DE102020215611A1

DE102020215611A1 - Method for manufacturing an air-core coil and an electrical machine with an air-core coil manufactured using this method

Info

Publication number: DE102020215611A1
Application number: DE102020215611.5A
Authority: DE
Inventors: Coralie Koo Sin Lin; Dirk Buehler; Pierre Bernard
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2022-06-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Luftspule (10) für eine elektrische Maschine (28), wobei die Luftspule (10) als Hohlzylinder (11) ausgebildet wird, der mehrere elektrische Windungen (14) aufweist, die sich jeweils über die gesamte axiale Länge (52) des Hohlzylinders (11) und über einen bestimmten Umfangsbereich (50) erstrecken, und die Windungen (14) mittels einer Isolierung (18) gegeneinander elektrisch isoliert werden, wobei die Luftspule (10) mittels einem additiven Multi-Material-3D-Druckverfahren mit einem elektrisch leitenden Material (21) für die Windungen (14) und einem dazwischen angeordneten, elektrisch isolierendem Material (22) für die Isolierung (18) gedruckt wird. Die Erfindung umfasst ebenfalls eine Luftspule (10) und eine elektrische Maschine (28), hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Erfahren.The invention relates to a method for producing an air-core coil (10) for an electrical machine (28), the air-core coil (10) being designed as a hollow cylinder (11) having a plurality of electrical windings (14) each extending over the entire axial Length (52) of the hollow cylinder (11) and extend over a certain peripheral area (50), and the windings (14) are electrically isolated from one another by means of insulation (18), the air coil (10) by means of an additive multi-material 3D - printing method with an electrically conductive material (21) for the windings (14) and an electrically insulating material (22) arranged between them for the insulation (18). The invention also includes an air coil (10) and an electrical machine (28) made according to the method of the invention.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Luftspule sowie eine elektrische Maschine mit einer Luftspule hergestellt nach diesem Verfahren nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a method for producing an air-core coil and an electrical machine with an air-core coil produced using this method according to the species of the independent claims.

Mit der US 10,193,427 B2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Komponenten elektrischer Maschinen mit axialem oder radialem Magnetfluss bekannt geworden. Dabei werden mehrere Laminatschichten und/oder Materialpartikel mittels Laserschmelzen miteinander verbunden. Dieses Verfahren ist jedoch in der geometrischen Gestaltung der Komponenten und der Materialauswahl sehr eingeschränkt. Die DE 1 188 709 A1 offenbart eine Luftspule, die mittels einer zick-zack-förmig hin- und herlaufenden Drahtwicklung hergestellt ist. Die DE 10 2017 120 750 A1 beschreibt ein 3D-Multimaterial-Druckverfahren zur Herstellung einer Gitterstruktur und/oder eines Wärmetauschers. Dabei wird mit einer Kamera das schichtweise Auftragen der Materialien mittels einer Extrusionsdüse überwacht.With the US 10,193,427 B2 a method for manufacturing components of electrical machines with axial or radial magnetic flux has become known. In this case, several laminate layers and/or material particles are connected to one another by means of laser melting. However, this method is very limited in terms of the geometric design of the components and the choice of materials. the DE 1 188 709 A1 discloses an air-core coil made by reciprocating zigzag wire winding. the DE 10 2017 120 750 A1 describes a 3D multi-material printing process for producing a lattice structure and/or a heat exchanger. A camera monitors the application of the materials in layers using an extrusion nozzle.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Luftspule für eine elektrische Maschine herzustellen, die eine höhere Leistungsdichte und eine bessere mechanische Stabilität verglichen mit dem herkömmlichen Drahtwickeln aufweist.The object of the invention is to produce an air coil for an electrical machine that has a higher power density and better mechanical stability compared to conventional wire winding.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Luftspule, sowie die elektrische Maschine mit einer Luftspule hergestellt nach diesem Verfahren, nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass mittels dem dreidimensionalen (3D) Druckverfahren in einem einzigen Prozess mit verringertem Fertigungsaufwand eine vollständige Luftspule hergestellt werden kann, die eine komplexe Anordnung von Windungen aufweist. Durch das additive Multi-Material-Druck-Verfahren kann die Luftspule aus verschiedenen Materialien gefertigt werden, die mechanisch fest miteinander verbunden sind. So können hiermit mehrere Windungen in frei wählbaren geometrischen Formen gefertigt werden, die sich über die gesamte axiale Ausdehnung der zylindrischen Luftspule erstrecken, und dabei mechanisch starr, und elektrisch gut isoliert miteinander verbunden sind. Durch die Auswahl der Materialien und dem additiven Aneinanderfügen von Windungen und Isolation kann die thermische Leitfähigkeit und der Füllfaktor der Luftspule verbessert werden. Dadurch kann entweder der Bauraum der elektrischen Maschine verkleinert, oder bei gleichem Bauraum deren maximale Leistung vergrößert werden. Alternativ können dadurch auch kostengünstigere Magnetmaterialen für den Permanentmagnetzylinder verwendet werden.The method according to the invention for producing an air-core coil, and the electrical machine with an air-core coil produced using this method, according to the species of the independent claims, have the advantage that a complete air-core coil is produced using the three-dimensional (3D) printing process in a single process with reduced production costs can be, which has a complex arrangement of turns. With the additive multi-material printing process, the air coil can be made of different materials that are mechanically firmly connected to each other. In this way, several windings can be produced in freely selectable geometric shapes, which extend over the entire axial extent of the cylindrical air-core coil and are connected to one another in a mechanically rigid and electrically well-insulated manner. The thermal conductivity and the space factor of the air-core coil can be improved through the selection of the materials and the additive joining of turns and insulation. As a result, either the installation space of the electrical machine can be reduced, or its maximum power can be increased with the same installation space. Alternatively, cheaper magnet materials can also be used for the permanent magnet cylinder.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen. Für die Ausbildung der einzelnen Windungen, die sich entlang einem Hohlzylinder erstrecken, kann bei dem additiven 3D-Drucken ein gut elektrisch leitendes Material verwendet werden, vorzugsweise Kupfer. Zwischen den einzelnen Windungen ist ein gut isolierendes Material angeordnet, vorzugsweise eine Keramik. Durch das 3D-Drucken können die einzelnen, gegeneinander isolierten Windungen mit einem optimierten Kupferfüllfaktor hergestellt werden, da sich zwischen den Windungen keine Luftspalte bilden. Vielmehr sind die Windungen mit dem dazwischen angeordneten isolierenden Material als ein kompakter Hohlzylinder ausgebildet, der in sich frei tragend und mechanisch stabil ist. Eine solche Luftspule ist daher über die gesamte Lebensdauer sehr robust gegenüber einer thermischen Beanspruchung und gegenüber Dauerlastschwingungen. Durch das Multimaterial-3D-Druckverfahren kann insbesondere auch die äußere Umfangswand und/oder die Innenwand des Hohlzylinders isolierend ausgebildet werden, so dass auf eine weitere Isolierung für die Luftspule verzichtet werden kann.The measures listed in the subclaims result in advantageous developments and improvements of the features specified in the dependent claims. A material with good electrical conductivity, preferably copper, can be used in additive 3D printing to form the individual windings, which extend along a hollow cylinder. A good insulating material, preferably ceramic, is arranged between the individual windings. 3D printing allows the individual, mutually insulated windings to be manufactured with an optimized copper fill factor, as there are no air gaps between the windings. Rather, the windings with the insulating material arranged between them are designed as a compact hollow cylinder which is self-supporting and mechanically stable. Such an air-core coil is therefore very robust against thermal stress and against continuous load oscillations over the entire service life. In particular, the outer peripheral wall and/or the inner wall of the hollow cylinder can also be designed to be insulating using the multi-material 3D printing process, so that further insulation for the air-core coil can be dispensed with.

Durch den großen Gestaltungsfreiraum beim 3D-Drucken können die elektrischen Windungen der Luftspule sehr kompakt einstückig mit der Isolierung ausgebildet werden. Dabei sind die Windungen mittels dem isolierenden Material zuverlässig gegenüber unerwünschten Kurzschlüssen isoliert. Dabei dient die Isolation auch direkt als mechanische Verbindung zwischen den Windungen, wodurch auch axiale Leiter der Windungen mit sehr großer Steigung mechanisch stabil als Hohlzylinder ausgebildet werden können. Der Materialquerschnitt der axialen Leiter kann dabei an die Geometrie des Hohlzylinders angepasst werden. Bei einem trapezförmigen Querschnitt können die axialen Leiter den Kreisring des Hohlzylinders optimal ausfüllen, wodurch der „Kupferfüllfaktor“ deutlich gegenüber einer herkömmlichen Drahtwicklung gesteigert wird. Näherungsweise kann der Materialquerschnitt auch rechteckig oder quadratisch ausgebildet sein, wobei auch hier die Isolation flächig an den Außenseiten der Leiterquerschnitte anliegt. Durch den viereckigen Querschnitt kann die Schichtdicke der Isolation minimiert werden, wobei trotzdem keine Hohlräume zwischen den Windungen entstehen.Due to the great freedom of design with 3D printing, the electrical windings of the air coil can be formed very compactly in one piece with the insulation. The windings are reliably isolated from unwanted short circuits by means of the insulating material. In this case, the insulation also serves directly as a mechanical connection between the windings, as a result of which axial conductors of the windings with a very large pitch can also be designed as mechanically stable hollow cylinders. The material cross section of the axial conductors can be adapted to the geometry of the hollow cylinder. With a trapezoidal cross-section, the axial conductors can optimally fill the circular ring of the hollow cylinder, which significantly increases the "copper fill factor" compared to a conventional wire winding. The cross-section of the material can also be approximately rectangular or square, with the insulation lying flat on the outer sides of the conductor cross-sections here as well. The quadrangular cross-section means that the layer thickness of the insulation can be minimized, without creating any cavities between the windings.

Durch das 3D-Druckverfahren kann sehr einfach eine Luftspule mit einer sehr kleinen radialen Dicke hergestellt werden, bei der nur zwei Windungslagen radial nebeneinander angeordnet sind, wobei sich vorzugsweise genau eine einzelne Windung radial über zwei Windungslagen erstreckt. Es können mittels dem additiven Drucken jedoch auch beliebig mehr Windungslagen gedruckt werden, ohne dass dadurch der Aufwand steigt. Alternativ kann die Luftspule auch nur eine einzige oder eine ungerade Anzahl an Windungslagen aufweisen, wobei sich dann der Hin- und Rückleiter einer Windungsfläche in der gleichen Windungslage erstreckt. Über den gesamten Umfang des Hohlzylinders können die aneinandergereihten einzelnen Windungen eines Phasenstrangs auch viele Magnetpole bilden, beispielsweise 4, 6, 8, 10 oder 12 elektrische Magnetpole.The 3D printing process makes it very easy to produce an air coil with a very small radial thickness, with only two turns layers are arranged radially next to each other, preferably exactly one individual turn extends radially over two turns layers. However, additive printing can also be used to print any number of winding layers without increasing the effort. Alternatively, the air-core coil can also have only a single winding layer or an odd number of winding layers, in which case the forward and return conductors of a winding area extend in the same winding layer. Over the entire circumference of the hollow cylinder, the lined-up individual windings of a phase strand can also form a large number of magnetic poles, for example 4, 6, 8, 10 or 12 electric magnetic poles.

Mittels dem Multi-Material-3D-Druckverfahren können in sehr einfacher Weise unterschiedliche Verschaltungen der Windungen, wie beispielsweise eine Dreiecksschaltung oder eine Sternschaltung realisiert werden. Die Luftspule wird dabei mittels einem einzigen 3D-Druck-Prozess vollständig mit den Stromanschlüssen der Verschaltungsanordnung ausgebildet, so dass keine weiteren Bauteile für die Verschaltung notwendig sind. Die Luftspule kann über Anschluss-Leitungen beispielsweise von einer benachbarten Elektronikeinheit direkt elektronisch kommutiert werden. Bei einer solchen elektrischen Maschine entfällt die Montage und Kontaktierung einer separat gefertigten Verschaltungsplatte, wodurch einerseits erheblich Montageaufwand gespart werden kann, und andererseits die elektrische Maschine deutlich robuster ausgeführt werden kann.Using the multi-material 3D printing process, different connections of the windings, such as a delta connection or a star connection, can be implemented in a very simple manner. In this case, the air-core coil is formed completely with the power connections of the interconnection arrangement using a single 3D printing process, so that no further components are required for the interconnection. The air-core coil can be directly electronically commutated by a neighboring electronics unit, for example, via connection lines. With such an electric machine, there is no need for the assembly and contacting of a separately manufactured circuit board, which means that on the one hand considerable assembly work can be saved and on the other hand the electric machine can be designed to be significantly more robust.

Verlaufen die axialen Leiter der Windungen im axial mittleren Bereich der Luftspule mit einer größeren Steigung als in deren axialen Randbereiche, kann eine solche Windung mit einer größeren Windungsfläche mit dem Permanentmagnetpol des Magnetzylinders überlappen. Dabei können Bereiche der Windungsfläche mit negativem Flussbeitrag deutlich reduziert werden. Besonders günstig ist es, wenn die axialen Leiter näherungsweise entlang der Polgrenzen des Magnetzylinders - vorzugsweise entlang der Rotorachse - verlaufen, da hierdurch die bestmögliche Überlappung mit dem Permanentmagnetfeld erzielt werden kann, was den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine deutlich erhöht. Dabei weisen die axialen Leiter in den axialen Randbereichen eine deutlich geringere Steigung auf, als im axial mittleren Bereich, damit die einzelnen Windungen einen ausreichend großen Umfangswinkel des Hohlzylinders überdecken. Dieser Winkelbereich orientiert sich an der Anzahl der Permanentmagnetpole. Durch das 3D-Drucken kann eine sprunghafte Änderung der Steigung der axialen Leiter auf kleinem Raum (d.h., mathematisch unstetiger Verlauf) mit ausreichender mechanischer Stabilität im Hohlzylinder ausgeformt werden.If the axial conductors of the windings in the axial central area of the air-core coil run with a greater gradient than in the axial edge areas, such a winding with a larger winding area can overlap with the permanent magnet pole of the magnetic cylinder. In this way, areas of the winding area with a negative flux contribution can be significantly reduced. It is particularly favorable if the axial conductors run approximately along the pole boundaries of the magnetic cylinder—preferably along the rotor axis—since this allows the best possible overlap with the permanent magnetic field to be achieved, which significantly increases the efficiency of the electrical machine. In this case, the axial conductors in the axial edge areas have a significantly smaller gradient than in the axial central area, so that the individual turns cover a sufficiently large circumferential angle of the hollow cylinder. This angular range is based on the number of permanent magnet poles. With 3D printing, a sudden change in the gradient of the axial conductors can be formed in a small space (i.e., mathematically discontinuous course) with sufficient mechanical stability in the hollow cylinder.

Die Querschnittsfläche der axialen Leiter der Windungen kann mittels dem flexiblen 3D-Druckverfahren eine beliebige Form und einen beliebigen Betrag aufweisen. Im Gegensatz zur Drahtwickel-Technik kann durch das flexible 3D-Druckverfahren die Geometrie der einzelnen Windungen an verschiedenen axialen Bereichen des Hohlzylinders einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen. Dadurch ändert sich die wirksame Materialquerschnittsfläche der einzelnen Windungen entlang der axialen Erstreckung des Hohlzylinders. So kann beispielsweise der Querschnitt der einzelnen Windungen an der Stirnseite eine größere radiale Ausdehnung aufweisen, als im axial mittleren Bereich der Luftspule. Dabei kann sich das Material der Windungen entlang der Stirnseiten radial nach außen und/oder radial nach innen erstrecken. Dadurch kann der elektrische Widerstand der Windungen an den Stirnseiten reduziert werden und gleichzeitig die axiale Baulänge der Luftspule verringert werden. Außerdem kann die größere radiale Erstreckung des Materialquerschnitts der Windungen an den Stirnseiten zu deren Kühlung genutzt werden. Soll hingegen zum axialen auch der radialer Bauraum gespart werden, kann der Materialquerschnitt der Windungen an den axialen Randbereichen des Hohlzylinders auch gegenüber dem axial mittleren Bereich reduziert werden. Dies kann in bestimmten Fällen in Kauf genommen werden, wenn beispielsweise keine große Dauerbelastung des Elektromotors auftritt. Mit der Variation des Materialquerschnitts kann auch entsprechend beim 3D-Drucken die Form und/oder die Dicke der dazwischen liegenden Isolationsschichten einfach angepasst werden.The cross-sectional area of the axial conductors of the windings can be of any shape and any amount using the flexible 3D printing process. In contrast to wire winding technology, the flexible 3D printing process allows the geometry of the individual windings to have a different cross-section in different axial areas of the hollow cylinder. This changes the effective material cross-sectional area of the individual windings along the axial extension of the hollow cylinder. For example, the cross section of the individual windings on the end face can have a greater radial extent than in the axially central area of the air-core coil. The material of the windings can extend radially outwards and/or radially inwards along the end faces. As a result, the electrical resistance of the windings on the end faces can be reduced and at the same time the axial overall length of the air-core coil can be reduced. In addition, the larger radial extent of the material cross section of the windings on the end faces can be used to cool them. If, on the other hand, the radial installation space is also to be saved in addition to the axial one, the material cross section of the windings on the axial edge areas of the hollow cylinder can also be reduced compared to the axial middle area. In certain cases, this can be accepted if, for example, the electric motor is not subjected to a large continuous load. With the variation of the material cross-section, the shape and/or the thickness of the insulating layers in between can also be easily adjusted accordingly during 3D printing.

Werden die einzelnen Windungen im axial mittleren Bereich mit einer deutlich höheren Steigung ausgebildet, als in den axialen Randbereichen, kann vorteilhaft auch die axiale Länge des Magnetzylinders reduziert werden. Di axiale Länge des Magnetzylinders entspricht dann bevorzugt der axialen Länge des axial mittleren Bereichs der Luftspule mit der größeren Steigung der axialen Leitern. Dabei stehen die axialen Randbereiche der Luftspule axial über den Magnetzylinder hinaus. Besonders bei der Verwendung von Seltene Erden Magneten können dadurch erheblich Kosten für das Magnetmaterial gespart werden.If the individual windings are formed with a significantly higher gradient in the axial central area than in the axial edge areas, the axial length of the magnetic cylinder can also be advantageously reduced. The axial length of the magnetic cylinder then preferably corresponds to the axial length of the axially central area of the air-core coil with the greater pitch of the axial conductors. The axial edge areas of the air-core coil protrude axially beyond the magnetic cylinder. Especially when using rare earth magnets, considerable costs for the magnet material can be saved.

Durch die Anordnung der beiden axialen Leiter einer einzelnen Windung in unterschiedlichen Windungslagen können sehr viele identische axiale Leiter in jeder Windungslage bezüglich der Umfangsrichtung formschlüssig aneinander gereiht werden, wodurch der „Kupferfüllfaktor“ erhöht werden kann. Durch das 3D-Drucken kann der radiale Übergang von der ersten in die zweite Windungslage ohne den Biegeradius einer Drahtwicklung erfolgen, so dass die beiden Windungslagen auch an den axialen Randbereichen radial sehr eng aneinander anliegen, wodurch ein bauchiger Wickelkopf wie bei der Drahtwicklung verhindert wird. Dadurch kann der Bauraum optimal genutzt werden und eine kompakte elektrische Maschine mit hoher Leistungsdichte hergestellt werden.By arranging the two axial conductors of a single winding in different winding layers, a large number of identical axial conductors can be lined up in a form-fitting manner in each winding layer with respect to the circumferential direction, which can increase the "copper fill factor". Thanks to 3D printing, the radial transition from the first to the second winding layer can take place without the bending radius of a wire winding, so that the two winding layers also lie very tightly against one another radially at the axial edge areas, which prevents a bulbous winding head as with wire winding. As a result, the installation space can be used optimally and a compact electrical machine with a high power density can be produced.

Beim Drahtwickeln einer „gestrickten Luftspule“ ist das Zusammenstricken der einzelnen Wicklungssegmente sehr aufwändig. Beim Multi-Material-3D-Drucken können auch komplexe Geometrien der einzelnen Windungen und der ganzen Phasenstränge ohne jeglichen Mehraufwand gedruckt werden, da die Materialien der Windungen und der Isolation axial schichtweise mittels der Düsen aufgetragen werden. Dadurch kann auch eine große Anzahl von Magnetpolen über den Umfang der Luftspule ausgebildet werden, weil die einzelnen axialen Leiter immer stoffschlüssig mechanisch fest zu dem Hohlzylinder verbunden werden. Somit können auch Elektromotoren mit sechs bis zwölf oder mehr Magnetpolen hergestellt werden. Dadurch kann das Rastmoment eines solchen Elektromotors minimiert werden.When wire winding a "knitted air coil", knitting together the individual winding segments is very complex. With multi-material 3D printing, complex geometries of the individual windings and the entire phase strands can also be printed without any additional effort, since the materials of the windings and the insulation are applied axially in layers using the nozzles. As a result, a large number of magnetic poles can also be formed over the circumference of the air-core coil, because the individual axial conductors are always mechanically firmly connected to the hollow cylinder in a materially bonded manner. This means that electric motors with six to twelve or more magnetic poles can also be produced. As a result, the cogging torque of such an electric motor can be minimized.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine hat den Vorteil, dass diese aufgrund der 3D-gedruckten Luftspule eine geringere axiale Baulänge aufweist, als herkömmlich drahtgewickelte elektrische Maschinen mit vergleichbaren Materialquerschnitt. Durch das 3D-Drucken der Luftspule mit dem leitenden und isolierenden Material kann einerseits ein Hohlzylinder mit einem optimalen Kupferfüllfaktor ausgeführt werden, und gleichzeitig die axiale Bauhöhe des korrespondierenden Permanentmagnetzylinders der elektrischen Maschine minimiert werden. Dadurch kann die Leistungsdichte der elektrischen Maschine pro Baulängeneinheit erhöht werden. Der Hohlzylinder kann dabei als gehäusefester Stator ausgebildet werden, der mittels elektronischer Kommutierung einen Permanentmagnetzylinder als Rotor antreibt. Dabei kann der Permanentmagnetzylinder radial innerhalb oder außerhalb der Luftspule angeordnet sein und insbesondere mechanisch mit dem magnetischen Rückschluss verbunden sein, der radial auf der gegenüberliegend zum Magnetzylinder angeordnet ist, so dass die Luftspule radial nach innen und nach außen zu dem rotierenden Magnetzylinder und dem rotierenden Rückschluss aufweist. Alternativ kann der Hohlzylinder als drehbarer Rotor ausgebildet werden, der über einen mechanischen Kommutator bestromt wird, und von einem Permanentmagnetzylinder als drehfesten Stator angetrieben wird. Dabei kann die drehbare Luftspule auch radial innerhalb oder radial außerhalb des Magnetzylinders angeordnet sein.The electrical machine according to the invention has the advantage that, due to the 3D-printed air-core coil, it has a shorter overall axial length than conventional wire-wound electrical machines with a comparable material cross-section. By 3D printing the air-core coil with the conductive and insulating material, a hollow cylinder can be designed with an optimal copper fill factor, and at the same time the axial height of the corresponding permanent magnet cylinder of the electrical machine can be minimized. As a result, the power density of the electrical machine per overall length unit can be increased. The hollow cylinder can be designed as a stator fixed to the housing, which drives a permanent magnet cylinder as a rotor by means of electronic commutation. The permanent magnet cylinder can be arranged radially inside or outside of the air-core coil and in particular mechanically connected to the magnetic yoke, which is arranged radially on the opposite side of the magnetic cylinder, so that the air-core coil can move radially inwards and outwards to the rotating magnetic cylinder and the rotating yoke having. Alternatively, the hollow cylinder can be designed as a rotatable rotor, which is energized via a mechanical commutator and is driven by a permanent magnet cylinder as a non-rotatable stator. The rotatable air-core coil can also be arranged radially inside or radially outside of the magnetic cylinder.

Figurenlistecharacter list

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ausführungen der Beschreibung und der Zeichnungen, wie diese in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben sind. Es zeigen:

1 eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
2 ein Querschnitt durch eine Luftspule einer weiteren Ausführung,
3 eine schematische Darstellung des Windungsverlaufs Von weiteren Ausführungsbeispielen, und
4 eine weiteren Ausführung eines Windungsverlaufs einer Luftspule.

Further features of the invention result from the further explanations of the description and the drawings, as they are described in the following exemplary embodiments of the invention. Show it:

1 a first embodiment of an electrical machine according to the invention,
2 a cross section through an air coil of another embodiment,
3 a schematic representation of the course of the winding of further exemplary embodiments, and
4 another embodiment of a winding course of an air-core coil.

In der 1 ist als Explosionszeichnung eine elektrische Maschine 28 dargestellt, bei der ein Magnetzylinder 34 als Rotor 33 innerhalb einer Luftspule 10 angeordnet ist. Die Luftspule 10 weist an einer ersten axialen Seite 31 Stromanschlüsse 17 auf, die mit einer Verschaltungsanordnung 16 verbunden sind. Um die Luftspule 10 herum ist ein magnetischer Rückschlussring 36 angeordnet, der beispielsweise als laminiertes Blechpaket 38 ausgebildet ist. Das Blechpaket 38 bildet zusammen mit der Luftspule 10 und der Verschaltungsanordnung 16 einen ortsfesten Stator 30. Der Rückschlussring 36 ist in ein Motorgehäuse 27 eingefügt, an dem die Lagerschilde 25 für den Rotor 33 angeordnet sind. Der Rotor 33 ist mittels einer Rotorwelle 73 in den Lagerschilden 25 gelagert. Die Rotorwelle 73 durchdringt mit einem freien Ende 39, an dem ein Abtriebselement 37 angeordnet ist, zumindest eines der Lagerschilde 25. Von der Verschaltungsanordnung 16 führen elektrische Anschluss-Leitungen 26 durch das Lagerschild 25 nach außen zu einer Steuerelektronik 40. Der Magnetzylinder 34 weist eine axiale Länge 35 auf, die insbesondere kürzer ist, als die axiale Abmessung 52 der Luftspule 10. Die Luftspule 10 ist als frei tragender Hohlzylinder 11 ausgebildet, bei dem sich mehrere Windungen 14 über die gesamte axiale Abmessung 52 des Hohlzylinders 11 erstrecken. Jede einzelne Windung 14 umschließt dabei eine Windungsfläche 94 entlang der Umfangsrichtung 7 des Hohlzylinders 11. Durch die elektronische Kommutierung der Windungen 14 wird ein wanderndes Magnetfeld in Radialrichtung 9 erzeugt, aufgrund dessen der Magnetzylinder 34 des Rotors 33 in Drehung versetzt wird. An der Verschaltungsanordnung 16 sind die Anschluss-Leitungen 26 angeordnet, die mit einer Steuerelektronik 40 verbunden sind. Mittels der Steuerelektronik 40 können die Windungen 14 über die Stromanschlüsse 17 bestromt werden, um beispielsweise die elektronische Kommutierung der elektrischen Maschine 28 zu realisieren. Die Stromanschlüsse 17 sind in diesem Ausführungsbeispiel ausschließlich an einer ersten axialen Seite 31 der Luftspule 10 ausgebildet. Somit ist diese elektrische Maschine 28 als EC-Innenläufer-Motor ausgebildet. Die Luftspule 10 ist mittels einem additiven Multi-Material-3D-Druckverfahren hergestellt, wobei die Windungen 14 aus einem elektrisch leitenden Material 21 - vorzugsweise Kupfer - gedruckt werden. Um die Windungen 14 gegeneinander zu isolieren, ist zwischen diesen als Isolierung 18 ein isolierendes Material 22 - vorzugsweise Keramik - angeformt. Das leitende Material 21 und das isolierende Material 22 werden mittels Düsen direkt aneinander angefügt, insbesondere axial schichtweise gedruckt, so dass zwischen den Windungen 14 bevorzugt keine Hohlräume entstehen.In the 1 an electrical machine 28 is shown as an exploded drawing, in which a magnetic cylinder 34 is arranged as a rotor 33 within an air coil 10 . The air-core coil 10 has current connections 17 on a first axial side 31 which are connected to a wiring arrangement 16 . A magnetic return ring 36 is arranged around the air-core coil 10 and is designed, for example, as a laminated core 38 . The laminated core 38 forms a stationary stator 30 together with the air-core coil 10 and the interconnection arrangement 16. The yoke ring 36 is inserted into a motor housing 27 on which the end shields 25 for the rotor 33 are arranged. The rotor 33 is mounted in the end shields 25 by means of a rotor shaft 73 . The rotor shaft 73 penetrates with a free end 39, on which an output element 37 is arranged, at least one of the bearing plates 25. From the wiring arrangement 16, electrical connection lines 26 lead through the bearing plate 25 to the outside to control electronics 40. The magnetic cylinder 34 has a axial length 35, which is in particular shorter than the axial dimension 52 of the air-core coil 10. The air-core coil 10 is designed as a self-supporting hollow cylinder 11, in which a plurality of turns 14 extend over the entire axial dimension 52 of the hollow cylinder 11. Each individual winding 14 encloses a winding surface 94 along the circumferential direction 7 of the hollow cylinder 11. The electronic commutation of the windings 14 generates a moving magnetic field in the radial direction 9, which causes the magnetic cylinder 34 of the rotor 33 to rotate. The connecting lines 26 are arranged on the wiring arrangement 16 and are connected to control electronics 40 . The windings 14 can be supplied with current via the current connections 17 by means of the control electronics 40 in order, for example, to realize the electronic commutation of the electrical machine 28 . In this exemplary embodiment, the current connections 17 are formed exclusively on a first axial side 31 of the air-core coil 10 . Thus, this electrical machine 28 is designed as an EC internal rotor motor. The air coil 10 is produced by means of an additive multi-material 3D printing process, the windings 14 being printed from an electrically conductive material 21, preferably copper. In order to insulate the windings 14 from one another, an insulating material 22 - preferably ceramic - is formed between them as insulation 18. The conductive material 21 and the insulating material 22 are joined directly to one another by means of nozzles, in particular printed axially in layers, so that preferably no cavities are formed between the windings 14 .

In einer nicht dargestellten Varianten der elektrischen Maschine 28 ist der Magnetzylinder 34 als Stator 30 ortsfest angeordnet, und die Luftspule 10 um den Rotorzylinder 34 drehbar angeordnet. Dabei ist an der ersten axialen Seite 31 der Luftspule 10 ein mechanischer Kommutator angeordnet, über den die Windungen 14 bestromt werden. Der Magnetzylinder 34 weist ein permanentes Magnetfeld in Radialrichtung 9 nach außen auf, das mit dem in den Windungen 14 induzierten Magnetfeld zusammen wirkt, und die Luftspule 10 in Drehung versetzt. Die Luftspule 10 wirkt hier als Rotor 33 und ist drehfest mit dem Kommutator auf der drehbaren Rotorwelle 73 angeordnet, die wiederum das Abtriebselement 37 aufweist. Somit ist diese elektrische Maschine 28 als DC-Außenläufer-Motor ausgebildet.In a variant of the electrical machine 28 that is not shown, the magnetic cylinder 34 is arranged in a stationary manner as the stator 30 , and the air coil 10 is arranged such that it can rotate around the rotor cylinder 34 . In this case, a mechanical commutator is arranged on the first axial side 31 of the air coil 10, via which the windings 14 are energized. The magnetic cylinder 34 has a permanent magnetic field in the radial direction 9 outwards, which interacts with the magnetic field induced in the windings 14 and causes the air coil 10 to rotate. The air-core coil 10 acts here as a rotor 33 and is arranged in a rotationally fixed manner with the commutator on the rotatable rotor shaft 73 , which in turn has the output element 37 . Thus, this electrical machine 28 is designed as a DC external rotor motor.

2 zeigt einen Schnitt durch eine „abgerollte“ Luftspule 10 über den gesamten Umfangsbereich 50 des Hohlzylinders 11 von 0° bis 360°. Die Luftspule 10 weist hier in Radialrichtung 9 genau zwei Windungslagen 15 auf. Die einzelnen Windungen 14 sind mit einem näherungswiesen rechteckigen Materialquerschnitt 24 ausgebildet, wobei die beiden Windungslagen 15 in Umfangsrichtung 7 des Hohlzylinders 11 gegeneinander versetzt angeordnet sind. Durch den eckigen Materialquerschnitt 24 kann der „Kupferfüllfaktor“ der Luftspule 10 vergrößert werden. Die Windungen 14 sind aus dem elektrisch leitenden Material 21, bevorzugt Kupfer, gedruckt. Zwischen den Windungen 14 ist das elektrisch isolierende Material 22, bevorzugt Keramik, der Isolierung 18 gedruckt. Die Isolierung 18 liegt vollflächig an den Windungen 14 an, so dass zwischen den Windungen 14 keine Hohlräume entstehen. Dadurch weist die Isolierung 18 einen mechanisch formschlüssigen - und dadurch auch einen sehr guten thermischen - Kontakt zu den Windungen 14 auf. Durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Windungen 14 und dem Isolator 18 beim 3D-Drucken wird die Luftspule 10 mechanisch besonders stabil freitragend ausgebildet. Die Anzahl der Windungslagen 15 bestimmt die radiale Dicke 85 der Zylinderwand des Hohlzylinders 11. Dabei kann über den radial äußeren Umfangsbereich 50 und/oder an der radialen Innenseite 86 des Holzylinders 11 ebenfalls isolierendes Material 22 aufgetragen werden. In 2 ist ein Schnitt an einer bestimmten axialen Stelle des Hohlzylinders 11 dargestellt. Der Materialquerschnitt 24 der Windungen 14 kann über die axiale Abmessung 35 des Hohlzylinders 11 optional auch variieren, wobei sich insbesondere die Maße des viereckigen Materialquerschnitts 24 ändern, und beispielsweise auch quadratisch oder trapezförmig ausgebildet sein können. Alle Windungen 14 werden zusammen mit der Isolierung 18 in einem Prozess mittels dem additivem 3D-Druck-Verfahren hergestellt. Dabei wird die gesamte Luftspule 10 nach dem Drucken gesintert, so dass Binderanteile der gedruckten Materialien 21, 22 ausgetrieben werden. Für die Endmaße ist beim 3D-Drucken zu berücksichtigen, dass beim Trocken der Luftspule 10 ein Materialschwund auftritt. 2 shows a section through an “unrolled” air-core coil 10 over the entire peripheral area 50 of the hollow cylinder 11 from 0° to 360°. The air-core coil 10 here has exactly two winding layers 15 in the radial direction 9 . The individual windings 14 are formed with an approximately rectangular material cross section 24 , the two winding layers 15 being offset from one another in the circumferential direction 7 of the hollow cylinder 11 . The “copper fill factor” of the air coil 10 can be increased by the angular material cross section 24 . The windings 14 are printed from the electrically conductive material 21, preferably copper. The electrically insulating material 22, preferably ceramic, of the insulation 18 is printed between the turns 14. The insulation 18 rests against the windings 14 over its entire surface, so that no cavities are formed between the windings 14 . As a result, the insulation 18 has a mechanically form-fitting—and therefore also a very good thermal—contact with the windings 14 . Due to the integral connection between the windings 14 and the insulator 18 during 3D printing, the air coil 10 is designed to be mechanically particularly stable and self-supporting. The number of winding layers 15 determines the radial thickness 85 of the cylinder wall of the hollow cylinder 11 . In 2 a section at a certain axial point of the hollow cylinder 11 is shown. The material cross section 24 of the windings 14 can optionally also vary via the axial dimension 35 of the hollow cylinder 11, with the dimensions of the square material cross section 24 changing in particular, and being able to be square or trapezoidal, for example. All windings 14 are produced together with the insulation 18 in one process using the additive 3D printing method. In this case, the entire air-core coil 10 is sintered after printing, so that binder portions of the printed materials 21, 22 are expelled. For the final dimensions, it must be taken into account in 3D printing that material shrinkage occurs when the air-core coil 10 is dried.

In 3 sind Varianten des Verlaufs einzelner Windungen 14 über die axiale Abmessung 52 und über den Umfangsbereich 50 schematisch am „abgewickelten“ Hohlzylinder 11 dargestellt. Bei einer ersten Windungsvariante 71 (dicke Linie) startet die Windung 14 am Umfangsbereich 50 von 0° an der ersten axialen Seite 31 des Hohlzylinders 11 mit einer Steigung 48, die über die gesamte axiale Abmessung 52 des Hohlzylinders 11 konstant ist. Von der gegenüberliegenden zweiten axialen Seite 32 des Hohlzylinders 11 verläuft die Windung 14 wieder mit einer gleichbleibenden negativen Steigung 48 über der gesamten axialen Abmessung 52 zurück zur ersten Seite 31. Alle weiteren Windungen 14 der Windungsvariante 71 verlaufen dann entlang dieser einen dargestellten Windung 14. Bei dieser dargestellten, einfach geschrägten Windungsvariante 71 erstreckt sich eine Windung 14 über den gesamten Umfangsbereich 50 von 0° bis 360°, so dass die erste Windung 14 wieder an ihrem Anfangspunkt endet. In 3 ist des Weiteren ein Permanentmagnetpol 74 des korrespondierenden Magnetzylinders 34 eingezeichnet. Der Magnetzylinder 34 weist beispielsweise über den Umfangsbereich 50 genau zwei Permanentmagnetpole 74 auf, von denen einer mit seiner Ausdehnung über den Umfangsbereich 50 von 90° bis 270° in 3 (mit karierter Schraffur) eingezeichnet ist. Die axiale Abmessung 35 des Permanentmagnetpols 74 ist hier kürzer als die axiale Abmessung 52 der Luftspule 10. Die Windung 14 umschließt auf dem Hohlzylinder 11 eine Windungsfläche 94, die zu einem großen Teil mit der straffierten Fläche des Permanentmagnetpols 74 überlappt. Allerdings gibt es bei dieser Windungsvariante 71 auch Bereiche 75 der Windungsfläche 94 (einfach schraffiert dargestellt), die einen negativen Flussbeitrag für den Antrieb leisten.In 3 Variants of the course of individual windings 14 over the axial dimension 52 and over the peripheral area 50 are shown schematically on the “unrolled” hollow cylinder 11 . In a first winding variant 71 (thick line), the winding 14 starts at the peripheral region 50 from 0° on the first axial side 31 of the hollow cylinder 11 with a pitch 48 that is constant over the entire axial dimension 52 of the hollow cylinder 11. From the opposite, second axial side 32 of the hollow cylinder 11, the winding 14 again runs with a constant negative gradient 48 over the entire axial dimension 52 back to the first side 31. All further windings 14 of the winding variant 71 then run along this one winding 14 shown In this illustrated, simply beveled winding variant 71, a winding 14 extends over the entire circumferential area 50 from 0° to 360°, so that the first winding 14 again ends at its starting point. In 3 a permanent magnetic pole 74 of the corresponding magnetic cylinder 34 is also shown. The magnetic cylinder 34 has, for example, exactly two permanent magnet poles 74 over the peripheral area 50, one of which with its extension over the peripheral area 50 from 90° to 270° in 3 (with checkered hatching). The axial dimension 35 of the permanent magnet pole 74 is shorter here than the axial dimension 52 of the air coil 10. The winding 14 encloses a winding surface 94 on the hollow cylinder 11, which largely overlaps with the tightened surface of the permanent magnet pole 74. However, in this winding variant 71 there are also areas 75 of the winding surface 94 (represented simply hatched), which make a negative contribution to the flux for the drive.

In 3 ist eine zweite Windungsvariante 72 in Form von zwei parallelen dünnen Linien dargestellt, die insbesondere auch den Materialquerschnitt 24 dieser Windung 14 repräsentieren sollen. Die Windung 14 dieser Windungsvariante 72 verläuft in einem unteren und einem oberen axialen Randbereich 54 des Hohlzylinders 11 mit geringerer Steigung 48, als in einem axial mittleren Bereich 53 des Hohlzylinders 11. Dadurch verläuft die Windung 14 im axial mittleren Bereich 53 mit der größeren Steigung 48 näherungsweise in Axialrichtung 8, entlang der Polgrenze 76 der Permanentmagnetpole 74, insbesondere etwa über die gesamte axiale Abmessung 35 der Permanentmagnetpole 74. Dadurch weist die zweite Windungsvariante 72 nur sehr kleine Bereiche 75 mit negativem Flussbeitrag auf. Die axialen Randbereiche 54 des Hohlzylinders 11 mit der niedrigeren Steigung 48 der zweiten Windungsvariante 72 liegen vorzugsweise weitgehend axial außerhalb der axialen Abmessung 35 des Magnetzylinders 34. Dadurch ist die Überlappung der Windungsfläche 94 mit den unterschiedlichen Steigungen 48 (zweite Windungsvariante 72) zum Permanentmagnetpol 74 deutlich größer, als bei der einfach geschrägten Windungsvariante 71. Im axial mittleren Bereich 53 mit der größeren Steigung 48 kann der Materialquerschnitt 24 der Windung 14 senkrecht zu deren Erstreckungsrichtung 46 der Windung 14 größer oder kleiner ausgebildet sein, als in den axialen Randbereichen 52 mit der geringeren Steigung 48 der Windung 14. Dabei kann sowohl der Betrag des Materialquerschnitts 24, als auch dessen Geometrie unterschiedlich sein, wobei insbesondere der Materialquerschnitt 24 im Bereich größerer Steigung 48 größer ausgebildet ist, als im Bereich mit kleinerer Steigung 48 (zur Axialrichtung 8 hin).In 3 a second winding variant 72 is shown in the form of two parallel thin lines, which are intended to represent the material cross section 24 of this winding 14 in particular. The winding 14 of this winding variant 72 runs in a lower and an upper axial edge region 54 of the hollow cylinder 11 with a smaller slope 48 than in an axially central region 53 of the hollow cylinder 11. As a result, the winding 14 in the axially central region 53 with the larger slope 48 runs approximately in the axial direction 8, along the pole boundary 76 of the permanent magnet poles 74, in particular approximately over the entire axial dimension 35 of the permanent magnet poles 74. As a result, the second winding variant 72 has only very small areas 75 with a negative flux contribution. The axial edge regions 54 of the hollow cylinder 11 with the lower pitch 48 of the second winding variant 72 are preferably largely axially outside of the axial dimension 35 of the magnetic cylinder 34. As a result, the overlapping of the winding surface 94 with the different pitches 48 (second winding variant 72) to the permanent magnet pole 74 is clear larger than in the simply beveled winding variant 71. In the axially central region 53 with the greater pitch 48, the material cross section 24 of the winding 14 perpendicular to the direction in which it extends 46 of the winding 14 can be larger or smaller than in the axial edge regions 52 with the smaller pitch Pitch 48 of the winding 14. Both the amount of the material cross section 24 and its geometry can be different, with the material cross section 24 in particular being larger in the area with a larger pitch 48 than in the area with a smaller pitch 48 (towards the axial direction 8).

In einer weiteren Windungsvariante 70 gemäß 4 sind schematisch über den Umfangsbereich 50 des Hohlzylinders 11 mehrere einzelne Windungen 44 in einem Phasenstrang 90 angeordnet. Die einzelnen Windungen 44 verlaufen aneinandergereiht ununterbrochen leitend als Wellenwicklung mehrmals über den gesamten Umfangsbereich 50. Die einzelnen Windungen 44 weisen erste axiale Leiter 64 auf, die in einer ersten Windungslage 15 - z.B. in der radial äußeren Windungslage 15 - in Axialrichtung 8 verlaufen. An den axialen Stirnseiten 31, 32 des Hohlzylinders 11 gehen die ersten axialen Leiter 64 in die zweiten axialen Leiter 65 über, die in der zweiten - insbesondere inneren - Windungslage 15 in die entgegengesetzte axiale Richtung verlaufen (mit entgegengesetzter Stromrichtung). Somit verläuft eine einzelne Windung 44, die eine bestimmte Windungsfläche 94 über der gesamten axialen Abmessung 52 des Hohlzylinders 11 umschließt, mit ihrem ersten und zweiten axialen Leiter 64, 65 in zwei unterschiedlichen Windungslagen 15. Mehrerer dieser Windungen 44 sind in Umfangsrichtung 7 unmittelbar nebeneinander angeordnet, und bilden einen radialen elektrischen Magnetpol 58 des Hohlzylinders 11. In 4 bildet ein Phasenstrang 90 beispielsweise zehn Magnetpole 58 aus, die jeweils durch beispielweise drei in Axialrichtung 8 parallel und unmittelbar benachbart zueinander verlaufenden einzelnen Windungen 44 gebildet werden. Die axialen Leiter 64, 65 verlaufen im axial mittleren Bereich 53 des Hohlzylinders 11 etwa parallel zu Rotorachse 29 (d. h, mit einer unendlichen Steigung 48). In den axialen Randbereichen 54 ist die Steigung 48 der axialen Leiter 64, 65 geringer, um eine gewisse Ausdehnung der Windungsfläche 94 in Umfangsrichtung 7 zu erzielen. Dabei kann sich die Steigung 48 auch stetig ändern, was einer Biegung der axialen Leiter 64, 65 entspricht. An den axialen Stirnseiten 31, 32 gehen die ersten axialen Leiter 64 einstückig in die zweiten axialen Leiter 65 über, die dann in entgegengesetzter Axialrichtung 8 verlaufen. Der Materialquerschnitt 24 der axialen Leiter 64, 65 ist dabei insbesondere trapezförmig, wobei die Ausdehnung in Tangentialrichtung 7 radial weiter außen größer ist, als radial weiter innen. Der Materialquerschnitt 24 kann sich in Form und Betrag in den Randbereichen 54 auch ändern, bevorzugt aufgrund der Verschränkung der axialen Leitern 64, 65 in den axialen Randbereichen 54. Soll die radiale Dicke 85 der Luftspule 10 an den Stirnseiten 31, 32 konstant bleiben, nimmt der Materialquerschnitt 24 der axialen Leiter 64, 65 in den Randbereichen 54 ab, da durch die Verschränkung weniger Volumen zur Verfügung steht. Steht jedoch an zumindest einer Stirnseite 31, 32 mehr radialer Bauraum zur Verfügung, kann die radiale Abmessung 84 der axialen Leiter 64, 65 in den Randbereichen 54 zunehmen. Dadurch kann entweder ein betragsmäßig konstanter Materialquerschnitt 24 entlang der Erstreckungsrichtung 46 der Windung 44 erzielt werden, oder es kann zur Kühlung und/oder Widerstandssenkung der einzelnen Windungen 44 der Materialquerschnitt 24 in den axialen Randbereichen 54 bewusst vergrößert werden. Zur Ausbildung einer vollständigen Luftspule 10 werden beispielsweise drei solcher Phasenstränge 90 zueinander versetzt ausgebildet. Mittels dem 3D-Drucken, werden dabei alle Phasenstränge 90 simultan Schicht für Schicht in Axialrichtung 8 aufeinander gedruckt. Dadurch werden die Magnetpole 58 der weiteren Phasenstränge 90 in Umfangsrichtung 7 gegeneinander versetzt ausgebildet. Die Phasenstränge 90 werden an der ersten Stirnseite 31 mittels einer Dreieckschaltung oder einer Sternschaltung miteinander verschaltet, so dass die Stromanschlüsse 17 der Verschaltungsanordnung 16 auch mittels additivem 3D-Drucken ausgebildet werden. Die Phasenanschlüsse bilden dann insbesondere direkt die Anschluss-Leitungen 26, die mit der Steuerelektronik 40 verbunden werden können.In a further winding variant 70 according to 4 several individual windings 44 are arranged in a phase strand 90 schematically over the peripheral region 50 of the hollow cylinder 11 . The individual windings 44 are lined up in a conductive manner as a wave winding several times over the entire peripheral region 50. The individual windings 44 have first axial conductors 64 which run in the axial direction 8 in a first winding layer 15--for example in the radially outer winding layer 15. At the axial end faces 31, 32 of the hollow cylinder 11, the first axial conductors 64 merge into the second axial conductors 65, which in the second—particularly inner—winding layer 15 run in the opposite axial direction (with opposite current direction). Thus, a single winding 44, which encloses a specific winding area 94 over the entire axial dimension 52 of the hollow cylinder 11, runs with its first and second axial conductor 64, 65 in two different winding layers 15. Several of these windings 44 are arranged directly next to one another in the circumferential direction 7 , and form a radial electric magnetic pole 58 of the hollow cylinder 11. In 4 a phase strand 90 forms, for example, ten magnetic poles 58 which are each formed by, for example, three individual windings 44 running parallel and directly adjacent to one another in the axial direction 8 . The axial conductors 64, 65 run in the axially central region 53 of the hollow cylinder 11 approximately parallel to the rotor axis 29 (i.e. with an infinite pitch 48). The pitch 48 of the axial conductors 64 , 65 is less in the axial edge regions 54 in order to achieve a certain expansion of the winding surface 94 in the circumferential direction 7 . The gradient 48 can also change constantly, which corresponds to a bending of the axial conductors 64, 65. On the axial end faces 31, 32, the first axial conductors 64 transition in one piece into the second axial conductors 65, which then run in the opposite axial direction 8. The material cross section 24 of the axial conductors 64, 65 is in particular trapezoidal, with the extent in the tangential direction 7 being greater radially further outward than radially further inward. The material cross section 24 can also change in shape and amount in the edge areas 54, preferably due to the interlacing of the axial conductors 64, 65 in the axial edge areas 54. If the radial thickness 85 of the air-core coil 10 at the end faces 31, 32 remains constant, the material cross-section 24 of the axial conductors 64, 65 decreases in the edge regions 54, since there is less volume available due to the entanglement. However, if more radial installation space is available on at least one end face 31, 32, the radial dimension 84 of the axial conductors 64, 65 in the edge regions 54 can increase. As a result, either a material cross section 24 that is constant in terms of amount along the direction of extent 46 of the winding 44 can be achieved, or the material cross section 24 in the axial edge regions 54 can be intentionally enlarged for cooling and/or reducing the resistance of the individual windings 44 . To form a complete air-core coil 10, for example, three such phase strands 90 are formed offset from one another. All phase strands 90 are printed simultaneously layer by layer on top of one another in the axial direction 8 by means of 3D printing. As a result, the magnetic poles 58 of the further phase strands 90 are offset from one another in the circumferential direction 7 . The phase strands 90 are connected to one another on the first end face 31 by means of a delta connection or a star connection, so that the current connections 17 of the connection arrangement 16 are also formed by means of additive 3D printing. The phase connections then in particular directly form the connection lines 26 which can be connected to the control electronics 40 .

Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So können die verwendeten Materialen 21, 22 für die Windungen 14 und die Isolation 18 entsprechen den Anforderungen der elektrischen Maschine 28 variiert werden. Bei dem 3D-Drucken der Luftspule 10 können die Windungen 14 ohne Luftspalt aneinander angrenzen, da die einzelnen Windungen 14 durch das isolierende Material 22 gegeneinander isoliert sind, und der Materialquerschnitt der Windungen 14 viereckig ausgebildet werden kann. Die Steigung 48 der Windungen 14 kann über bestimmte axiale Bereiche 53, 54 variieren, ebenso die maximale Erstreckung einer Windung 14 in Umfangsrichtung 7, bzw. die Anzahl der Magnetpole 58 der Windungen 14 über einen vollen Umfangsbereich 50 des Hohlzylinders 11. Auch das Längenverhältnis zwischen dem Magnetzylinder 34 und der Luftspule 10 kann ebenso wie der Durchmesser und/oder die radiale Dicke 85 der Luftspule 10 den Erfordernissen angepasst werden. Die erfinderische elektrische Maschine 28 eignet sich besonders als Ausführung eines EC-Motors zur Verstellung beweglicher Komponenten oder für Rotationsantriebe im Kraftfahrzeug. Dabei kann ein solcher erfindungsgemäßer Elektromotor besonders günstig für einen eingeschränkten axialen Bauraum eingesetzt werden, insbesondere bei der Fertigung von kleineren Stückzahlen.It should be noted that with regard to the exemplary embodiments shown in the figures and the description, a wide variety of possible combinations of the individual features are possible. The materials 21, 22 used for the windings 14 and the insulation 18 can thus be varied in accordance with the requirements of the electrical machine 28. In 3D printing of the air-core coil 10, the turns 14 can adjoin one another without an air gap, since the individual turns 14 are insulated from one another by the insulating material 22, and the cross section of the material of the turns 14 can be quadrangular. The pitch 48 of the windings 14 can vary over certain axial areas 53, 54, as can the maximum extension of a winding 14 in the circumferential direction 7, or the number of magnetic poles 58 of the windings 14 over a full circumferential area 50 of the hollow cylinder 11. The length ratio between The magnetic cylinder 34 and the air-core coil 10 can be adapted to the requirements, as can the diameter and/or the radial thickness 85 of the air-core coil 10 . The inventive electrical machine 28 is particularly suitable as an EC motor for adjusting movable components or for rotary drives in the motor vehicle. In this case, such an electric motor according to the invention can be used particularly favorably for a limited axial installation space, in particular when producing small quantities.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

US 10193427 B2 [0002]
DE 1188709 A1 [0002]
DE 102017120750 A1 [0002]

Claims

Method for producing an air coil (10) for an electrical machine (28), the air coil (10) being designed as a self-supporting hollow cylinder (11) which has electrical windings (14) which each extend over the entire axial length (52) of the hollow cylinder (11), and extend over a certain peripheral area (50), and the windings (14) are electrically insulated from one another by means of insulation (18), the air-core coil (10) using an additive multi-material 3D printing process with an electrically conductive material (21) for the windings (14) and an electrically insulating material (22) arranged between them for the insulation (18).

procedure after claim 1 , characterized in that the electrically conductive material (21) - in particular copper - for the plurality of windings (14) and the electrically insulating material (22) - in particular ceramic - for the insulation (18) are applied to one another in annular layers by means of nozzles.

Procedure according to one of Claims 1 until 2 , characterized in that the material cross-section (24) of the individual windings (14) is approximately quadrilateral - in particular rectangular or square or trapezoidal - is formed, the insulation (18) being formed in a form-fitting manner between the individual windings (14) without cavities.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the radial direction (9) of the hollow cylinder (11) several winding layers (15) of the windings (14) - in particular two or four - are formed, and the windings (14) over the peripheral region ( 50) of the hollow cylinder (11) form exactly two or exactly four or exactly six or exactly eight or exactly ten magnetic poles (58) in the radial direction (9).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that current connections (17) are formed on the windings (14) only on a first axial side (31) of the hollow cylinder (11), the windings (14) being designed as a wave winding which as a delta or star connection using the additive 3D printing process to form a plurality of - in particular exactly three - phase strands (90) are connected.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the windings (14) are formed in different axial regions (53, 54) of the hollow cylinder (11), in which the amount of the gradient (48) of the windings (14) in the axial direction ( 8) is different in size with respect to the circumferential direction (7).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the amount of the gradient (48) of the windings (14) is greater in an axially central region (53) - and in particular the windings (14) run approximately parallel to the axial direction (8) - than in the axial edge areas (54) of the hollow cylinder (11).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the shape - and in particular also the amount - of the material cross section (24) of the individual windings (14) varies over the axial dimension (52) of the hollow cylinder (11), and preferably in the axial central area (53) is different from the axial edge areas (54).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the radial thickness (85) of the air-core coil (10) is greater in the axial edge regions (54) than in the axially central region (53) - and preferably the individual turns (14) be formed in the axial edge areas (54) with a larger radial dimension (84) than in the axially central area (53).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the axial extent (93) of the axially central region (53) of the air-core coil (10) with the greater pitch (48) approximately corresponds to the axial dimension (35) of one with the air-core coil (10) interacting magnetic cylinder (34) corresponds to the electrical machine (28).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the individual windings (14) extend over two winding layers (15), a first axial conductor (64) of the winding (14) for a specific winding surface (94) of a magnetic pole (58 ) runs in a first axial direction in a radially first winding layer (15) and, to enclose the winding surface (94) in the opposite axial direction, a second axial conductor (65) of the winding (14) runs in a further winding layer, the transition from the first to the second winding layer (15) runs on the two axial sides (31, 32) of the axial conductors (64) - and in particular all axial conductors (64, 65) in one winding layer (15) over the entire axial dimension (52) are arranged parallel to each other.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the air coil (10) several - in particular exactly three - continuous phase strands (90) nested in one another, each phase strand (90) having a plurality of axial conductors (64, 65) of the windings (14) arranged directly next to one another in the circumferential direction (7) - and preferably a group of immediately adjacent first axial conductors (64) together with the group of second axial conductors (65) connected thereto form a magnetic pole (58) which in particular extends electrically over a circumferential range of 30° to 60°.

Air-core coil (10) for an electrical machine (28) manufactured according to one of the preceding claims, characterized in that the air-core coil (10) is manufactured entirely by means of multi-material 3D printing.

Electrical machine (28) with an air coil (10). claim 11 , wherein the air coil (10) is arranged in a rotationally fixed manner and interacts with the rotatably arranged magnetic cylinder (34), wherein an output element (37) for the torque to be transmitted is arranged on the magnetic cylinder (34), and the air coil (10) is designed to be electronically commutable - and in particular the air-core coil (10) is arranged non-rotatably radially inside a magnetic return ring (36) and radially outside the magnetic cylinder (34).

Electrical machine (28) with an air coil claim 11 , wherein the air coil (10) is rotatably arranged and interacts with the non-rotatably arranged magnetic cylinder (34), wherein a mechanical commutator (13) for energizing the windings (14) is formed on the air coil (10) - and in particular the magnetic cylinder ( 34) is arranged radially inside the air coil (10).