dadurch können die Leiterlängen und Wicklungsmatten kurzgehalten werden, wodurch sich ein gutes Handling und kurze Prozesszeiten ergeben. Weiterhin ergeben sich geringe Wirbelstromverluste.
-
Nachteilig sind die hohen Kosten des Litzendrahtes sowie das Kontaktieren. Beim Kontaktieren des Litzendrahts kann die Kontaktstelle entweder nur unwirtschaftlich vollständig vom Isolationsmaterial befreit werden oder sie muss per Heißcrimpen kontaktiert werden. Heißcrimpen führt allerdings zu verunreinigten Kontaktstellen und somit zu Prozessproblemen und höheren elektrischen Widerständen. Zusätzlich ist bei Litzendraht oder ummantelten Paketen von Rechteckdraht eine Doppelisolation vorhanden, d.h. die Litzen sind einzeln ummantelt und das Paket an Litzen/Rechteckdraht nochmals. Dadurch ist mehr Isolation als bei reinem Rechteckdraht vorhanden, was zu einer schlechteren Nutfüllung an Kupfer führen kann.
-
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, einen leistungsfähigen und effizienten Stator mit einem vorteilhaften Herstellverfahren zu schaffen.
-
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung ein Herstellverfahren zum Herstellen eines Stators mit Wellenwicklung nach Anspruch 1. Eine Wellenwicklungsmatte und ein Stator sind Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein Herstellverfahren zum Herstellen eines Stators mit Wellenwicklung, umfassend:
- 1. Bereitstellen eines Statorgehäuses mit einer Anordnung von Nuten mit einer vorgegebenen Nutbreite BN zur Aufnahme von geradlinigen Leiterabschnitten einer Wellenwicklung und
- 2. Bilden einer Wellenwicklungsmatte aus mehreren S-förmig gebogenen Einzelspulen, die jeweils durch erste Wicklungsköpfe auf einer ersten Seite und zweite Wicklungsköpfe auf einer zweiten Seite verbundene geradlinige Leiterabschnitte aufweisen, umfassend die Schritte:
- a) Bereitstellen wenigstens zweier erster Leiter mit einem rechteckigen Leiterquerschnitt, der in einer ersten Richtung quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters gemessen eine Leiterbreite BD mit 0,5*BN < BD < BN und in einer zweiten Richtung quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters gemessen eine Leiterdicke DD1 hat, und Bilden einer ersten Einzelspule der Wellenwicklungsmatte aus den wenigstens zwei ersten Leitern;
- b) Bereitstellen wenigstens eines zweiten Leiters mit einem rechteckigen Leiterquerschnitt, der in einer ersten Richtung quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters gemessen eine Leiterbreite BD mit 0,5*BN < BD < BN und in einer zweiten Richtung quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters gemessen eine Leiterdicke DD2 hat, und Bilden einer zweiten Einzelspule der Wellenwicklungsmatte aus dem wenigstens einen zweiten Leiter; und
- 3. Einfügen der geradlinigen Leiterabschnitte der Wellenwicklungsmatte in die Nuten, so dass in wenigstens einigen der Nuten geradlinige Leiterabschnitte mehrerer Einzelspulen der Wellenwicklungsmatte übereinanderliegend angeordnet sind.
-
Mit anderen Worten wird in der Nut die Leiterbreite BD wie die Nutbreite BN in einer tangentialen oder Umfangsrichtung des Stators gemessen. Die Leiterdicken DD1 , DD2 werden in einer radialen Richtung des Stators gemessen. Mit der Einschränkung 0,5*BN < BD können keine zwei oder mehr erste oder zweite Leiter tangential nebeneinander in der Nut angeordnet sein.
-
Ein quadratischer Leiterquerschnitt stellt eine mögliche Ausgestaltung eines rechteckigen Leiterquerschnitts dar.
-
In den Nuten liegen mehrere Einzelspulen übereinander. Wenigstens eine der Einzelspulen ist dabei aus mehreren Leitern gebildet.
-
Es ist bevorzugt, dass Schritt 2 umfasst:
- c) Bereitstellen wenigstens zweier dritter Leiter mit einem rechteckigen Leiterquerschnitt, der in einer ersten Richtung quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters gemessen eine Leiterbreite BD mit 0,5*BN < BD < BN und in einer zweiten Richtung quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters gemessen eine Leiterdicke DD3 hat, und Bilden einer dritten Einzelspule der Wellenwicklungsmatte aus den wenigstens zwei dritten Leitern; und
- d) Bereitstellen wenigstens eines vierten Leiters mit einem rechteckigen Leiterquerschnitt, der in einer ersten Richtung quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters gemessen eine Leiterbreite BD mit 0,5*BN < BD < BN und in einer zweiten Richtung quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters gemessen eine Leiterdicke DD4 hat, und Bilden einer vierten Einzelspule der Wellenwicklungsmatte aus dem wenigstens einem zweiten Leiter.
-
Es ist bevorzugt, dass Schritt 2 umfasst:
- Gemeinsames Formen aller oder der meisten der ersten Wicklungsköpfe und aller oder der meisten der zweiten Wicklungsköpfe der gemeinsam eine Leiterspule bildenden mehreren Leiter.
-
Es ist bevorzugt, dass Schritt 2 umfasst:
- Formen aller oder der meisten ersten Wicklungsköpfe der gemeinsam eine Einzelspule bildenden mehreren Leiter mit einem gemeinsamen Sprung und Formen aller oder der meisten zweiten Wicklungsköpfe der gemeinsam eine Einzelspule bildenden Leiter mit einem gemeinsamen Sprung.
-
Es ist bevorzugt, dass Schritt 2 umfasst:
- Versetzen von Leitern, die gemeinsam eine Einzelspule bilden, am Anfang und/oder Ende einer Einzelspule um eine oder mehrere S-Windungen.
-
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst:
- Bereitstellen wenigstens zweier zweiter Leiter und Bilden der zweiten Einzelspule aus den wenigstens zwei zweiten Leitern.
-
Es ist bevorzugt, dass Schritt d) umfasst:
- Bereitstellen wenigstens zweier vierter Leiter und Bilden der vierten Einzelspule aus den wenigstens zwei vierten Leitern.
-
Es ist bevorzugt, dass das Bereitstellen der mehreren Leiter, um gemeinsam eine Einzelspule zu bilden, den Schritt umfasst:
- Bereitstellen eines Leiters aus einem Draht und einer Drahtisolierung mit zum Bilden der Einzelspule passender Länge, wobei die Drahtisolierung an den Enden der Leiter vor dem gemeinsamen Bilden der Einzelspulen entfernt wird.
-
Es ist bevorzugt, dass das Bereitstellen der mehreren Leiter, um gemeinsam eine Einzelspule zu bilden, den Schritt umfasst:
- Bereitstellen der Leiter mit 0,9*BN < BD.
-
Es ist bevorzugt, dass das Bereitstellen der mehreren Leiter, um gemeinsam eine Einzelspule zu bilden, den Schritt umfasst:
- Bereitstellen aller Einzelspulen aus einer jeweils gleichen Anzahl, vorzugsweise zwei, von Leitern mit gleicher Leiterdicke oder Bereitstellen n erster Leiter zum Bilden der ersten Einzelspule, wobei n einen natürliche Zahl größer 1 ist, und m zweiter Leiter zum Bilden der zweiten Einzelspule, wobei m eine natürliche Zahl größer 0 mit n > m ist, wobei für die Leiterdicken gilt: DD1 < DD2 und/oder DD2 =(n/m)*DD1
-
Es ist bevorzugt, dass das Bereitstellen der mehreren Leiter, um gemeinsam eine Einzelspule zu bilden, den Schritt umfasst:
- Bereitstellen der Leiter aller Einzelspulen mit gleicher Leiterdicke.
-
Es ist bevorzugt, dass Schritt 2 umfasst:
- Formen der Einzelspulen durch Schablonenwickeln.
-
Es ist bevorzugt, dass Schritt 2 umfasst:
- Formen der Einzelspulen durch Flachwickeln.
-
Es ist bevorzugt, dass Schritt 2 umfasst:
- Formen der Wellenwicklungsmatte durch Flachwickeln der Einzelspulen und a) Stecken der Einzelspulen ineinander.
-
Es ist bevorzugt, dass Schritt 2 umfasst:
- Formen der Wellenwicklungsmatte durch Flachwickeln der Einzelspulen und b) Stapeln der Einzelspulen aufeinander.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Wellenwicklungsmatte zum Bilden einer Wellenwicklung für einen Stator, der ein Statorgehäuse mit einer vorgegebenen Anordnung von Nuten mit einer vorgegebenen Nutbreite BN zur Aufnahme von geradlinigen Leiterabschnitten der Wellenwicklung, umfassend mehrere S-förmig gebogene Einzelspulen, die jeweils durch erste Wicklungsköpfe auf einer ersten Seite und zweite Wicklungsköpfe auf einer zweiten Seite verbundene geradlinige Leiterabschnitte aufweisen, wobei eine erste Einzelspule wenigstens zwei erste S-förmig gebogene Leiter mit einem ersten rechteckigen Leiterquerschnitt, der in einer ersten Richtung quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters gemessen eine Leiterbreite BD mit 0,5*BN < BD < BN und in einer zweiten Richtung quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters gemessen eine Leiterdicke DD1 hat, aufweist; und wobei wenigstens eine zweite Einzelspule wenigstens einen zweiten Leiter mit einem zweiten rechteckigen Leiterquerschnitt, der in einer ersten Richtung quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters gemessen eine Leiterbreite BD mit 0,5*BN < BD < BN und in einer zweiten Richtung quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters gemessen eine Leiterdicke DD2 hat, aufweist.
-
Es ist bevorzugt, dass die Wellenwicklungsmatte eine dritte Einzelspule, die wenigstens zwei dritte Leiter mit einem rechteckigen Leiterquerschnitt aufweist, der in einer ersten Richtung quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters gemessen eine Leiterbreite BD mit 0,5*BN < BD < BN und in einer zweiten Richtung quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters gemessen eine Leiterdicke DD3 hat, und dass die Wellenwicklungsmatte eine vierte Einzelspule, die wenigstens einen vierten Leiter mit einem rechteckigen Leiterquerschnitt aufweist, der in einer ersten Richtung quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters gemessen eine Leiterbreite BD mit 0,5*BN < BD < BN und in einer zweiten Richtung quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters gemessen eine Leiterdicke DD4 hat, aufweist.
-
Es ist bevorzugt, dass alle Leiter, die gemeinsam eine Einzelspule bilden, in allen oder den meisten der ersten Wicklungsköpfen und in allen oder den meisten der zweiten Wicklungsköpfen parallel und/oder nebeneinander aneinanderliegend verlaufen.
-
Es ist bevorzugt, dass alle Leiter, die gemeinsam eine Einzelspule bilden, in allen oder den meisten der ersten Wicklungsköpfen und in allen oder den meisten der zweiten Wicklungsköpfen einen gemeinsamen Sprung bilden.
-
Es ist bevorzugt, dass alle Leiter, die gemeinsam eine Einzelspule bilden, gemeinsam beginnen und/oder enden.
-
Es ist bevorzugt, dass Leiter, die gemeinsame eine Einzelspule bilden, am Anfang und/oder Ende der Einzelspule um eine oder mehrere S-förmige Windungen versetzt zueinander sind.
-
Es ist bevorzugt, dass gilt: 0,9*BN < BD.
-
Es ist bevorzugt, dass alle Einzelspulen aus mehreren Leitern gebildet sind.
-
Es ist bevorzugt, dass eine oder einige der Einzelspulen aus mehreren dünneren Leitern gebildet sind und wenigstens eine andere Einzelspule aus einem dickeren Leiter gebildet ist.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen Stator mit einem Statorgehäuse, das eine Anordnung von Nuten mit einer Nutbreite BN aufweist, und wenigstens einer Wellenwicklungsmatte nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen, von der die geradlinigen Leiterabschnitte in die Nuten eingeführt sind, so dass in jeder Nut mehrere Einzelspulen der Wellenwicklungsmatte nebeneinander liegen.
-
Es ist bevorzugt, dass der Stator einen gemeinsamen Anschluss aller Leiter einer jeden Einzelspule aufweist.
-
Mehrere Einzelspulen bilden bevorzugt eine Teilmatte, die so gestaltet ist, dass beispielsweise in jeder Nut eine Leitergruppe/Drahtbündel einer Einzelspule pro Umdrehung vorhanden ist. Dies bedeutet, dass bei einer Umschlingung der Teilmatte bevorzugt in jeder Nut eine Leitergruppe/Drahtbündel liegt.
-
Die Spulenmatte wird beispielsweise aus zwei Teilmatten gebildet und hat somit zwei Einzelspulen pro Nut pro Umschlingung. Die Gesamtwicklung eines Stators kann dabei aus einer oder auch mehreren Spulenmatten bestehen. Grundsätzlich ist der Verschaltungsaufwand bei Verwendung nur einer Spulenmatte geringer.
-
Unabhängig von Anzahl Nuten, Leitern pro Nut etc. ist das Grundprinzip bevorzugter Ausgestaltungen des Stators, eine gewisse Menge an Kupfer im Statorblech zu platzieren, dabei möglichst wenig Kontaktstellen zu haben und somit möglichst nur eine Spulenmatte in Form einer Drahtmatte zu haben, wobei die Drahtmatte aus einer gewissen Anzahl von Leitern besteht.
-
Bei einer dreiphasigen Maschine und Lochzahl zwei ergeben sich beispielsweise zwölf Einzelspulenabschnitte, bei Lochzahl drei 18 Einzelspulenabschnitte etc. Dabei kann die Spulenmatte zwei Teilmatten umfassen, die vor dem Einbringen in den Stator zusammengeführt werden. Jede Teilmatte ist beispielsweise so ausgeführt, dass immer ein Einzelspulenabschnitt pro Nut vorhanden ist. Somit hat die gesamte Spulenmatte zwei Drähte pro Nut pro Umlauf. Werden mehr Einzelspulenabschnitte pro Nut erwünscht, kann die Spulenmatte mehrere Umläufe im Stator ausführen. Bei beispielsweise acht gewünschten Einzelspulenabschnitten pro Nut kann die Spulenmatte vier Umläufe machen, sie ist dadurch allerdings recht lang. Es können auch mehrere kürzere Spulenmatten in den Stator eingebracht werden, welche erst durch spätere Kontaktierung zu einer Gesamtwicklung werden.
-
Bei den eingangs erwähnten Lösungen zur Erhöhung der Leistung des Stators muss stets ein Kompromiss zwischen einer sinnvollen Leiterlänge bzw. Spulenlänge, akzeptablen Verlusten durch Wirbelströme sowie den Kontaktierungsmöglichkeiten an den Drahtenden eingegangen werden.
-
Zum wirtschaftlichen Herstellen eines großen Stators mit Wellenwicklung ist es somit ein Ziel vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung, eine Wickeltechnologie bzw. ein Wicklungsschema und Verarbeitungsprozesse für die Wellenwicklung zu schaffen, die folgende Eigenschaften erfüllen:
- • nicht zu lange Leiterlängen;
- • nicht zu lange Wicklungsmatten;
- • möglichst geringe Anzahl Leiter, um die Prozessanzahl zu reduzieren (jeder Leiter muss 2D-gebogen, 3D-gebogen und gespaltet werden);
- • Verwendung eines kostengünstigen Rechteckdrahtes (Litzendraht oder ummantelte Pakete von Rechteckdraht sind verhältnismäßig teuer);
- • gutes Nutfüllvermögen (schlecht bei Litzendraht oder ummantelte Pakete von Rechteckdraht); und
- • komplette Abisolation der elektrischen Kontaktierstellen an den Enden des Leiters, um eine hochwertige Kontaktierung zu ermöglichen (bei Litzendraht oder ummantelten Paketen von Rechteckdraht schwierig zu realisieren).
-
Eine Idee vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung ist es, ein Wicklungsdesign zu entwickeln, welches die beschriebenen Probleme/Grenzen löst, d.h. eine Lösung zu finden, bei der gleichzeitig mehrere rechteckige Leiter gemeinsam und somit kostengünstiger gemeinsam zu einer Wickelmatte und somit Wellenwicklung gebogen werden können.
-
Bei bisherigen Statoren mit Wellenwicklung bildet immer jeder Leiter einer Nut einen eigenen Sprung im Wickelkopf.
-
Eine weitere Idee vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung ist es, dass der Einzelleiter so geändert wird, dass eine Leitergruppe aus mehreren entsprechend flacheren rechteckigen Leitern, welche in der gleichen Nut sind, einen gemeinsamen Sprung im Wickelkopf auf beiden Seiten des Stators bildet. Zusätzlich sind die Leiter der Leitergruppe, welche einen gemeinsamen Sprung im Wickelkopf auf beiden Statorseiten bilden (Definition für Einzelspule), vorzugsweise derart angeordnet, dass sie weiterhin im Wesentlichen die gesamte Nutbreite ausfüllen.
-
Somit ist vorzugsweise auch ein gemeinsames Verarbeiten ohne Dehnen eines einzelnen Drahtes möglich und die Leiter der Leitergruppe können mit Hilfe der Flachwicklungstechnologie hergestellt werden. Die Leitergruppe, welche den gemeinsamen Wickelkopf auf beiden Seiten bildet, kann dabei aus zwei oder mehreren Drähten bestehen. Während somit im Stand der Technik eine Einzelspule nur einen Leiter aufweist, ist bei Ausgestaltungen der Erfindung eine Einzelspule aus einer Leitergruppe gebildet, die einen gemeinsamen Wickelkopf auf jeder der beiden Seiten bildet. Mit anderen Worten hat jeder Leiter einer aus mehreren Leitern gebildeten Einzelspule einen parallelen Verlauf durch die gleichen Nuten des Stators.
-
Um ein gemeinsames Verarbeiten zu ermöglichen, bilden die gleichen Leiter der Nut bevorzugt auf beiden Seiten des Stators einen gemeinsamen Sprung im Wickelkopf. Somit bilden mehrere Drähte bevorzugt ein s-förmiges Leiterbündel und durchgängig auf beiden Seiten einen gemeinsamen Sprung im Wickelkopf. Außerdem kann ein Kreuzen der Drähte vorteilhaft vermieden werden, da diese stets im Wesentlichen so breit wie die Nut im Stator sind.
-
Bevorzugt starten und enden die Leiter der Leitergruppe in der gleichen Nut auf der gleichen Seite, sodass sie direkt übereinander liegen können und die Enden der Leiter gemeinsam kontaktiert werden können.
-
Es ist aber auch möglich, dass der Anfang bewusst eine oder mehrere S-förmige Bewegung versetzt ist, um ein einzelnes Kontaktieren zu ermöglichen.
-
Für ein kostengünstiges Herstellverfahren liegen bevorzugt mehrere Leiter in jeder Nut direkt übereinander. Außerdem liegen bevorzugt die Leiter der Leitergruppe bei jedem Nutdurchgang in der gleichen radialen Reihenfolge.
-
Bevorzugt sind die Leiter der Leitergruppe im Wesentlichen so breit wie die Nut und/oder bilden auf beiden Seiten einen gemeinsamen Sprung im Wickelkopf.
-
Bevorzugt ändern die Leiter der Leitergruppe ihre relative Lage zueinander nur unwesentlich.
-
Durch diesen Trick der Unterteilung liegen die neutralen Phasen der einzelnen Leiter in einer Lage, die es ermöglicht, die Leiter gemeinsam wie ein dicker Leiter in der 2D-Vorrichtung sowie beim Sprungbiegen und/oder Zusammenführen zu verarbeiten, sodass ein einzelner Leiter nicht wesentlich gestreckt oder gestaucht wird.
-
Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindungen ändert sich bei einer gemeinsamen Verarbeitung die relative Position der Leiter in der Leitergruppe zueinander nicht. Somit bleiben die gleichen Flächen der einzelnen Leiter der Leitergruppe zueinander gleich.
-
In welcher Ausrichtung die Leitergruppe von einer Nut in die nächste Nut springt, hängt vom Herstellverfahren ab. Beispielsweise wird sich bei der Herstellung mit Hilfe der Flachwicklungstechnologie die Ausrichtung der Leitergruppe während des Sprungs im Wickelkopf nicht ändern. Somit bleibt die Reihenfolge der einzelnen Leiter der Leitergruppe in der Nut bestehen, d.h. vor und nach dem Sprung ist der gleiche Leiter der Leitergruppe in der radial äußersten Position.
-
Wenn das Herstellverfahren über eine Schablonenwicklung erfolgt, ist beim gemeinsamen Sprung der Leitergruppe im Wickelkopf prinzipbedingt gleichzeitig eine Verdrehung der kompletten Leitergruppe um 180 Grad vorhanden. Dies bedeutet, dass in der Nut vor dem Sprung die Leiter beispielsweise in der radialen Reihe 1, 2, 3 vorliegen und nach dem Sprung in die nächste Nut die Reihenfolge 3, 2, 1 vorliegt. Somit verdreht sich die komplette Leitergruppe im Sprung. Dadurch hat sich die relative Flächenausrichtung der Leiter der Leitergruppe bzw. die relative Position zueinander trotzdem nicht verändert.
-
Dieses Grundprinzip des Sprungs im Wickelkopf mit und ohne Verdrehung und somit Reihenfolgeänderung in der nächsten Nut ist verfahrensabhängig und kann auch je nach Verfahren innerhalb einer Wicklung gemischt ausgeführt sein, d.h. z.B. eine Wickelkopfseite ohne Verdrehung der Leitergruppe, und die andere Wickelkopfseite mit Verdrehung der Leitergruppe.
-
Durch diese gezielte Anordnung der Leiter in der Leitergruppe, welche vorzugsweise mindestens einen gemeinsamen Sprung im Wickelkopf auf beiden Seiten des Stators direkt aufeinanderfolgend bilden, ist eine kostengünstigere Herstellung einer Wickelmatte für eine Wellenwicklung möglich, insbesondere mit den in den Dokumenten D1 und D3 offenbarten Herstellungsverfahren.
-
Es lassen sich auch komplexe Wickelschema wie in Dokument D2 offenbart auf diese Weise herstellen.
-
Wenn die einzelnen Leiter der Leitergruppe an der gleichen Position starten und enden, wird das Problem mangelnden Abstands zwischen den Leitern zum mechanischen Abisolieren, zum Abisolieren per Laser oder zum sonstigem Abtragen der Beschichtung bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung dadurch gelöst, dass die Leiter vor dem Bündeln und somit vor dem gemeinsamen Biegen an den entsprechenden Stellen abisoliert werden. Dies kann insbesondere bei hochwertigen Beschichtungen wie PEEK erforderlich sein, welche ein Verschweißen ohne Abisolation sehr schwierig gestaltet.
-
Es ist auch möglich, am Anfang und am Ende des s-förmig gebogenen Drahtbündels einzelne Leiter um eine oder mehrere S-Windungen zu versetzen, zu verlängern oder zu kürzen. Dadurch können die Drahtenden der einzelnen Leiter einer Leitergruppe bewusst in einem größeren Abstand platziert werden, um z.B. eine unterschiedliche Kontaktierung zu ermöglichen oder ein besserer Zugang zum nachträglichen Abisolieren zu erhalten.
-
In diesem Fall liegen zwar in den ersten und letzten Windungen kein gemeinsamer Sprung der Leitergruppe im Wickelkopf vor, jedoch erfolgt der größte Teil der Sprünge gemeinsam als Leitergruppe, kann gemeinsam hergestellt werden und ist somit weiterhin eine Kostenersparnis bei der Herstellung der Wickelmatten für einen Stator oder Rotor mit Wellenwicklungstechnologie.
-
Bei der bevorzugten gemeinsamen Verarbeitung ist es nicht erforderlich, dass die einzelnen Leiter eines Drahtbündels die gleiche Höhe, die gleiche Beschichtung, den gleichen Grundwerkstoff oder gleiche Eckradien aufweisen. Aufgrund fehlender und ausschließbarer Kreuzungen in der Nut kann ein sehr hoher Nutfüllgrad bzw. Kupferfüllgrad erreicht werden.
-
Durch die genannten Tricks sind bei vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung die elektrischen Verluste durch Wirbelströme, Stromverdrängung oder dergleichen reduziert. Dabei bleiben die Prozesszeiten nahezu gleich. Da die Leiter auch lose gespannt und geformt werden können, ist es auch nicht zwingend erforderlich, die Einzelleiter miteinander zu fixieren, beispielsweise zu umwickeln, zu verkleben oder dergleichen. Dabei kann der Ursprungsleiter auch in zwei, drei oder mehr Leiter unterteilt werden.
-
Es ist auch möglich, die Leiter auf allen Seiten problemlos abzuisolieren, indem dies vor dem Zusammenführen und somit vor dem 2D- und Sprungbiegen erfolgt.
-
Unter dem Begriff „einen gemeinsamen Sprung im Wickelkopf bilden“ ist bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung zu verstehen, dass die Leitergruppe/Leiterpaar in dem Sprung im Wickelkopf die gleiche Orientierung zueinander haben, d.h. dass im kompletten Sprung im Wickelkopf die gleichen Flächen der einzelnen rechteckigen Leiter face-to-face bleiben. Sie wechseln nicht die Position zueinander und bilden bevorzugt eine Wickelkopfgeometrie, die nahezu identisch zu einer Geometrie ist, bei der die Leitergruppe nur aus einem massiven Leiter besteht.
-
Es ist aber auch inbegriffen, dass sich beim Aufrollen der linearen Wickelmatte in eine rotatorische Wicklung ein leichter Abstand zwischen den einzelnen Leiter der Leitergruppen bilden kann, was jedoch keinen nachteiligen Effekt hat.
-
Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird eine Leitergruppe aus rechteckigen Einzelleitern einer Wellenwicklung gebildet, wobei die Einzelleiter mehrmals wellenförmig durch die Nuten des Stators verlaufen, wobei die Einzelleiter direkt übereinander sind und in der gleichen Nut und stets in der gleichen Reihenfolge übereinanderliegen, wobei die Einzelleiter in der gleichen Nut starten und enden, wobei die Einzelleiter gemeinsam verarbeitet werden, sodass sie auf beiden Seiten des Stators mindestens teilweise einen gemeinsamen Sprung im Wickelkopf bilden.
-
Je nach Herstellverfahren kann die Leitergruppe beim Sprung im Wickelkopf auch eine Drehung um 180 Grad vollziehen.
-
Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung verlaufen mehrere Einzelleiter einer Wellenwicklung mehrmals wellenförmig durch die Nuten des Stators, wobei die Einzelleiter direkt übereinander sind und in der gleichen Nut und gleichen Reihenfolge übereinanderliegen, wobei die Einzelleiter gemeinsam verarbeitet werden, sodass sie auf beiden Seiten des Stators mindestens teilweise einen gemeinsamen Sprung im Wickelkopf bilden, wobei die Einzelleiter um ein oder mehrere S-Windungen versetzt gestapelt sein können und somit am Start und/oder am Ende des Drahtbündels keinen gemeinsamen Sprung Wickelkopf bilden, aber sie trotzdem als Leitergruppe gemeinsam zu einer Wickelmatte gebogen werden.
-
Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung werden die Einzeldrähte dieser Leitergruppen vor dem Verarbeiten an den entsprechenden Stellen abisoliert.
-
Es ist zu verstehen, dass die Leiter oder Leitergruppen auch quadratisch sein können.
-
Es ist auch zu verstehen, dass diese genannten Leitergruppen, welche gemeinsam gebogen werden, auch beliebig mit Einzelleitern aus dem Stand der Technik kombiniert werden können.
-
Ausgestaltungen der Erfindung schaffen folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bzw. gegenüber bereits bekannten Lösungen:
- • gleiche Prozesszeit für 2D-Biegen und Sprungformen wie bei einem einzelnen dicken Leiter;
- • Reduzierung der elektrischen Verluste durch kleinere isolierte Querschnitte; geringe Produktkosten im Vergleich zu Litzendraht;
- • geringe Produktkosten im Vergleich zu gemeinsam ummantelte Rechteckdrähte;
- • höherer Kupferfüllgrad aufgrund nicht notwendiger gemeinsamer Umwicklung/Ummantelung der einzelnen Rechteckdrähte;
- • die Drahtenden der Rechteckdrähte können auf allen Seiten abisoliert werden, da sie nicht miteinander fixiert sind, sodass explizit ein Abisolieren zwischen den Leitern möglich ist. Dies ist besonders gut vor dem Biegen möglich, indem die Bereiche vor dem Zusammenführen abisoliert werden, d.h. solange die Leiter noch einzeln sind oder der Abstand zueinander temporär vergrößert werden kann. Dadurch können die abisolierten Bereiche für die spätere Kontaktierung auch sehr nahe am Wickelkopf liegen, da ein Auffächern zum nachträglichen Abisolieren entfällt. Das Abisolieren von ummantelten Leitern ist schwierig, entweder werden nur die äußersten Flächen der Litzenleitung abisoliert, oder die Ummantelung muss aufgebrochen werden und die Leiter aufgefächert werden, um ein vollständiges Abisolieren im Kontaktbereich zu erhalten;
- • durch das beschriebene Wickelschema können die Leiter direkt nebeneinander liegen, was im bisherigen Stand der Technik aufgrund der Abisolierthematik vermieden wurde. Dieses Problem wird durch das Abisolieren vor dem Biegen gelöst. Dadurch können die Leiter nun ohne zusätzliche Kontaktbrücke direkt miteinander verschweißt werden. Es ist somit kein erhöhter Aufwand der Verschaltung durch die höhere Anzahl an Leiterenden gegenüber dem bisherigen Stand der Technik notwendig;
- • es ist auch eine um eine oder mehrere S-Windungen versetzte Anordnung möglich, um die Leiter nachträglich abisolieren zu können oder unterschiedlich zu kontaktieren. In diesem Fall ist die Prozesszeit leicht höher, da am Anfang und Ende nicht die komplette Leitergruppe/Drahtbündel verarbeitet wird. Die Prozesszeit ist jedoch immer noch wesentlich kleiner als beim Stand der Technik;
- • die an den Drahtenden abisolierten Leiter können bei Bedarf sogar vor dem Verarbeiten an den Drahtenden miteinander kontaktiert/verbunden werden (elektrisch/mechanisch). Dadurch ist eine zusätzliche leichte Fixierung untereinander möglich.
- • es müssen nicht zwangsläufig alle Einzeldrähte der Spulenmatte wie beschrieben unterteilt werden. Es ist auch eine Hybridlösung möglich, bei der beispielsweise nur ein Teil der Leiter durch das beschriebene Verfahren unterteilt ist und die anderen Leiter nicht unterteilt werden. Dadurch können beispielsweise jene Leiter unterteilt werden, die in der innersten Lage im Stator liegen und dem größten magnetischen Feld vom Rotor unterliegen, sodass die elektrischen Verluste reduziert werden können. Die weiter weg liegenden Leiter können weiter als massive Leiter ausgeführt werden, sodass ein möglichst hoher Kupferquerschnitt erhalten werden kann. Durch ein zusätzliches gezieltes in Reihe Schalten dieser Teilbereiche der Spule mit den unterschiedlichen Eigenschaften können weitere Verluste vermieden werden;
- • die beschriebene Erfindung ist auch mit einem Statordesign mit ungerader Anzahl Leiter in der Nut möglich, bei der die zwei Teilmatten unterschiedlich lang sind, und die unterschiedliche Einzelwiderstände durch gezielte Reihenschaltung eines Leiters der ersten Teilspule mit einem Leiter der zweiten Teilspule erfolgt, oder sogar Kombinationen hieraus;
- • die Einzelleiter können aus unterschiedlichen Materialien sein, beispielsweise aus Kupfer und Aluminium. Dadurch, dass die Leiter nicht gemeinsam ummantelt sind, gibt es auch keine Probleme bezüglich unterschiedlicher Wärmeausdehnungen oder dergleichen; und/oder
- • die Leiter eines Leitungsbündels können unterschiedlich isoliert sein, beispielswiese ist eine Kombination aus lackierten Leitern und Peek-Leitern möglich.
-
Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 einen Stator mit Wellenwicklungsmatte gemäß einer ersten Vergleichsausführungsform;
- 2 einen Drahtabgang der Wellenwicklungsmatte aus 1 in vergrößerter Darstellung;
- 3 eine Teilmatte des Stators aus 1;
- 4 einen Stator mit Wellenwicklungsmatte gemäß einer zweiten Vergleichsausführunasform;
- 5 den Drahtabgang der Wellenwicklungsmatte aus 4 in vergrößerter Darstellung;
- 6 eine Nutbelegung des Stators gemäß der ersten und zweiten Vergleichsausführungsform ;
- 7 einen Stator mit Wellenwicklungsmatte gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 8 den Drahtabgang der Wellenwicklungsmatte aus 7 in vergrößerter Darstellung;
- 9 eine erste Ausgestaltung der ersten Teilmatte des Stators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 10 die Nutbelegung des Stators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 11 eine zweite Ausgestaltung der ersten Teilmatte des Stators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 12 Leiterenden der Teilmatte gemäß einer Ausgestaltung;
- 13 den Stator mit Wellenwicklungsmatte gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- 14 den Drahtabgang der Wellenwicklungsmatte aus 13 in vergrößerter Darstellung;
- 15 die Nutbelegung des Stators gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 16 den Stator mit Wellenwicklungsmatte gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
- 17 den Drahtabgang der Wellenwicklungsmatte aus 16 in vergrößerter Darstellung;
- 18 den Stator mit Wellenwicklungsmatte gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
- 19 den Drahtabgang der Wellenwicklungsmatte aus 18 in vergrößerter Darstellung;
- 20 eine dritte Ausgestaltung der ersten Teilmatte des Stators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 21 den Stator mit Wellenwicklungsmatte gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
- 22 den Drahtabgang der Wellenwicklungsmatte aus 21 in vergrößerter Darstellung;
- 23 den Stator mit Wellenwicklungsmatte gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
- 24 den Drahtabgang der Wellenwicklungsmatte aus 23 in vergrößerter Darstellung;
- 25 den Stator mit Wellenwicklungsmatte gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung;
- 26 den Drahtabgang der Wellenwicklungsmatte aus 25 in vergrößerter Darstellung;
- 27 einen Herstellungsschritt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 28 einen weiteren Herstellungsschritt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 29 einen weiteren Herstellungsschritt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 30 einen weiteren Herstellungsschritt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 31 den Wickelkopf eines 3D-Leiters in Flachwicklung;
-
Die 1, 4, 7, 13, 16, 18, 21, 23 und 25 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines Stators 10. Es wird auf Gemeinsamkeiten gezeigter Ausführungsformen des Stators 10 eingegangen.
-
Der Stator 10 weist ein Statorgehäuse 12 auf. Das Statorgehäuse 12 ist zylinderförmig mit einer Innenfläche 14 und einer Außenfläche 16 ausgebildet. Das Statorgehäuse 12 weist an der Innenfläche 14 eine Anordnung 18 von Nuten 20 auf.
-
Die Nuten 20 sind an der Innenfläche 14 umlaufend angeordnet. Die Nuten 20 weisen jeweils eine Nutbreite BN auf. Die Nuten 20 können mit Nutisolationspapier 100 gefüllt sein.
-
Ferner weist der Stator 10 eine Wellenwicklungsmatte 22 auf. Die Wellenwicklungsmatte 22 umfasst eine erste und eine zweite Teilmatte 24, 25 und macht im Statorgehäuse 12 zwei Umläufe. Die Wellenwicklungsmatte 22 weist ferner einen Drahtabgang 54 auf.
-
Die 3, 9, 11 und 20 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Teilmatten 24, 25. Es wird auf die Gemeinsamkeiten gezeigter Ausführungsformen der Teilmatten 24, 25 eingegangen.
-
Die Teilmatte 24, 25 weist sechs Einzelspulen 26 auf.
-
Die Einzelspulen 26 sind S-förmig gebogen. Die Einzelspulen 26 weisen jeweils erste Wicklungsköpfe 40 auf einer ersten Seite 42 und zweite Wicklungsköpfe 44 auf einer zweiten Seite 46 auf. Die ersten und zweiten Wicklungsköpfe 40, 44 sind über geradlinige Leiterabschnitte 48 miteinander verbunden.
-
Die ersten und zweiten Wicklungsköpfe 40, 44 sind versetzt zueinander angeordnet und sind in eine Richtung der Einzelspule 26 alternierend angeordnet. Die ersten und zweiten Wicklungsköpfe 40, 44 der Einzelspulen 26 weisen jeweils einen Sprung 50 auf.
-
Die Weite der Sprünge 50 ist der sogenannte Spulenschritt 52. Der Spulenschritt 52 gibt an, um wie viel Nuten 20 eine Einzelspule 26 pro Umschlag weiterspringt.
-
Die Einzelspulen 26 sind jeweils aus wenigstens einem Leiter 28 gebildet. Die Leiter 28 sind aus einem Rechteckdraht 30 gebildet. Der Rechteckdraht 30 ist von einer Isolierhülle 36 ummantelt. An Leiterenden 38 sind die Leiter 28 abisoliert.
-
Die geradlinigen Leiterabschnitte 48 der Einzelspulen 26 sind in die Nuten 20 des Statorgehäuses 12 eingefügt.
-
Die 1 und 4 zeigen den Stator 10 gemäß einer ersten bzw. zweiten Vergleichsausführungsform.
-
Die Einzelspulen 26 der Teilmatten 24, 25 sind bei beiden Vergleichsausführungsformen jeweils aus einem Leiter 28 gebildet.
-
3 zeigt die Teilmatten 24, 25 des Stators 10 gemäß der ersten Vergleichsausführungsform. Wie aus 3 ersichtlich beträgt der Spulenschritt 52 der ersten und zweiten Wicklungsköpfe 40, 44 der Einzelspulen 26 jeweils sechs.
-
2 zeigt den Drahtabgang 54 der Wellenwicklungsmatte 22 des Stators 10 gemäß der ersten Vergleichsausführungsform in einer vergrößerten Darstellung.
-
Die Leiterenden 38, welche in einer radialen Richtung des Stators 10 innen liegen, sind in der radialen Richtung nebeneinander angeordnet sind. Somit können diese Leiterenden 38 beispielsweise zusammengeschweißt werden.
-
Die Leiterenden 38, welche in der radialen Richtung des Stators 10 außen liegen, sind in einer Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet. Somit können diese Leiterenden 38 beispielsweise einzeln kontaktiert werden.
-
4 zeigt den Stator 10 gemäß der zweiten Vergleichsausführungsform.
-
Im Unterschied zu den Teilmatten 24, 25 des Stators 10 gemäß der ersten Vergleichsausführungsform weisen die ersten und zweiten Wicklungsköpfe 40, 44 der Einzelspulen 26 Sprünge 50 mit unterschiedlichen Spulenschritten 52 auf.
-
Dabei können die ersten Wicklungsköpfe 40 einer Einzelspule 26 einen Spulenschritt 52 von sieben und die zweiten Wicklungsköpfe 44 derselben Einzelspule 26 einen Spulenschritt 52 von fünf aufweisen.
-
Die ersten Wicklungsköpfe 40 einer benachbarten Einzelspule 26 weisen dann einen Spulenschritt 52 von fünf und die zweiten Wicklungsköpfe 44 derselben benachbarten Einzelspule 26 einen Spulenschritt 52 von sieben auf.
-
5 zeigt den Drahtabgang 54 der Wellenwicklungsmatte 22 des Stators 10 gemäß der zweiten Vergleichsausführungsform in einer vergrößerten Darstellung.
-
6 zeigt eine Nutbelegung 90 des Stators 10 gemäß der ersten und zweiten Vergleichsausführungsformen.
-
Die Nut 20 ist mit einer ersten Einzelspule 26a, einer zweiten Einzelspule 26b, einer dritten Einzelspule 26c und einer vierten Einzelspule 26d belegt.
-
Die erste Einzelspule 26a ist aus einem ersten Leiter 28a gebildet. Die zweite Einzelspule 26b ist aus einem zweiten Leiter 28b gebildet. Die dritte Einzelspule 26c ist aus einem dritten Leiter 28c gebildet. Die vierte Einzelspule 26d ist aus einem vierten Leiter 28d gebildet.
-
Die Leiter 28a, 28b, 28c, 28d weisen jeweils einen rechteckförmigen Querschnitt auf, der in einer ersten Richtung 32 quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters 28 gemessen eine Leiterbreite BD hat. Die erste Richtung 32 ist mit einem Pfeil in 6 gekennzeichnet.
-
Die Leiterbreite BD liegt im Bereich 0,5*BN < BD < BN . Die Leiter 28a, 28b, 28c, 28d füllen im Wesentlichen die komplette Nutbreite BN aus.
-
In einer zweiten Richtung 34 quer zur Erstreckungsrichtung haben die Leiter 28a, 28b, 28c, 28d jeweils einen Leiterquerschnitt der Leiterdicke DD . Die zweite Richtung 34 ist mit einem Pfeil in 6 gekennzeichnet.
-
Die geradlinigen Leiterabschnitt 48 der Einzelspulen 26a, 26b, 26c, 26d sind in der Nut 20 übereinanderliegend angeordnet.
-
Es wird im Folgenden auf Ausführungsformen der Erfindung näher eingegangen.
-
Ausführungsformen der Erfindung weisen Merkmale der ersten und die zweiten Vergleichsausführungsform des Stators 10 auf. Im Folgenden wird auf Unterschiede der Ausführungsformen der Erfindung zu der ersten bzw. der zweiten Vergleichsausführungsform des Stators 10 eingegangen.
-
7 zeigt den Stator 10 mit Wellenwicklungsmatte 22 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 8 zeigt hierzu den Drahtabgang 54.
-
Im Unterschied zu der ersten Vergleichsausführungsform des Stators 10 sind die Einzelspulen 26 der ersten Teilmatte 24 jeweils aus zwei Leitern 28 gebildet.
-
Unter Bezugnahme auf 9 wird auf die Ausgestaltung der ersten Teilmatte 24 des Stators 10 gemäß der ersten Ausführungsform eingegangen.
-
Die zwei Leiter 28 starten jeweils an einem gemeinsamen Startpunkt 66. Die zwei Leiter 28 bilden jeweils einen gemeinsamen Sprung 50 jeweils in den ersten und zweiten Wickelköpfen 40, 44 der Einzelspule 26. Beispielsweise sind die zwei Leiter 28 aus dünnem Rechteckdraht 30 gebildet.
-
Die Leiterenden 38 der Einzelspulen 26 der ersten Teilmatte 24 sind abisoliert dargestellt, hierzu zeigt die 12 auch die Leiterenden 38 aus 9 in einer vergrößerten Darstellung.
-
10 zeigt die Nutbelegung 90 des Stators 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
-
Im Unterschied zu der ersten Vergleichsausführungsform des Stators ist die erste Einzelspule 26a aus zwei ersten Leitern 28a1, 28a2 gebildet. Die zweite Einzelspule 26b ist aus einem zweiten Leiter 28b gebildet. Die dritte Einzelspule 26c ist aus zwei dritten Leitern 28c1, 28c2 gebildet. Die vierte Einzelspule 26d ist aus einem vierten Leiter 28d gebildet.
-
In der zweiten Richtung 34 quer zur Erstreckungsrichtung haben die ersten Leiter 28a1, 28a2 jeweils einen Leiterquerschnitt mit einer Leiterdicke DD1 . Der zweite Leiter 28b hat einen Leiterquerschnitt mit einer Leiterdicke DD2 . Die dritten Leiter 28c1, 28c2 haben jeweils einen Leiterquerschnitt der Leiterdicke DD3 . Der vierte Leiter 28d hat einen Leiterquerschnitt der Leiterdicke DD4 .
-
Wie aus 10 ersichtlich sind die Leiterdicken DD1 und DD3 gleich gewählt. Die Leiterdicken DD2 und DD4 sind auch gleich gewählt. Die Leiterdicken DD1 bzw. DD3 sind kleiner als die Leiterdicken DD2 bzw. DD4 . Bei der gezeigten Nutbelegung 90 sind die Leiterdicken DD1 , DD3 halb so groß wie die Leiterdicken DD2 und DD4 .
-
11 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung der ersten Teilmatte 24 des Stators 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
-
Die zwei Leiter 28 der Einzelspulen 26 starten an Startpunkten 66, die eine S-Windung versetzt zueinander angeordnet sind. Hier bilden die Leiter 28 zu Beginn der ersten Teilmatte 24 jeweils noch keinen gemeinsamen Sprung 50 in den Wickelköpfen 40, 44 der Einzelspulen 26, sondern erst in einem Bereich nach Beginn der Teilmatte 24.
-
Die Leiterenden 38 der Einzelspulen 26 der ersten Teilmatte 24 sind abisoliert dargestellt.
-
13 zeigt den Stator 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. 14 zeigt hierzu den Drahtabgang 54.
-
Im Unterschied zu der ersten Vergleichsausführungsform sind die Einzelspulen 26 der ersten und zweiten Teilmatte 24, 25 wie in 9 gezeigt jeweils aus zwei Leitern 28 gebildet. Hierzu wird auch auf die Beschreibung der ersten Ausführungsformen der Erfindung verwiesen.
-
15 zeigt die Nutbelegung 90 des Stators 10 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
-
Im Unterschied zu der ersten Vergleichsausführungsform ist die erste Einzelspule 26a aus zwei ersten Leitern 28a1, 28a2 gebildet. Die zweite Einzelspule 26b ist aus zwei zweiten Leitern 28b1, 28b2 gebildet. Die dritte Einzelspule 26c ist aus zwei dritten Leitern 28c1, 28c2 gebildet. Die vierte Einzelspule 26d ist aus zwei vierten Leitern 28d1, 28d2 gebildet.
-
In der zweiten Richtung 34 quer zur Erstreckungsrichtung haben die ersten Leiter 28a1, 28a2 jeweils einen Leiterquerschnitt mit einer Leiterdicke DD1 . Die zweiten Leiter 28b1, 28b2 haben jeweils einen Leiterquerschnitt mit einer Leiterdicke DD2 . Die dritten Leiter 28c1, 28c2 haben jeweils einen Leiterquerschnitt der Leiterdicke DD3 . Die vierten Leiter 28d1, 28d2 haben jeweils einen Leiterquerschnitt der Leiterdicke DD4 .
-
Wie aus 15 ersichtlich sind die Leiterdicken DD1 , DD2 , DD3 und DD4 gleich gewählt.
-
16 zeigt den Stator 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. 17 zeigt hierzu den Drahtabgang 54.
-
Im Unterschied zu der ersten Vergleichsausführungsform sind die Einzelspulen 26 der ersten und zweiten Teilmatte 24, 25 wie in 9 gezeigt jeweils aus zwei Leitern 28 gebildet. Hierzu wird auch auf die Beschreibung der ersten Ausführungsformen der Erfindung verwiesen.
-
Im Unterschied zu der ersten Vergleichsausführungsform ist ferner der Drahtabgang 54 in einer alternativen Ausgestaltung ausgeführt.
-
Bei dieser alternativen Ausgestaltung des Drahtabgangs 54 sind sowohl die Leiterenden 38, welche in der radialen Richtung des Stators 10 innen liegen, als auch die Leiterenden 38, welche in der radialen Richtung des Stators 10 außen liegen, in der Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Somit können diese Leiterenden 38 beispielsweise einzeln kontaktiert werden.
-
Die Nutbelegung 90 des Stators 10 gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung ist in 15 gezeigt. Hierzu wird auch auf die Beschreibung der zweiten Ausführungsform der Erfindung verwiesen.
-
18 zeigt den Stator 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. 19 zeigt hierzu den Drahtabgang 54.
-
Im Unterschied zu der zweiten Vergleichsausführungsform des Stators 10 sind die Einzelspulen 26 der ersten Teilmatte 24 jeweils aus zwei Leitern 28 gebildet.
-
Unter Bezugnahme auf 20 wird auf die Ausgestaltung der ersten Teilmatte 24 eingegangen.
-
Die zwei Leiter 28 starten jeweils an einem gemeinsamen Startpunkt 66. Die zwei Leiter 28 bilden jeweils einen gemeinsamen Sprung 50 jeweils in den ersten und zweiten Wickelköpfen 40, 44 der Einzelspule 26. Beispielsweise sind die zwei Leiter 28 aus dünnem Rechteckdraht 30 gebildet.
-
Die Leiterenden 38 der Einzelspulen 26 der ersten Teilmatte 24 sind abisoliert dargestellt, hierzu zeigt die 12 auch die Leiterenden 38 aus 20 in einer vergrößerten Darstellung.
-
Die Nutbelegung 90 des Stators 10 gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung ist in 10 gezeigt. Hierzu wird auch auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform der Erfindung verwiesen.
-
21 zeigt den Stator 10 gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. 22 zeigt hierzu den Drahtabgang 54.
-
Im Unterschied zu der zweiten Vergleichsausführungsform des Stators 10 sind die Einzelspulen 26 der ersten und zweiten Teilmatte 24, 25 wie in 20 gezeigt jeweils aus zwei Leitern 28 gebildet. Hierzu wird auch auf die Beschreibung der vierten Ausführungsform der Erfindung verwiesen.
-
Die Nutbelegung 90 des Stators 10 gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung ist in 16 gezeigt. Hierzu wird auch auf die Beschreibung der zweiten Ausführungsform der Erfindung verwiesen.
-
23 zeigt den Stator 10 gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. 24 zeigt hierzu den Drahtabgang 54.
-
Im Unterschied zu der zweiten Vergleichsausführungsform des Stators 10 sind die Einzelspulen 26 der ersten und zweiten Teilmatte 24, 25 jeweils abwechselnd aus einem Leiter 28 und aus zwei Leitern 28 gebildet, beginnend bei beiden Teilmatten 24, 25 mit einer Einzelspule 26 aus einem Leiter 28.
-
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann die Nutbelegung 90 des Stators 10 in Umfangsrichtung des Stators 10 uneinheitlich sein.
-
Beispielsweise ist die erste Einzelspule 26a in einer ersten Nut 20a der Nutenanordnung 18 aus zwei ersten Leitern 28a1, 28a2 gebildet und radial innen liegend. Die in radialer Richtung nach außen folgende, zweite Einzelspule 26b der ersten Nut 20a ist aus einem zweiten Leiter 28b gebildet. Die weiter folgende, dritte Einzelspule 26c der ersten Nut 20a ist aus zwei dritten Leitern 28c1, 28c2 gebildet. Die vierte Einzelspule 26d der ersten Nut 20a ist aus einem vierten Leiter 28d gebildet und radial außen liegend.
-
Beispielsweise ist die erste Einzelspule 26a in einer zweiten Nut 20b der Nutenanordnung 18 aus zwei ersten Leitern 28a1, 28a2 gebildet und radial außen liegend. Die in radialer Richtung nach innen folgende, zweite Einzelspule 26b der zweiten Nut 20b ist aus einem zweiten Leiter 28b gebildet. Die weiter folgende, dritte Einzelspule 26c der zweiten Nut 20a ist aus zwei dritten Leitern 28c1, 28c2 gebildet. Die vierte Einzelspule 26d der zweiten Nut 20b ist aus einem vierten Leiter 28d gebildet und radial innen liegend.
-
25 zeigt den Stator 10 gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung. 26 zeigt hierzu den Drahtabgang 54.
-
Im Unterschied zu der zweiten Vergleichsausführungsform des Stators 10 sind die Einzelspulen 26 der ersten und zweiten Teilmatte 24, 25 jeweils abwechselnd aus einem Leiter 28 und aus zwei Leitern 28 gebildet, beginnend bei der ersten Teilmatten 24 mit einer Einzelspule 26 aus zwei Leiter 28 und bei der zweiten Teilmatte 25 mit einer Einzelspule 26 aus einem Leiter 28.
-
Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann die Nutbelegung 90 des Stators 10 in Umfangsrichtung des Stators 10 uneinheitlich sein. Hierzu wird auf die Beschreibung der sechsten Ausführungsform der Erfindung verwiesen.
-
Bei nicht dargestellten Ausführungsformen können Einzelspulen 26 der Wicklungsmatte 22 aus mehr als zwei Leitern 28 gebildet sein.
-
Im Folgenden wird auf die Herstellung des Stators 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eingegangen.
-
In einem ersten Schritt wird ein Statorgehäuse 12 mit einer Anordnung 18 von Nuten 20 mit einer vorgegebenen Nutbreite BN zur Aufnahme von geradlinigen Leiterabschnitten 48 einer Wellenwicklung bereitgestellt.
-
In einem weiteren Schritt des Herstellungsverfahrens wird eine Wellenwicklungsmatte 22 aus mehreren S-förmig gebogenen Einzelspulen 26 gebildet, die jeweils erste Wicklungsköpfe 40 auf einer ersten Seite 42 und zweite Wicklungsköpfe 44 auf einer zweiten Seite 46 verbundene geradlinige Leiterabschnitte 48 aufweisen.
-
Für die Herstellung der Wellenwicklungsmatte 22 werden Leiter 28 mit einem rechteckigen Leiterquerschnitt ausgewählt, der in einer ersten Richtung 32 quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters 28 gemessen eine Leiterbreite BD mit 0,5*BN < BD < BN hat.
-
Weiter werden wenigstens zwei erste Leiter 28a1, 28a2 mit einem Leiterquerschnitt ausgewählt, der in einer zweiten Richtung 34 quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters 28a1, 28a2 gemessen eine Leiterdicke DD1 hat, und wenigstens ein zweiter Leiter 28b mit einem Leiterquerschnitt ausgewählt, der in der zweiten Richtung 34 quer zur Erstreckungsrichtung des Leiters 28b gemessen eine Leiterdicke DD2 hat.
-
Bevorzugt wird das Verhältnis DD2/DD , der Leiterdicken DD1 , DD2 gleich dem Verhältnis n/m der Anzahl n der ersten Leiter 28a1, 28a2 und der Anzahl m der zweiten Leiter 28b gewählt werden.
-
Bevorzugt weisen die Leiter 28 einen Rechteckdraht 30 auf, der mit einer Isolation, beispielsweise einer Isolierhülle 36, ummantelt ist.
-
Aus den Leitern 28 werden Einzelspulen 26 gebildet. Aus den ersten Leitern 28a1, 28a2 wird eine erste Einzelspule 26a gebildet. Aus dem wenigstens einen zweiten Leiter 28b wird eine zweite Einzelspule 26b gebildet.
-
Zum Bilden der Einzelspulen 26 werden bevorzugt mehrere Leiter 28 gleichzeitig und gemeinsam verarbeitet, wobei die Leiter 28 zuvor miteinander gebündelt werden können.
-
Das Herstellungsverfahren der Wellenwicklungsmatte 22 kann eine Schablonenwicklung/Schwertwicklung oder eine Flachwicklung/S-Winding 104 umfassen.
-
Bei der Schablonenwicklung werden die Einzelspulen 26 einer Wellenwicklungsmatte 22 gemeinsam um ein Schwert gewickelt und beim Umschlag versetzt, wodurch sich die Wellenwicklungsmatte 22 ergibt.
-
Nachteilig bei dieser Wellenwicklungsmatte 22 ist der Drahtumschlag bzw. die Drahtverdrillung in den Wickelköpfen 40, 44. Dies kann zu einer Punktberührung der einzelnen Einzelspulen 26 und somit erhöhter Gefahr der Isolationsbeschädigung führen, wenn eine ausreichend geringe Wickelkopfhöhe gefordert ist.
-
Daher stellt dieses Wickelprinzip hohe Anforderungen an die Isolation, was zu erhöhten Produktkosten führt. Die Prozesszeit ist aber weniger stark abhängig von der Anzahl der Paralleldrähte.
-
Bei der Flachwicklung/S-Winding 104 wird jede Einzelspule 26 zuerst s-förmig in der Ebene gebogen.
-
Anschließend erfolgt das Einformen eines 3D-Sprungs 50 (Höhenversatz 84) und das Zusammenführen der Einzelspulen 26 zu einer Teilmatte 24, 25 und im Weiteren zu einer Wellenwicklungsmatte 22.
-
Hierbei entsteht kein Verdrillen des Drahtes 30 in den Wickelköpfen 40, 44, was jeweils zu einem kompakten Kopf 40, 44 und geringere Belastungen der Drahtisolation 36 führt. Allerdings erhöhen sich die Prozesszeiten bei höherer Anzahl von Paralleldrähten.
-
Bei der Flachwicklung 104 gibt es mehrere Ausführungsformen, wie der Drahtsprung 50 im Kopf 40, 44 erfolgt, z.B. als regelmäßiger Sprung, unregelmäßiger Sprung, Sprung in die gleiche Lage, Sprung in die nächste Lage, etc.
-
Möglichkeiten und Abhängigkeiten der Ausgestaltung der Flachwicklung 104 sind in der Druckschrift D2 zu finden, auf die an dieser Stelle verwiesen wird.
-
Je nachdem, wie der Drahtabgang 54 der Wellenwicklungsmatte 22 später gestaltet werden soll, können Leiterenden 38 der Leiter 28 bereits zu Beginn des Herstellungsverfahrens einzeln abisoliert werden.
-
27 zeigt einen Schritt des Herstellungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
Der wenigstens eine Leiter 28 kann zunächst einer Wellenwickelherstellvorrichtung 72 zugeführt werden. Die Wellenwickelherstellvorrichtung 72 kann beispielsweise die Merkmale der in der eingangs zitierten Druckschrift D1 beschriebenen Vorrichtung aufweisen.
-
Beispielsweise kann die Wellenwickelherstellvorrichtung 72 eine Mehrzahl von Biegeeinrichtungen 74 aufweisen. Beim Zuführen des wenigstens einen Leiters 28 sind die Biegeeinrichtungen 74 geradlinig ausgerichtet.
-
28 zeigt einen weiteren Schritt des Herstellungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Nach dem Zuführen des wenigstens einen Leiters 28 werden die Biegeeinrichtungen 74 zusammengeführt und gegensinnig zueinander verdreht.
-
Die Biegeeinrichtungen 74 werden bis zum Erreichen einer in 29 gezeigten Endposition 76 zusammengeführt. Dabei wird der wenigstens eine Leiter 28 an drei Biegestellen 78 gebogen. Die Biegestellen 78 sind in einer Ebene angeordnet, sodass ein 2D-Leiter 80 entsteht.
-
30 zeigt einen weiteren Schritt des Herstellungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der 2D-Leiter 80 kann anschließend einer Kröpfvorrichtung 82 zum Einbringen wenigstens eines Höhenversatzes 84 zugeführt werden. Die Kröpfvorrichtung 82 kann beispielsweise die Vorrichtung sein, welche in der eingangs erwähnten Druckschrift D3 offenbart ist.
-
Die Kröpfvorrichtung 82 kann mehrere Biegebacken 86 aufweisen. Die Biegebacken 86 kröpfen den 2D-Leiter 80 an wenigstens einer der Biegestellen 78, sodass der Höhenversatz 84 entsteht.
-
Hierdurch entsteht die Einzelspule 26 in Form eines 3D-Leiters 88. Hierzu zeigt im Detail 28 den Wickelkopf 40, 44 eines 3D-Leiters 88.
-
Die Biegestellen 78 und der wenigstens eine Höhenversatz 84 bilden den Wicklungskopf 40, 44 der Einzelspulen 26. Durch gleichzeitiges Formen und Biegen mehrerer Leiter 28 kann der gemeinsame Sprung 50 der Leiter 28 in den Wickelköpfen 40, 44 der Einzelspulen 26 realisiert werden.
-
Je nach Wicklungsverfahren werden die Einzelspulen 26 zum Herstellen der Teilmatte 24, 25 verwebt, gestapelt, ineinandergesteckt und/oder Kreuz gesteckt.
-
Zur Herstellung der Wellenwicklungsmatte 22 können die zwei oder mehrere Teilmatten 24, 25 übereinandergelegt, ineinandergesteckt und/oder gestapelt werden.
-
Die geradlinigen Leiterabschnitte 48 der Wellenwicklungsmatte 22 werden anschließend in die Nuten 20 eingefügt.
-
Dies kann derart geschehen, dass in wenigstens einigen Nuten 20 der Stators 10 geradlinige Leiterabschnitt 48 mehrerer Einzelspulen 26 der Wellenwicklungsmatte 22 übereinanderliegend angeordnet sind.
-
Wenn die Leiterenden 38 nicht schon zu Anfang des Verfahrens abisoliert worden sind, können die Leiterenden 38 je nach Ausgestaltung des Drahtabgangs 54 auch nach dem Biegen und Einfügen in die Nuten 20 abisoliert werden.
-
Als nächstes können die Leiterenden 38 miteinander verschweißt werden. Auch dieser Schritt kann bereits vor dem Formen und Biegen ausgeführt werden.
-
Zuletzt können die Leiterenden 38 kontaktiert werden.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass es keine Beschränkung auf die Reihenfolge der Einzelspulen 26a, 26b in der Nut 20 gibt, sodass die erste Einzelspule 26a relativ zu der zweiten Einzelspule 26b radial innen oder radial außen im Statorgehäuse 12 liegen kann.
-
Die Leiter 28 füllen unter Berücksichtigung des Nutisolationspapiers 100 und eines notwendigen Fügespiels im Wesentlichen die komplette Nutbreite BN aus, wodurch ein hoher Nutfüllgrad erreicht werden kann.
-
Gleichzeitig sind die elektrischen Verluste durch Wirbelströme, Stromverdrängung oder dergleichen reduziert.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Stator
- 12
- Statorgehäuse
- 14
- Innenfläche
- 16
- Außenfläche
- 18
- Nutenanordnung
- 20
- Nut
- 22
- Wellenwicklungsmatte
- 24
- erste Teilmatte
- 25
- zweite Teilmatte
- 26
- Einzelspule
- 26a
- erste Einzelspule
- 26b
- zweite Einzelspule
- 26c
- dritte Einzelspule
- 26d
- vierte Einzelspule
- 28
- Leiter
- 28a, 28a1,28a2
- erster Leiter
- 28b, 28b1,28b2
- zweiter Leiter
- 28c, 28c1,28c2
- dritter Leiter
- 28d, 28d1, 28d2
- vierter Leiter
- 30
- Rechteckdraht
- 32
- erste Richtung
- 34
- zweite Richtung
- 36
- Isolierhülle
- 38
- Leiterenden
- 40
- erster Wicklungskopf
- 42
- erste Seite
- 44
- zweiter Wicklungskopf
- 46
- zweite Seite
- 48
- Leiterabschnitt
- 50
- Sprung
- 52
- Spulenschritt
- 54
- Drahtabgang
- 66
- Startpunkt
- 72
- Wellenwickelherstellvorrichtung
- 74
- Biegeeinrichtung
- 76
- Endposition
- 78
- Biegestelle
- 80
- 2D-Leiter
- 82
- Kröpfvorrichtung
- 84
- Höhenversatz
- 86
- Biegebacke
- 88
- 3D-Leiter
- 90
- Nutbelegung
- 100
- Nutisolationspapier
- 104
- Flachwicklung
- BN
- Nutbreite
- BD
- Leiterbreite
- DD
- Leiterdicke
- DD1
- Leiterdicke des ersten Leiters
- DD2
- Leiterdicke des zweiten Leiters
- DD3
- Leiterdicke des dritten Leiters
- DD4
- Leiterdicke des vierten Leiters
- n
- Anzahl erste Leiter
- m
- Anzahl zweite Leiter
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2019/101272 A1 [0004]
- WO 2019/166060 A1 [0004]
- WO 2019/166061 A1 [0004]
- WO 2017/102903 A1 [0004]
- WO 2015/158986 A2 [0004]
- WO 2016/139430 A1 [0004]
- DE 112012004477 T5 [0004]
- WO 2016/088270 A1 [0004]
