DE102020203945A1

DE102020203945A1 - Statorwicklungssystem mit serieller Spulenwicklung

Info

Publication number: DE102020203945A1
Application number: DE102020203945.3A
Authority: DE
Inventors: Torsten Müller; Harald Müller
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2021-09-30
Also published as: US11916452B2; CN113452172A; US20210305867A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Statorwicklungssystem für einen Stator einer elektrischen Maschine, welches eine Vielzahl von Wicklungen aufweist, welche auf Statorzähnen des Stators zu positionieren sind. Zumindest zwei in einer Stromflussrichtung eines elektrischen Stroms aufeinander folgende und somit seriell angeordnete Wicklungen sind hierbei, eine Wicklungskette bildend, aus einem in der Stromflussrichtung ununterbrochenen elektrischen Leiter gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die bspw. für ein Antriebssystem als Elektromotor oder als elektrischer Generator eingesetzt werden kann. Insbesondere zielt die Erfindung auf einen Stator einer solchen elektrischen Maschine ab und dabei konkret auf die im bzw. am Stator vorgesehenen Wicklungen.
Für mobile Anwendungen, bspw. zum Antrieb von Luftfahrzeugen wie etwa Flugzeugen oder Helikoptern oder aber auch für elektrisch angetriebene Land- oder Wasserfahrzeuge etc., werden als Alternative zu den gebräuchlichen Verbrennungskraftmaschinen Konzepte beruhend auf elektrischen Antriebssystemen untersucht und eingesetzt. Ein derartiges elektrisches Antriebssystem, welches als rein elektrisches oder auch als hybrid-elektrisches Antriebssystem ausgebildet sein kann, weist in der Regel zumindest eine elektrische Maschine auf, die zum Antreiben des Vortriebsmittels des Luftfahrzeugs als Elektromotor betrieben wird. Weiterhin sind eine entsprechende Quelle elektrischer Energie zur Versorgung des Elektromotors sowie in der Regel eine Leistungselektronik vorgesehen, mit deren Hilfe der Elektromotor betrieben wird. Im Falle eines hybrid-elektrischen Antriebssystems ist desweiteren ein Verbrennungsmotor vorgesehen, der seriell oder parallel in das Antriebssystem integriert ist und bspw. einen Generator antreibt, welcher seinerseits elektrische Energie zur Verfügung stellt, die in einer Batterie gespeichert und/oder dem Elektromotor zugeführt werden kann.
Die Anforderungen an derartige elektrische Maschinen steigen weitestgehend unabhängig vom jeweiligen Anwendungsfall kontinuierlich an. Bedingt durch die stetige Optimierung der elektrischen Maschinen insbesondere hinsichtlich der Leistungsdichte sind die Baugröße beziehungsweise der Platzbedarf für ihre Komponenten so weit wie möglich zu reduzieren. Bei einer herkömmlichen Einzelzahnkonfiguration des Stators der Maschine müssen jedoch die einzelnen Wicklungen elektrisch miteinander verbunden werden, was für Maschinen mit hohen Polpaarzahlen und somit einer hohen Anzahl von Einzelwicklungen zum Einen mit hohem zeitlichen Aufwand und zum Anderen auch mit einer entsprechend komplexen und vergleichsweise schweren Vorrichtung verbunden ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, den Aufbau und die Herstellung eines Statorwicklungssystems zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird mit Hilfe des in Anspruch 1 beschriebenen Statorwicklungssystems sowie mit dem in Anspruch 7 beschriebenen Verfahren gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.
Ein Statorwicklungssystem für einen Stator einer elektrischen Maschine umfasst eine Vielzahl von auf Statorzähnen des Stators positionierbaren Wicklungen. Zumindest zwei in einer Stromflussrichtung eines durch das Wicklungssystem fließenden elektrischen Stroms aufeinander folgende Wicklungen sind, eine Wicklungskette bildend, seriell geschaltet und dabei aus einem in der Stromflussrichtung ununterbrochenen elektrischen Leiter gebildet. Mit anderen Worten umfasst also eine solche Wicklungskette eine Vielzahl von Einzelwicklungen, wobei diese Wicklungskette aus einem ununterbrochenen elektrischen Leiter geformt ist.
Das Merkmal, dass der Leiter „ununterbrochen“ ist, bedeutet insbesondere, dass die so gebildeten Wicklungen und die Wicklungskette nicht durch zwischen die Wicklungen geschaltete separate Zwischenstücke verbunden, sondern quasi aus einem Drahtstück gewickelt sind.
Das Statorwicklungssystem ist zur Beaufschlagung mit einem ein- oder mehrphasigen elektrischen Strom ausgelegt und weist hierzu eine der Anzahl der Phasen des Stroms entsprechende Anzahl von Sub-Wicklungssystemen auf, wobei jedes Sub-Wicklungssystem zumindest eine der Wicklungsketten umfasst.
Der Begriff der „Beaufschlagung“ mit elektrischem Strom soll explizit nicht nur den Fall umfassen, in dem das Statorwicklungssystem und damit auch dessen diverse Wicklungen bspw. von einer äußeren Stromquelle mit dem elektrischen Strom versorgt werden, so wie es bspw. im Betriebszustand der elektrischen Maschine als Elektromotor erfolgt. Auch der umgekehrte Fall, in dem die Maschine bspw. als Generator arbeitet und die „Beaufschlagung“ mit elektrischem Strom darin besteht, dass aufgrund der bekannten elektromagnetischen Wechselwirkung Ströme in den Wicklungen induziert werden, soll mit umfasst sein.
Jedes Sub-Wicklungssystem kann dabei eine Vielzahl von in der Stromflussrichtung hintereinander geschalteten Wicklungsketten aufweisen. In diesem Fall können die Wicklungsketten eines jeweiligen Sub-Wicklungssystems über eine dem Statorwicklungssystem zugeordnete Verschaltungseinheit elektrisch miteinander verbunden sein.
Jede Wicklungskette kann zur Beaufschlagung mit dem elektrischen Strom ein Paar von elektrischen Anschlüssen aufweisen. Die Verschaltungseinheit weist ihrerseits paarweise Kontaktstellen bzw. Kontaktstellenpaare auf, mit denen sie elektrisch mit dem Anschlusspaar der jeweiligen Wicklungskette verbindbar ist. Dabei sind die beiden Kontaktstellen eines jeweiligen Paares nicht elektrisch miteinander verbunden, solange sie nicht mit dem Anschlusspaar einer jeweiligen Wicklungskette verbunden sind. An oder in der Verschaltungseinheit sind elektrische Verbindungen vorgesehen, die jeweils eine der Kontaktstellen eines ersten Kontaktstellenpaares mit einer der Kontaktstellen eines zweiten Kontaktstellenpaares verbinden, so dass eine am ersten Kontaktstellenpaar angeordnete Wicklungskette eines der Sub-Wicklungssysteme mit einer am zweiten Kontaktstellenpaar angeordneten weiteren Wicklungskette des selben Sub-Wicklungssystems elektrisch verbunden ist. Mit Hilfe der Verschaltungseinheit lässt sich demnach in einfacher Art und Weise der Aufbau der Sub-Wicklungssysteme durch Verschaltung der Wicklungsketten bewirken.
Die Kontaktstellen der Verschaltungseinheit und die Anschlüsse der Wicklungsketten sind idealerweise derart zueinander passend ausgebildet, dass sie aufeinander steckbar sind. Hierdurch wird die Montage des Statorwicklungssystems stark vereinfacht.
In einem Verfahren zur Herstellung eines derartigen Statorwicklungssystems für einen Stator einer elektrischen Maschine wird also grundsätzlich eine benötigte Anzahl von Wicklungsketten mit jeweils einer Vielzahl von Einzelwicklungen hergestellt, indem für jede Wicklungskette der ununterbrochene elektrische Leiter derart geformt wird, dass er die mehreren Wicklungen der jeweiligen Wicklungskette bildet.
Das Statorwicklungssystem wird zur Beaufschlagung mit einem ein- oder mehrphasigen Strom ausgelegt und hierzu mit einer der Anzahl der Phasen des Stroms entsprechenden Anzahl von Sub-Wicklungssystemen ausgestattet, wobei jedes Sub-Wicklungssystem mit zumindest einer der Wicklungsketten ausgestattet wird.
Jedes Sub-Wicklungssystem kann desweiteren mit einer Vielzahl von in der Stromflussrichtung hintereinander geschalteten Wicklungsketten ausgestattet werden.
Die Wicklungsketten eines jeweiligen Sub-Wicklungssystems können über eine dem Statorwicklungssystem zugeordnete Verschaltungseinheit elektrisch miteinander verbunden werden, um so das jeweilige Sub-Wicklungssystem zu bilden.
Die Verschaltungseinheit wird nach der Herstellung der Wicklungsketten zur elektrischen Verbindung der Wicklungsketten eines jeweiligen Sub-Wicklungssystems miteinander auf elektrische Anschlüsse der jeweiligen Wicklungskette gesteckt, welche die jeweilige Wicklungskette zur Beaufschlagung mit dem elektrischen Strom aufweist.
Dabei wird die Verschaltungseinheit idealerweise erst nach einer Positionierung der Wicklungsketten auf den Statorzähnen auf die Anschlüsse gesteckt.
Die Wicklungsketten können auf den Statorzähnen positioniert, indem der ununterbrochene elektrische Leiter direkt auf die jeweiligen Statorzähne gewickelt wird.
Alternativ können die Wicklungen der jeweiligen Wicklungskette zunächst in einem ersten Schritt zu Luftspulen geformt werden. Die so geformten Luftspulen werden in einem zweiten Schritt auf den jeweiligen Statorzähnen positioniert.
In einer weiteren Alternative können die Wicklungsketten mit Hilfe eines Nadelwickelverfahrens hergestellt werden.
Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept liegt darin, mehrere seriell zu schaltende Einzelwicklungen eines Statorwicklungssystems direkt aus einem ununterbrochenen elektrischen Leiterstück zu wickeln, so dass ein vereinfachter Aufbau eines Statorwicklungssystems erzielt wird. In Kombination mit der erwähnten Verschaltungseinheit kann sich eine noch weiter vereinfachte Anordnung sowie Herstellung derselben ergeben. Hieraus ergeben sich weitere Vorteile, so wie bspw. eine Vermeidung von Temperatureinbringung und/oder eventueller Beschädigung der Isolation des Leiters während des sonst anfallenden Laserschweißens oder Lötens, eine höhere Stromtragfähigkeit des Leiters aufgrund der Reduzierung von Verbindungsstellen und damit verbunden eine Reduzierung des Reflexionsfaktors des Gesamtleiters.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.
Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Es ist daher möglich, dass sich bei der Beschreibung einer zweiten Figur zu einem bestimmten Bezugszeichen, welches bereits im Zusammenhang mit einer anderen, ersten Figur erläutert wurde, keine näheren Erläuterungen finden. In einem solchen Fall kann bei der Ausführungsform der zweiten Figur davon ausgegangen werden, dass die dort mit diesem Bezugszeichen gekennzeichnete Komponente auch ohne nähere Erläuterung im Zusammenhang mit der zweiten Figur die gleichen Eigenschaften und Funktionalitäten aufweist, wie im Zusammenhang mit der ersten Figur erläutert. Desweiteren werden der Übersichtlichkeit wegen teilweise nicht sämtliche Bezugszeichen in sämtlichen Figuren dargestellt, sondern nur diejenigen, auf die in der Beschreibung der jeweiligen Figur Bezug genommen wird.
Es zeigen:

1 eine bekannte elektrische Maschine,
2 eine Verschaltungseinheit zum elektrischen Kontaktieren von Wicklungen eines Statorwicklungssystems,
3 eine erfindungsgemäße Wicklungskette,
4 ein Sub-Wicklungssystem mit mehreren Wicklungsketten.

Es sei angemerkt, dass der Begriff „benachbart“ im Zusammenhang mit Bauteilen, bspw. mit Spulen oder Statorzähnen, ausdrücken soll, dass sich im Falle von „benachbarten Bauteilen“ zwischen diesen beiden Bauteilen insbesondere kein weiteres derartiges Bauteil befindet, sondern bspw. ein leerer Zwischenraum oder ggf. ein andersartiger Gegenstand.
Der Übersichtlichkeit wegen werden in den Figuren teilweise in den Fällen, in denen Bauteile mehrfach vorhanden sind, häufig nicht sämtliche dargestellten Bauteile mit Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt stark vereinfacht eine exemplarisch als Elektromotor ausgebildete elektrische Maschine 100, wie sie im Stand der Technik bekannt ist und wie sie bspw. für ein elektrisches Antriebssystem verwendet werden kann. Es sei erwähnt, dass die elektrische Maschine 100 in ähnlichem Aufbau grundsätzlich auch als Generator betrieben werden kann. Weiterhin sei betont, dass der Aufbau der im Folgenden beschriebenen Maschine 100 stark vereinfacht ist und lediglich zur Veranschaulichung der grundsätzlichen Funktionsweise des Elektromotors bzw. der elektrischen Maschine dient. Es kann als bekannt vorausgesetzt werden, dass je nach konkreter gewünschter Ausbildung der elektrischen Maschine 100 als Generator oder als Elektromotor und/oder als bspw. Radial- oder Axialflussmaschine mit einem als Innen- oder auch als Außenläufer ausgebildeten Rotor etc. die verschiedenen Komponenten der Maschine 100 unterschiedlich angeordnet sein können. Im hier diskutierten Fall ist jedoch die Maschine mit einem als Innenläufer ausgebildetem Rotor von Interesse.
Der Elektromotor 100 weist einen Stator 120 mit einem Statorwicklungssystem 121 sowie einen hier als Innenläufer ausgebildeten, im Wesentlichen zylindrischen Rotor 110 auf, wobei der Rotor 110 innerhalb des Stators 120 und konzentrisch zu diesem angeordnet ist und im Betriebszustand des Elektromotors 100 um eine Rotationsachse rotiert. Der Rotor 110 bzw. sein im Wesentlichen zylindrischer Rotorgrundkörper 111 ist drehfest mit einer Welle 130 verbunden, so dass eine Rotation des Rotors 110 über die Welle 130 auf eine nicht dargestellte anzutreibende Komponente, bspw. auf einen Propeller eines Flugzeugs, übertragbar ist.
Der Stator 120 weist desweiteren eine Vielzahl von Statorzähnen 123 sowie erste magnetische Mittel 122 auf, die als Wicklungen 122 des Statorwicklungssystems 121 realisiert sind. Eine jeweilige Wicklung 122 ist jeweils auf einen der Statorzähne 123 des Stators 120 positioniert und im Betriebszustand des Elektromotors 100 von einem elektrischen Strom durchflossen, so dass magnetische Felder erzeugt werden. Der Rotor 110 weist zweite magnetische Mittel 112 auf, die bspw. als Permanentmagnete 112 ausgebildet und an einer dem Stator 120 zugewandten Oberfläche des Rotorgrundkörpers 111 angeordnet sein können.
Die ersten und die zweiten magnetischen Mittel 122, 112 sind derart ausgebildet und durch einen Luftspalt 150 voneinander beabstandet zueinander angeordnet, dass sie im Betriebszustand des Elektromotors 100 elektromagnetisch miteinander wechselwirken. Dieses Konzept einschließlich der Bedingungen für die Ausbildung und genaue Anordnung der magnetischen Mittel 112, 122 bzw. von Rotor 110 und Stator 120 sind an sich bekannt und werden daher im Folgenden nicht näher erläutert. Es sei lediglich erwähnt, dass zum Betreiben der elektrischen Maschine 100 als Elektromotor das Statorwicklungssystem 121 bzw. dessen Wicklungen 122 mit Hilfe einer nicht dargestellten Stromquelle mit elektrischen Strömen beaufschlagt wird, die bewirken, dass die Wicklungen 122 dementsprechende Magnetfelder erzeugen, welche mit den Magnetfeldern der Permanentmagnete 112 des Rotors 110 in elektromagnetische Wechselwirkung treten. Dies resultiert darin, dass auf die Permanentmagnete 112 ein Drehmoment in einer tangentialen Richtung bzw. Umfangsrichtung wirkt, welches unter der Voraussetzung, dass die Permanentmagnete 112 ausreichend fest mit dem Rotorgrundkörper 111 verbunden sind, darin resultiert, dass bei geeigneter Ausbildung und Anordnung der genannten Komponenten zueinander der Rotor 110 und mit ihm die Welle 130 in Rotation versetzt werden.
Dieses Konzept der Ausbildung der elektrischen Maschine 100 als Elektromotor kann als bekannt vorausgesetzt werden. Auch die alternative Konfiguration und Verwendung der elektrischen Maschine 100 als Generator kann als bekannt vorausgesetzt werden. Ein vom Generator 100 in bekannter Weise geliefertes Strom-/Spannungssignal wird einem Verbraucher zugeführt, bspw. einer Batterie, und dort entsprechend verarbeitet. Beide Ausbildungen der elektrischen Maschine 100 werden aufgrund der Bekanntheit der Konzepte im Folgenden nicht weiter detailliert.
Das Statorwicklungssystem 121 ist typischerweise mehrphasig ausgelegt, bspw. mit n=3 Phasen, wobei einer Phase A, B bzw. C jeweils mehrere Wicklungen 122 zugeordnet sind. Die Menge der einer jeweiligen Phase A, B bzw. C zugeordneten Wicklungen 122A, 122B bzw. 122C bilden ein jeweiliges Sub-Wicklungssystem 121A, 121B bzw. 121C des Statorwicklungssystems 121. Dabei sind die Wicklungen 122A, 122B bzw. 122C eines jeweiligen Sub-Wicklungssystems 121A, 121B bzw. 121C seriell geschaltet, so dass der elektrische Strom der jeweiligen Phase die entsprechenden Wicklungen 122A, 122B bzw. 122C nacheinander durchläuft. Hierzu müssen die der jeweiligen Phase A, B bzw. C zugeordneten Wicklungen 122A, 122B bzw. 122C entsprechend miteinander verbunden sein.
Herkömmlicherweise werden zur Verbindung der einzelnen Wicklungen 122 einer jeweiligen Phase A, B bzw. C miteinander elektrische leitfähige Zwischenstücke oder Brücken etc. verwendet. Der entsprechend notwendige Aufwand zur Herstellung sämtlicher Verbindungen ist jedoch enorm, zumal das Statorwicklungssystem 121 in der Regel ausgelegt ist, um mit mehrphasigen Strömen beaufschlagt zu werden. Dies hat zur Folge, dass mit den Zwischenstücken nicht räumlich benachbarte Wicklungen 122 miteinander verbunden werden können, sondern es werden voneinander beabstandet liegende Wicklungen 122 verbunden, so dass es an vielen Stellen zu Überschneidungen der benötigten Zwischenstücke kommt, was zu einer Steigerung der Komplexität führt.
Alternativ kann die in der 2 gezeigte Verschaltungseinheit 200 eingesetzt werden, die an geeigneten Stellen Steckverbinder 202 aufweist, die in einfacher Weise mit den entsprechenden Anschlüssen 122e1, 122e2 der Wicklungen 122 verbunden werden können, ggf. mit Hilfe entsprechender Adapterstücke 122ad und/oder 202ad. Dies ist in 2 der Übersichtlichkeit wegen nur für eine einzige Wicklung 122 dargestellt. Schon an dieser Stelle sei angemerkt, dass an die Stelle der einzelnen Wicklung 122 auch eine der im Folgenden beschriebenen „Wicklungsketten“ treten kann, deren elektrische Anschlüsse dann auf die dementsprechend positionierten Verbinder 202 gesteckt würde.
Der im Fall der Anwendung an einem Elektromotor von einer Stromquelle bereit gestellte und im Fall der Anwendung an einem Generator an einen Verbraucher zu liefernde Strom, welcher im dargestellten Beispiel drei Phasen A, B, C umfassen soll, wird über entsprechende Hauptanschlüsse 203A, 203B, 203C in die bzw. aus der Verschaltungseinheit 200 geleitet. Innerhalb der Verschaltungseinheit 200 sind elektrische Verbindungen 201A, 201B, 201C vorgesehen, die diejenigen Steckverbinder 202 der Verschaltungseinheit 200 miteinander verbinden, welche auf die Anschlüsse 122e1, 122e2 der miteinander zu verbindenden Wicklungen 122 gesteckt werden. Somit werden mit Hilfe der Verschaltungseinheit 200 die einer jeweiligen Phase A, B bzw. C zugehörigen Wicklungen 122A, 122B bzw. 122C miteinander verbunden. In der 2 ist dies der Übersichtlichkeit wegen nur für die Phase A dargestellt, d.h. die oben und im Folgenden mit Bezug zu 2 mit Bezugszeichen 122B, 122C, 201B, 201C erwähnten Komponenten sind in 2 nicht gekennzeichnet, auch da die Verschaltungseinheit nicht den wesentlichen Punkt dieser Erfindung darstellt.
Die Verschaltungseinheit 200 reduziert zwar die Aufwände bei der Herstellung des Statorwicklungssystems 121. Aufgrund der großen Zahl von zu verbindenden Wicklungen 122A, 122B bzw. 122C ist sie jedoch vergleichsweise komplex aufzubauen, da sie eine der Vielzahl von Wicklungen 122 entsprechende Vielzahl von Verbindern 202 aufweisen muss. Zudem müssen die in der Verschaltungseinheit 200 verlaufenden elektrischen Verbindungen 201 gut voneinander isoliert sein.
Eine Verbesserung dieser Situation wird entsprechend der Erfindung dadurch erreicht, dass zumindest einige der einzelnen Wicklungen 122A, 122B bzw. 122C einer jeweiligen Phase A, B bzw. C von vorneherein miteinander verbunden sind. Im Folgenden wird dies exemplarisch anhand der Phase A und der entsprechenden Wicklungen 122A erläutert. Gleiches gilt jedoch in entsprechender Weise für die übrigen Phasen.
Die 3 zeigt vier Wicklungen 122A der genannten Phase A des Statorwicklungssystems 121. Der Übersichtlichkeit wegen sind Statorzähne 123, auf denen die Wicklungen 122A zu positionieren sind, bzw. der Stator 120 selbst nicht dargestellt. Die dargestellten Wicklungen 122A sind in einer Stromflussrichtung I gesehen hintereinander bzw. seriell geschaltet. Dies wird dadurch erreicht, dass die Wicklungen 122A der Phase A eine Wicklungskette 122KA der Phase A bildend aus einem ununterbrochenen elektrischen Leiter 129 geformt sind. Das Merkmal, dass der Leiter 129 „ununterbrochen“ ist, bedeutet insbesondere, dass die so gebildete Wicklungskette 122KA nicht durch zwischen die Wicklungen 122A geschaltete separate Zwischenstücke o.ä. verbunden, sondern quasi aus einem Drahtstück gewickelt ist.
Die in 3 dargestellte Wicklungskette 122KA weist einen ersten elektrischen Anschluss 122KA-e1 sowie einen zweiten elektrischen Anschluss 122KA-e2 auf, über die sie mit elektrischem Strom beaufschlagbar ist. Desweiteren umfasst sie in der hier dargestellten Ausführungsform exemplarisch vier Einzelwicklungen 122A1, 122A2, 122A3, 122A4 sowie einen vergleichsweise langen Verbindungsabschnitt 122' zwischen den Wicklungen 122A2 und 122A3. Dies ist rein exemplarisch zu verstehen, d.h. die Wicklungskette 122KA kann auch mehr oder weniger Wicklungen 122A umfassen, jedoch nicht weniger als zwei Wicklungen 122A. Auch das Vorsehen des Verbindungsabschnitts 122' sowie dessen Anordnung und Dimensionierung ist lediglich exemplarisch.
Wie bereits erwähnt ist das Statorwicklungssystem 121 typischerweise ausgelegt, um einen mehrphasigen Strom zu führen, und umfasst dementsprechend eine der Anzahl der zu führenden Phasen A, B, C entsprechende Anzahl von Sub-Wicklungssystemen 121A, 121B, 121C. Jedes Sub-Wicklungssystem 121A, 121B bzw. 121C kann seinerseits eine oder mehrere Wicklungsketten 122Kx mit x=A,B,C umfassen. Dies wird im Folgenden wiederum anhand der Phase A und des Sub-Wicklungssystems 121A erläutert. Die Ausführungen gelten entsprechend für die anderen Sub-Wicklungssysteme 121B, 121C.
Die 4 zeigt exemplarisch und als Prinzipdarstellung, dass das Sub-Wicklungssystem 121A vier Wicklungsketten 122KA1, 122KA2, 122KA3, 122KA4 umfassen kann. Die Wicklungsketten 122KA1, 122KA2, 122KA3, 122KA4 sind in der Stromflussrichtung I gesehen hintereinander bzw. seriell geschaltet. Eine jede der Wicklungsketten 122KA1, 122KA2, 122KA3, 122KA4 umfasst mehrere Einzelwicklungen 122Ai bspw. mit i=1,2,3,4 und kann bspw. so aufgebaut sein, wie in der 3 dargestellt.
Jeweils zwei in Stromflussrichtung I hintereinander geschaltete Wicklungsketten 122KAj mit j=1,2,3,4 sind über Verbindungen 201 elektrisch miteinander verbunden, bspw. mit Hilfe einer entsprechend ausgebildeten Verschaltungseinheit 200 wie sie oben bereits erwähnt wurde. Im Unterschied zur Verschaltung sämtlicher Wicklungen 122 mit der entsprechend komplexen Verschaltungseinheit 200 der 2 kann die hier ggf. zum Einsatz kommende angepasste Verschaltungseinheit 200 wesentlich weniger komplex ausfallen, da sie nur noch Anschlüsse, bspw. Steckverbinder, für die jeweiligen Anschlüsse 122KA-e1, 122KAe2 etc. der Wicklungsketten 122KA, nicht aber für die Anschlüsse der Einzelwicklungen 122 aufweisen muss. Grundsätzlich ist die angepasste Verschaltungseinheit 200 genauso aufgebaut, wie die komplexe Verschaltungseinheit 200 der 2, nur weist sie weniger Anschlüsse 202 auf, da wie erwähnt nicht mehr jede einzelne Wicklung 122 mit der Verschaltungseinheit 200 kontaktiert werden muss, sondern nur noch die Wicklungsketten 122Kx. Die Anzahl der benötigten Anschlüsse 202 der Verschaltungseinheit reduziert sich also um einen Faktor, der der Anzahl der Einzelwicklungen 122 in den Wicklungsketten 122Kx entspricht. Da die Verschaltungseinheit 200 nicht der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, wird auf eine separate Darstellung der angepassten Verschaltungseinheit 200 verzichtet.
Zur Herstellung eines Statorwicklungssystems 121 umfassend die erläuterten Wicklungsketten 122Kx mit x=A,B,C etc. werden zunächst die benötigten, jeweils zwei oder mehr Einzelwicklungen 122 aufweisenden Wicklungsketten 122Kx aus einem ununterbrochenen elektrischen Leiter 129 gewickelt. Dabei können die Wicklungen 122 bzw. die Wicklungsketten 122Kx bspw. als Luftspulen oder aber direkt auf die entsprechenden Statorzähne 123 gewickelt werden. Alternativ ist es auch denkbar, die Wicklungsketten 122Kx über das sog. Nadelwickelverfahren zu erzeugen. Für den Fall, dass die Wicklungen 122 als Luftspulen realisiert werden, werden die so hergestellten Wicklungsketten 122Kx anschließend auf die Statorzähne 123 geschoben.
Nach der Positionierung der Wicklungsketten 122Kx auf den Statorzähnen 123 werden deren jeweilige Anschlüsse 122Kx-e1, 122Kx-e2 derart elektrisch kontaktiert, dass der jeweilige Phasenstrom I in der gewünschten Reihenfolge durch die Wicklungsketten 122Kx des jeweiligen Sub-Wicklungssystems 121x mit x=A,B,C strömen kann. Für die Kontaktierung kann bspw. die Verschaltungseinheit 200 verwendet werden, die mit ihren Anschlüssen 202 auf die entsprechenden Anschlüsse 122Kx-e1, 122Kx-e2 der Wicklungsketten 122Kx gesteckt wird. Alternativ können die Anschlüsse 122Kx-e1, 122Kx-e2 der Wicklungsketten 122Kx in herkömmlicher Weise elektrisch kontaktiert werden, bspw. mit Hilfe entsprechender Zwischenstücke oder Brücken etc., um die Sub-Wicklungssysteme 121x aufzubauen.
Im Extremfall, in dem die Sub-Wicklungssysteme 121x jeweils nur eine einzige Wicklungskette 122Kx aufweisen, entfällt konsequenterweise die Notwendigkeit der aufwändigen Kontaktierung der Anschlüsse 122Kx-e1, 122Kx-e2. Eine Verschaltungseinheit 200 wird in diesem Fall ebenfalls nicht benötigt. Die Anschlüsse 122Kx-el, 122Kx-e2 können im Wesentlichen direkt mit der Stromversorgung verbunden werden.
Bezugszeichenliste

100: elektrische Maschine
110: Rotor
111: Rotorgrundkörper
112: Permanentmagnet
120: Stator
121: Statorwicklungssystem
121A, 121B, 121C: Sub-Wicklungssystem
122: Wicklung
122A, 122B, 122C: Wicklung
122A1, 122A2, 122A3, 122A4: Einzelwicklung
122ad: Adapterstück
122e1, 122e2: elektrische Anschlüsse
122KA, 122KB, 122KC: Wicklungskette
122KA-e1, 122KA-e2: elektrischer Anschluss
122': Verbindungsabschnitt
123: Statorzahn
129: elektrischer Leiter
130: Welle
150: Luftspalt
200: Verschaltungseinheit
201A, 201B, 201C: elektrische Verbindungen
202: Steckverbinder
202ad: Adapterstück
203A, 203B, 203C: elektrische Hauptanschlüsse

Claims

Statorwicklungssystem (121) für einen Stator (120) einer elektrischen Maschine (100) umfassend eine Vielzahl von auf Statorzähnen (123) des Stators (120) positionierbaren Wicklungen (122), wobei zumindest zwei in einer Stromflussrichtung I eines elektrischen Stroms aufeinander folgende Wicklungen (122Ai), eine Wicklungskette (122Kx, x=A,B,C) bildend, seriell geschaltet und dabei aus einem in der Stromflussrichtung ununterbrochenen elektrischen Leiter (129) gebildet sind.
Statorwicklungssystem (121) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorwicklungssystem (121) zur Beaufschlagung mit einem ein- oder mehrphasigen elektrischen Strom ausgelegt ist und hierzu eine der Anzahl der Phasen (A, B, C) des Stroms entsprechende Anzahl von Sub-Wicklungssystemen (121x, x=A,B,C) aufweist, wobei jedes Sub-Wicklungssystem (121x) zumindest eine der Wicklungsketten (122Kx) umfasst.
Statorwicklungssystem (121) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Sub-Wicklungssystem (121x) eine Vielzahl von in der Stromflussrichtung hintereinander geschalteten Wicklungsketten (122Kx) aufweist.
Statorwicklungssystem (121) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsketten (122Kx) eines jeweiligen Sub-Wicklungssystems (121x) über eine dem Statorwicklungssystem (121) zugeordnete Verschaltungseinheit (200) elektrisch miteinander verbunden sind.
Statorwicklungssystem (121) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wicklungskette (122Kx) zur Beaufschlagung mit dem elektrischen Strom ein Paar von elektrischen Anschlüssen (122Kx-el, 122Kx-e2) aufweist, wobei - die Verschaltungseinheit (200) paarweise Kontaktstellen (202) aufweist, mit denen sie elektrisch mit den Anschlüssen (122Kx-e1, 122Kx-e2) der jeweiligen Wicklungskette (122Kx) verbindbar ist, - an oder in der Verschaltungseinheit (200) elektrische Verbindungen (201x) vorgesehen sind, die jeweils eine der Kontaktstellen (202) eines ersten Kontaktstellenpaares mit einer der Kontaktstellen (202) eines zweiten Kontaktstellenpaares verbinden, so dass eine am ersten Kontaktstellenpaar (202) angeordnete Wicklungskette (122Kx) eines der Sub-Wicklungssysteme (121x) mit einer am zweiten Kontaktstellenpaar (202) angeordneten weiteren Wicklungskette (122Kx) des selben Sub-Wicklungssystems (121x) elektrisch verbunden ist.
Statorwicklungssystem (121) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen (202) der Verschaltungseinheit (200) und die Anschlüsse (122Kx-e1, 122Kx-e2) der Wicklungsketten (122Kx) derart zueinander passend ausgebildet sind, dass sie aufeinander steckbar sind.
Verfahren zur Herstellung eines Statorwicklungssystems (121) nach Anspruch 1 für einen Stator (120) einer elektrischen Maschine (100), dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Wicklungsketten (122Kx) hergestellt wird, indem für jede Wicklungskette (122Kx) der ununterbrochene elektrische Leiter (129) derart geformt wird, dass er die mehreren Wicklungen (122x) der jeweiligen Wicklungskette (122Kx) bildet.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorwicklungssystem (121) zur Beaufschlagung mit einem ein- oder mehrphasigen Strom ausgelegt und hierzu mit einer der Anzahl der Phasen (A, B, C) des Stroms entsprechenden Anzahl von Sub-Wicklungssystemen (121x) ausgestattet wird, wobei jedes Sub-Wicklungssystem (121x) mit zumindest einer der Wicklungsketten (122Kx) ausgestattet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Sub-Wicklungssystem (121x) mit einer Vielzahl von in der Stromflussrichtung hintereinander geschalteten Wicklungsketten (122Kx) ausgestattet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsketten (122Kx) eines jeweiligen Sub-Wicklungssystems (121x) über eine dem Statorwicklungssystem (121) zugeordnete Verschaltungseinheit (200) elektrisch miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wicklungskette (122Kx) zur Beaufschlagung mit dem elektrischen Strom einen ersten und einen zweiten elektrischen Anschluss (122Kx-e1, 122Kx-e2) aufweist, wobei die Verschaltungseinheit (200) nach der Herstellung der Wicklungsketten (122Kx) zur elektrischen Verbindung der jeweiligen Wicklungsketten (122Kx) miteinander auf die Anschlüsse (122Kx-e1, 122Kx-e2) gesteckt wird, um ein jeweiliges Sub-Wicklungssystem (121x) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltungseinheit (200) nach einer Positionierung der Wicklungsketten (122Kx) auf den Statorzähnen (123) auf die Anschlüsse (122Kx-e1, 122Kx-e2) gesteckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsketten (122Kx) auf den Statorzähnen (123) positioniert werden, indem der ununterbrochene elektrische Leiter (129) direkt auf die jeweiligen Statorzähne (123) gewickelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (122x) der jeweiligen Wicklungskette (122Kx) zunächst in einem ersten Schritt zu Luftspulen geformt werden und die Luftspulen in einem zweiten Schritt auf den jeweiligen Statorzähnen (123) positioniert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsketten (122Kx) mit Hilfe eines Nadelwickelverfahrens hergestellt werden.