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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewickeln eines Stators für eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen nach diesem Verfahren hergestellten Stator und eine elektrische Maschine mit einem solchen Stator.
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Elektrische Maschinen, insbesondere bürstenlose Gleichstrommotoren, werden beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, Lüftern oder Laserscannern verwendet. Laserscanner weisen mindestens einen Reflektor auf, der das emittierte Laserlicht ablenkt, wobei der Reflektor von einem bürstenlosen Motor angetrieben wird. Der Reflektor kann dabei beispielsweise ein Planspiegel oder ein Polygonspiegel sein. Laserscanner werden beispielsweise zum Scannen von eindimensionalen Codes (Strichcodes) oder zweidimensionalen Codes (etwa QR-Codes) verwendet und finden sich z. B. an Kassen in Geschäften. Eine andere Anwendung wird Lidar genannt (light detection and ranging) und scannt die Umgebung zumeist mittels eines Laufzeitverfahrens des emittierten, mittels Reflektoren abgelenkten, an Objekten der Umgebung reflektierten und schließlich detektierten Laserlichts. Lidar wird beispielsweise in autonomen Fahrzeugen oder in Flugzeugen verwendet.
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Dabei gehen die Bestrebungen in Richtung einer weiteren Miniaturisierung, d. h. die Baugröße der bürstenlosen Motoren soll bei vergleichbarer Traglast reduziert werden.
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Auf Grund der Miniaturisierung verbleibt in den bürstenlosen Motoren wenig Bauraum für das elektromagnetische Antriebssystem, insbesondere für den Stator, sodass die maximale elektrische Leistung des bürstenlosen Motors unter anderem durch die Baugröße des Stators begrenzt ist.
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Die bekannten bürstenlosen Motoren sind i. d. R. dreiphasige Motoren mit typischerweise 9 oder 12 Statorzähnen. Hierbei sind jeder Phase drei bzw. vier Statorzähne zugeordnet, die je nach Phase abwechselnd über den Umfang des Statorkörpers verteilt sind.
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Auf Grund der geringen Abmessungen des Stators und der kleinen Nutenöffnungen können nur Wicklungsdrähte mit begrenztem Drahtdurchmesser für das Bewickeln der Statorzähne eingesetzt werden.
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Der Durchmesser des Wicklungsdrahtes bestimmt den elektrischen Widerstand der Statorwicklung bzw. der Phasenwicklungen und damit die maximale elektrische Leistungsaufnahme bei gegebener Betriebsspannung.
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Durch Verwendung eines Wicklungsdrahtes mit größerem Durchmesser lässt sich zwar der elektrische Widerstand reduzieren und die mögliche elektrische Leistungsaufnahme vergrößern, dies scheitert jedoch oft an den zu kleinen Nutenöffnungen, die ein Bewickeln mit dickerem Draht unmöglich machen.
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Die Verwendung eines dickeren Drahtes hat auch den Nachteil, dass durch den größeren mechanischen Zug des Drahtes, der auf den Statorzahn wirkt, die Gefahr einer Verformung des Stators besteht. Eine solche Verformung der Stators kann ungleichmäßige elektrische Eigenschaften des Stators und eine mögliche Vibrations- bzw. Geräuschentwicklung zur Folge haben.
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Ein dickerer Draht führt außerdem zu einem kleineren Füllfaktor, was die Vorteile der Verwendung des dickeren Drahtes teilweise wieder aufhebt.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bewickeln eines Stators anzugeben, das einfach zu realisieren ist und dennoch eine Verringerung des elektrischen Widerstands der Statorwicklung und eine höhere elektrische Motorleistung ohne die oben angegebenen Nachteile ermöglicht.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Ein Stator sowie eine elektrische Maschine mit einem solchen Stator sind in den nebengeordneten Ansprüchen beansprucht.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bewickeln eines Stators mit einer mehrphasigen Statorwicklung für eine elektrische Maschine verwendet einen Stator mit einer Anzahl S von Statorzähnen, wobei die Anzahl S der Statorzähne der Anzahl P der Phasen A, B, C oder einem Vielfachen davon entspricht.
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Das Verfahren weist mehrere Verfahrensschritte auf.
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In einem ersten Verfahrensschritt werden die einer ersten Phase zugeordneten Statorzähne mit einer ersten Teilwicklung bewickelt, danach die einer zweiten Phase zugeordneten Statorzähne mit einer ersten Teilwicklung bewickelt und wiederum danach die der oder den weiteren Phasen zugeordneten Statorzähne mit einer ersten Teilwicklung bewickelt, wobei der Wickelvorgang ohne Unterbrechung des Wicklungsdrahtes erfolgt.
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Es werden demnach alle Statorzähne entsprechend ihrer zugeordneten Phase nacheinander mit einem durchgehenden Wicklungsdraht bewickelt.
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In einem zweiten Schritt des Verfahrens wird mit demselben Wicklungsdraht und ohne Unterbrechung des Wicklungsdrahtes der erste Verfahrensschritt mindestens einmal wiederholt, d. h. es werden wiederum alle Statorzähne entsprechend ihren Phasen nacheinander mit mindestens einer weiteren Teilwicklung bewickelt.
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In einem dritten Verfahrensschritt wird der Wicklungsdraht zwischen dem Anfang und dem Ende der einzelnen Teilwicklungen, sofern erforderlich, aufgetrennt, so dass Anfang und Ende jeder einzelnen Teilwicklung zur Verschaltung zugänglich sind.
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In einem vierten Verfahrensschritt werden alle derselben Phase zugeordneten Teilwicklungen durch Parallelschaltung zu einer Phasenwicklung vereint.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass eine Verringerung des ohmschen Widerstandes und eine Erhöhung der elektrischen Leistungsaufnahme des Elektromotors nicht durch Verwendung eines Wicklungsdrahts mit größerem Durchmesser erzielt wird, sondern stattdessen jede Phasenwicklung aus mehreren übereinanderliegenden und parallel geschalteten Teilwicklungen besteht, so dass der bisherige Durchmesser des Wicklungsdrahtes beibehalten oder sogar verringert werden kann.
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Hierbei befindet sich auf jedem Statorzahn eine erste Spule als Teil einer ersten Teilwicklung, die in einem ersten Durchgang des Wicklungsverfahrens gewickelt wird, und eine oder mehrere darüber liegende weitere Spulen als Teil einer oder mehrerer weiterer Teilwicklungen, die in einem oder mehreren nachfolgenden Durchgängen des Wicklungsverfahren gewickelt werden. Alle Durchgänge des Wicklungsverfahrens werden vorzugsweise in einem Zug mit einem durchgehenden Wicklungsdraht durchgeführt.
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Schließlich werden die Teilwicklungen derselben Phase zu einer gemeinsamen Phasenwicklung parallelgeschaltet, sodass sich der ohmsche Widerstand der gesamten Phasenwicklung, bestehend aus den mehreren parallelen Teilwicklungen, entsprechend verringert. Bei zwei parallel geschalteten Teilwicklungen halbiert sich der elektrische Widerstand, bei drei parallel geschalteten Teilwicklungen beträgt der elektrische Widerstand nur noch ein Drittel.
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Durch den geringeren elektrischen Widerstand der Phasenwicklungen kann die Statorwicklung insgesamt mit einem höheren Strom belastet und die Leistungsaufnahme des bürstenlosen Motors erhöht werden.
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Die Phasenwicklungen, die aus jeweils zwei oder mehreren parallel geschalteten Teilwicklungen bestehen, können in bekannter Weise in einer Sternschaltung mit gemeinsamem Mittelanschluss oder einer Dreiecksschaltung miteinander elektrisch verbunden werden.
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Zur Vereinfachung der elektrischen Verschaltung der einzelnen Phasenwicklungen wird der Wicklungsdraht am Anfang und am Ende jeder Teilwicklung entweder als Drahtanfang, Drahtschlaufe oder Drahtende herausgeführt und die Drahtschlaufen, falls erforderlich, aufgetrennt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
- 1 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stators mit 9 Polen.
- 2 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stators mit 12 Polen.
- 3 zeigt eine mögliche Verschaltung des Stators von 1.
- 4 zeigt eine mögliche Verschaltung des Stators von 2.
- 5 zeigt ein Wicklungsschema für den Stator von 2.
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Der erfindungsgemäße Stator 20, 220 umfasst eine mehrphasige Statorwicklung, wobei der Stator eine Anzahl S von Statorzähnen 22, 222 aufweist, die jeweils einer Phase A, B, C zugeordnet sind. Die Anzahl S der Statorzähne 22, 222 entspricht der Anzahl P der Phasenwicklungen A, B, C oder einem Vielfachen davon. Jeder Statorzahn 22, 222 ist mit mehreren übereinander liegenden Spulen 24,224 bewickelt, die jeweils Teil einer Phasenwicklung A, B, C sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein dreiphasiger Motor beschrieben.
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Erfindungsgemäß besteht jede Phasenwicklung A, B, C aus mehreren übereinander angeordneten und gleichsinnig gewickelten Teilwicklungen A1, A2, B1, B2, C1, C2, wobei die derselben Phase zugeordneten Teilwicklungen A1, A2, B1, B2, C1, C2 zueinander parallel geschaltet sind.
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1 zeigt einen Querschnitt durch einen Stator 20 in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung, wobei der Stator 20 einen Statorkern mit insgesamt neun vom Statorkern radial nach außen abstehenden Statorzähnen 22 aufweist. Der Stator 20 ist somit für den Einsatz in einem permanentmagnetisch erregten Außenläufermotor geeignet. Innenläufermotoren werden von der Erfindung ebenso umfasst.
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Die einzelnen Statorzähne 22 sind von 1 bis 9 durchnummeriert und weisen jeweils mehrere darauf angeordnete Spulen 24 auf.
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Jeder der auf den neun Statorzähnen 22 angeordneten Spulen 24 ist Teil einer Phasenwicklung A, B, C, wobei jede Phasenwicklung A, B, C erfindungsgemäß aus mehreren parallel geschalteten Teilwicklungen A1, A2, B1, B2 und C1, C2 besteht. Beispielsweise sind die Spulen 24 der Statorzähne 2, 5 und 8 der Phasenwicklung A, die Spulen 24 der Statorzähne 1, 4 und 7 der Phasenwicklung B und die Spulen 24 der Statorzähne 3, 6 und 9 der Phasenwicklung C zugeordnet.
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Die Phasenwicklungen A, B, C sind, gemäß dem Ausführungsbeispiel, in einer Sternschaltung verbunden, wobei jeweils ein Ende jeder Phasenwicklung einen gemeinsamen Mittelanschluss CT bildet und entsprechend gemeinsam aus dem Stator herausgeführt wird, und die anderen Enden der einzelnen Phasenwicklungen A, B, C ebenfalls aus dem Stator herausgeführt sind.
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2 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Stator 220, der insgesamt 12 Statorzähne 222 aufweist, die vom Statorkern radial nach außen abstehen.
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Jeder Statorzahn 222 trägt mehrere Spulen 224, die jeweils Teil einer Phasenwicklung A, B oder C sind.
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Die jeweils einer Phase A, B, C zugeordneten Spulen 24 sind in Reihe geschaltet und bilden eine Teilwicklung A1, A2, B1, B2 und C1, C2 der jeweiligen Phasenwicklung A, B oder C.
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Die Phasenwicklungen A, B, C sind vorzugsweise für eine Sternschaltung ausgelegt, wobei ein Ende der Phasenwicklungen zusammen aus dem Stator 220 in Form eines Mittelanschlusses CT herausgeführt ist und die anderen Einzelenden der Phasenwicklungen A, B, C ebenfalls aus dem Stator 220 herausgeführt sind.
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3 zeigt ein Ersatzschaltbild des Stators von 1.
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Man erkennt die sternförmige Verschaltung der einzelnen Phasenwicklungen A, B, C, die erfindungsgemäß aus jeweils zwei parallel geschalteten Teilwicklungen A1, A2, B1, B2, C1, C2 bestehen.
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Jeder Statorzahn (siehe 1) ist mit jeweils zwei Spulen 24 bewickelt, die übereinanderliegend angeordnet sind und jeweils einer Teilwicklung A1, A2, B1, B2, C1, C2 zugeordnet sind.
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Der Wickelvorgang beginnt beim Anschluss C mit der Teilwicklung C1, wobei nacheinander die Statorzähne 6, 9 und 3 mit dem Wicklungsdraht 26 bewickelt werden und der Wicklungsdraht 26 am Mittelanschluss CT herausgeführt und wieder in den Stator 20 eingeführt wird. Danach wird die Teilwicklung B1 gewickelt, wobei nacheinander die Statorzähne 4, 1 und 7 bewickelt werden und der Wicklungsdraht 26 beim Phasenanschluss B in einer Drahtschlaufe aus dem Stator 220 heraus und beim Anschluss A wieder in den Stator hineingeführt wird. Nachfolgend wird die Teilwicklung A1 gewickelt, wobei nacheinander die Statorzähne 8, 2 und 5 mit dem Wicklungsdraht 26 bewickelt werden.
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Der erste Wicklungsdurchgang wird beim Mittelanschluss CT beendet, wobei der Wicklungsdraht 226 in einer Schlaufe 228 zum Anschluss der Phasenwicklung C geführt wird und ein erneuter Wicklungsdurchgang beginnt, der in derselben Reihenfolge wie der erste Wickeldurchgang durchgeführt wird. In dem zweiten Wicklungsdurchgang werden die Teilwicklungen C2, B2 und A2 gewickelt. Der Wicklungsvorgang endet beim Mittelanschluss CT.
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Nach dem zweiten Wicklungsdurchgang können ggf. noch eine oder mehrere weitere Wicklungsdurchgänge folgen, in welchen weitere Teilwicklungen erzeugt werden.
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4 zeigt ein Ersatzschaltbild für den Stator von 2, wobei hier jede Phasenwicklung A, B, C zwei Teilwicklungen A1, A2 und B1, B2 und C1, C2 umfasst, die parallel geschaltet sind. Jede Teilwicklung A1, A2 und B1, B2 und C1, C2 besteht aus jeweils vier Spulen 224, die nacheinander auf die der jeweiligen Motorphase zugeordneten Statorzähne 222 gewickelt sind.
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Jeder Statorzahn 222 besitzt demnach mindestens zwei Spulen 224, die übereinander angeordnet sind und in zwei nacheinander folgenden Wicklungsvorgängen gewickelt werden.
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Begonnen wird der Wicklungsvorgang beispielsweise beim Anschluss C, wobei zunächst die erste Teilwicklung C1 der Phase C nacheinander auf die Statorzähne 6, 9, 12 und 3 gewickelt wird bis zum Mittelanschluss CT. Ausgehend vom Mittelanschluss CT wird die erste Teilwicklung B1 der Phase B gewickelt, wobei nacheinander die Statorzähne 4, 1, 10 und 7 bewickelt werden. Der Wicklungsdraht 226 wird beim Anschluss B aus dem Stator 220 herausgeführt und beim Anschluss A wieder in den Stator eingeführt. Nun wird die erste Teilwicklung A1 der Phase A gewickelt, wobei nacheinander die Statorzähne 8, 11, 2 und 5 bewickelt werden.
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Danach folgt in gleicher Weise ein identischer zweiter oder auch dritter Wicklungsvorgang, wobei wiederum beim Anschluss C begonnen wird. Hierbei werden die Teilwicklungen C2, B2 und A2 gewickelt.
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5 zeigt ein Wickelschema für die Statorwicklung von 4 des Stators von 2.
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Die einzelnen Phasenwicklungen A, B, C sind durch verschiedene Linienmuster dargestellt, für die Phase A als durchgezogene Linie, für die Phase B als gestrichelte Linie und für die Phase C als gepunktete Linie.
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Die Teilwicklungen A1, B1, C1, A2, B2, C2 aller Phasenwicklungen A, B, C werden nacheinander vorzugsweise ohne Unterbrechung des Wicklungsdrahtes 226 gewickelt.
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Das Wickelverfahren beginnt bei „Start“ und dem Anschluss der ersten Teilwicklung C1 der Phasenwicklung C, wobei von links nach rechts nacheinander die Statorzähne der Nummer 6, 9, 12 und 3 mit dem Wicklungsdraht 226 bewickelt werden. Jeder Statorzahn 222 wird beispielweise mit einer aus 20 Windungen bestehenden Spule 224 bewickelt. Nach dem Bewickeln des letzten Statorzahns 3 wird der Wicklungsdraht 226 am Mittelanschluss CT zwischen den Statorzähnen 3 und 4 als Drahtschlaufe 228 herausgeführt und wird zwischen den Statorzähnen 4 und 5 wieder in den Stator 220 eingeführt.
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Es werden nun in Richtung von rechts nach links nacheinander die Statorzähne 4, 1, 10 und 7 mit der Teilwicklung B1 bewickelt, wobei der Wicklungsdraht 226 zwischen den Statorzähnen 6 und 7 beim Anschluss B als Drahtschlaufe 228 aus dem Stator 220 herausgeführt wird und am Anschluss A zwischen den Statorzähnen 7 und 8 wieder in den Stator 220 eingeführt wird.
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Beim Wickeln der Teilwicklung A1 werden von links nach rechts nacheinander die Statorzähne Nummer 8,11, 2 und 5 bewickelt und der Wicklungsdraht 226 zwischen den Statorzähnen 5 und 6 als Mittelanschluss CT herausgeführt.
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Nun beginnt der darauf folgende zweite Wicklungsvorgang, wobei derselbe Wicklungsdraht 226 wiederum zwischen den Statorzähnen 5 und 6 beim Anschluss der Phase C in den Stator 220 eingeführt wird und der gesamte oben beschriebene Wicklungsvorgang in identischer Weise wiederholt wird. In oben beschriebener Reihenfolge werden über die ersten Teilwicklungen C1, B1, A1 nun die zweiten Teilwicklungen C2, B2, A2 gewickelt.
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Nach dem zweiten Wicklungsvorgang kann ggf. ein dritter oder vierter gleichartiger Wicklungsvorgang erfolgen.
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Die verbleibenden Drahtschlaufen 228 am Mittelanschluss CT und zwischen dem Mittelanschluss CT und dem Anschluss C sowie den Anschlüssen B und A, die durch das Herausführen und wieder Einführen des Wicklungsdrahtes 226 entstanden sind, werden aufgetrennt.
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Schließlich können die zu derselben Phase gehörenden Teilwicklungen A1, A2 und B1, B2 sowie C1, C2 parallel geschaltet werden und die sich ergebenden Phasenwicklungen A, B, C beispielsweise gemäß 4 in einer Sternschaltung miteinander elektrisch verbunden werden, beispielsweise durch Verlöten der Wicklungsdrähte 226.
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Bezugszeichenliste
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- 1-12
- Nr. des Statorzahns
- 20
- Stator
- 22
- Statorzahn
- 24
- Spule
- 26
- Wicklungsdraht
- A
- Phasenwicklung
- B
- Phasenwicklung
- C
- Phasenwicklung
- CT
- Mittelanschluss
- A1, A2
- Teilwicklungen
- B1, B2
- Teilwicklungen
- C1, C2
- Teilwicklungen
- P
- Anzahl der Phasen
- S
- Anzahl der Statorzähne
- 220
- Stator
- 222
- Statorzahn
- 224
- Spule
- 226
- Wicklungsdraht
- 228
- Drahtschlaufe
- 230
- Auftrennung
