DE102021201796A1

DE102021201796A1 - Segment mit aufgeschobener Spule

Info

Publication number: DE102021201796A1
Application number: DE102021201796.7A
Authority: DE
Inventors: Marc Lessmann; Peter Gröppel; Thomas Gleixner; Martin Thummet; Markus Wild; Sunil Sreedharan
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2022-08-25

Abstract

Ein Segment (1; 1') für eine elektrische Maschine (2) umfasst einen Träger (10; 10') mit einem Schaft (100), einem Halteabschnitt (101), der an einer Seite des Schafts (100) an den Schaft (100) angrenzt und dazu ausgebildet ist, eine den Schaft (100) umgebende Spule (11) am Schaft (100) zu sichern, und einem weiteren Abschnitt (102), der an einer anderen Seite des Schafts (100) in einem Winkel zum Schaft (100) derart davon absteht, dass die Spule (11) zur Montage am Träger (10; 10') über den weiteren Abschnitt (102) auf den Schaft (100) aufschiebbar ist, und die den Schaft (100) umgebende Spule (11).

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf ein Segment für eine elektrische Maschine und auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Segments.
Bei Elektromotoren und anderen elektrischen Maschinen wird eine immer weitere Verbesserung der Zielgrößen Energieeffizienz, Leistungsgewicht, Zuverlässigkeit und Lebensdauer angestrebt. Diese Zielgrößen stehen jedoch zum Teil miteinander und mit anderen Anforderungen in Konflikt. Beispielsweise im Fahrzeugbau rücken neben der Energieeffizienz insbesondere auch Bauraumanforderungen aufgrund eines beschränkten Platzangebotes in den Vordergrund. Für einen niedrigen Energieverbrauch in mobilen Anwendungen (z.B. im Auto oder in der Bahn) ist zudem ein geringes Gewicht der Antriebe von Bedeutung. In besonderem Maße gelten die beschriebenen Anforderungen für die Anwendung in Luftfahrzeugen, wo insbesondere die Zukunft der Elektrifizierung von Flugzeugantrieben maßgeblich von der Leistungsdichte der einzusetzenden Motoren bzw. Generatoren abhängt.
Eine Erhöhung der Dauerleistungsdichte von Elektromotoren ist maßgeblich durch den Leiteranteil der Spulenwicklung limitiert.
Viele elektrische Maschinen, z.B. Elektromotoren, umfassen eine oder mehrere Spulen, die jeweils an einem Träger montiert sind. Ein solcher Träger samt Spule wird hier zur vereinfachten Bezugnahme als Segment bezeichnet. Die Lebensdauer, Leistungsfähigkeit und Komplexität der Herstellung werden regelmäßig maßgeblich durch die Ausgestaltung solcher Segmente bestimmt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte elektrische Maschinen zu ermöglichen.
Gemäß einem Aspekt wird ein Segment für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Das Segment umfasst einen Träger. Der Träger weist einen Schaft, einen Halteabschnitt und einen weiteren Abschnitt auf. Der Halteabschnitt grenzt an einer Seite des Schafts an den Schaft an und ist dazu ausgebildet ist, eine den Schaft umgebende Spule am Schaft zu sichern, insbesondere formschlüssig. Der weitere Abschnitt steht an einer anderen, insbesondere der zur einen Seite gegenüberliegenden Seite des Schafts in einem Winkel zum Schaft insbesondere derart seitlich, insbesondere asymmetrisch, davon ab, dass die Spule zur Montage am Träger über den weiteren Abschnitt auf den Schaft aufschiebbar ist. Ferner umfasst das Segment die den Schaft umgebende Spule. Die Spule ist entsprechend so ausgebildet, dass sie über den weiteren Abschnitt auf den Schaft aufgeschoben werden kann.
Das basiert auf der Erkenntnis, dass eine über den abstehenden weiteren Abschnitt aufgeschobene Spule vorab mit hoher Formgenauigkeit herstellbar ist, während der insbesondere einseitig abstehende weitere Abschnitt für eine ausreichend sichere Halterung der Spule sorgen kann. Hierdurch ist es z.B. nicht mehr nötig, nach dem Aufschieben der Spule ein zunächst separates Halteelement, z.B. in Form eines Zahnkopfes, mit dem Träger zu verbinden, z.B. zu verschweißen. Eine derartige nachträgliche Anbringung eines Halteelements kann zu unerwünschten Schnittkanteneffekten führen und macht regelmäßig zusätzliche Werkzeuge und Herstellungsschritte nötig. Zudem besteht bei derartigen, nachträglich angebrachten Halteelementen die Schwierigkeit der ausreichend sicheren Anbringung. Ein Verzicht auf das Halteelement hätte in der Regel ein verringertes erreichbares Drehmoment zur Folge. Somit erlaubt das vorgeschlagene Segment eine Gewichtsreduzierung bei einer gleichzeitig hohen Leistung und einer besonders präzise und damit effizient und mit hohem Leiter-Füllfaktor gewickelten Spule. Das ermöglicht leichte, effiziente und langlebige elektrische Maschinen. Der Halteabschnitt kann beidseitig seitlich vom Schaft abstehen, während der weitere Abschnitt z.B. einseitig seitlich vom Schaft absteht. Das Segment kann mit weiteren Segmenten z.B. zu einem Stator zusammengesetzt werden, z.B. im Polkettenverfahren. Der Träger eines Segments bildet dann ein Statorelement. Die Spule weist eine Form und/oder Flexibilität auf, sodass sie dem Verlauf des Segments vom weiteren Abschnitt bis zum Schaft folgen kann.
Der weitere Abschnitt ist z.B. zur Anbindung an einen oder mehrere benachbarte Segmente ausgebildet, beispielsweise zur Anbindung an zwei benachbarte Segmente. So kann zunächst die Spule über den weiteren Abschnitt aufgeschoben werden, wonach der weitere Abschnitt mit weiteren Segmenten verbunden wird. Hierdurch wird die Spule zusätzlich am Schaft gesichert. Der Halteabschnitt bildet insbesondere in diesem Fall z.B. einen Zahnkopf. Der weitere Abschnitt dient z.B. als Joch für durch die Spule erzeugte magnetische Feldlinien. Alternativ oder zusätzlich ist der Halteabschnitt zur Anbindung an einen oder mehrere benachbarte Segmente ausgebildet.
Der Schaft und der weitere Abschnitt können gemeinsam einen L-förmigen Querschnitt aufweisen. Optional steht der weitere Abschnitt im rechten Winkel vom Schaft ab. Das ermöglicht einen besonders einfachen und robusten Aufbau.
Optional geht der Schaft über eine Rundung in den weiteren Abschnitt über. Dies kann das Aufschieben der Spule vom weiteren Abschnitt auf den Schaft erleichtern.
Der weitere Abschnitt weist z.B. ein offenes Ende auf, insbesondere ein offenes Ende mit einer Rundung. Die Rundung des offenen Endes kann passend zur Rundung zwischen dem Schaft und dem weiteren Abschnitt ausgebildet sein. Allgemeiner kann das offene Ende des weiteren Abschnitts eine Form aufweisen, die passend zur Form eines Übergangs zwischen dem weiteren Abschnitt und dem Schaft ausgebildet ist. Das ermöglicht es, benachbarte Segmente mit einer optimalen magnetischen Feldführung anzubinden, insbesondere ohne einen Luftspalt.
Der Träger kann einstückig und materialeinheitlich ausgebildet sein. Insbesondere der Schaft und der Halteabschnitt können aus einem Stück geformt sein. Der Träger kann einstückig urgeformt sein. Der Träger weist beispielsweise keine Schweißnaht zwischen dem Schaft und dem weiteren Abschnitt und/oder zwischen dem Schaft und dem Halteabschnitt auf. Hierdurch können Schnittkanteneffekte verhindert und zudem die Herstellung vereinfacht werden. Der Halteabschnitt wird bei der Herstellung z.B. durch Umformen des einstückig urgeformten Materials ausgebildet. Optional wird der Träger aus einem Blech geschnitten, alternativ dazu durch Sintern hergestellt. Beispielsweise wird der Träger aus einem asymmetrischen Blechschnitt hergestellt. Optional besteht der Träger aus einem einzigen Blechschnitt, der den Schaft, den Halteabschnitt und den weiteren Abschnitt ausbildet, oder umfasst mehrere jeweils einstückige Blechschnitte, die jeweils einen Teil des Schafts, des Halteabschnitts und des weiteren Abschnitts ausbilden. Die mehreren Blechschnitte sind z.B. deckungsgleich zueinander ausgebildet. Der Träger kann also geblecht ausgeführt sein. Der Blechschnitt bzw. die Blechschnitte ist/sind asymmetrisch geformt, insbesondere in Bezug auf die Form des weiteren Abschnitts relativ zum Schaft.
In einer Ausgestaltung ist die Spule einlagig ausgebildet. Die Spule besteht z.B. aus einem massiven Einzeldraht, der besonders hohe Ströme leiten kann. Alternativ kann die die Spule auch mehrlagig aufgebaut sein, und dabei z.B. massiven Draht oder Litze umfassen.
Gemäß einem Aspekt wird ein segmentierter Spulenträger bereitgestellt, der mehrere miteinander verbundene, insbesondere aneinander befestigte, Segmente nach einer beliebigen, hierein beschriebenen Ausgestaltung umfasst. Der segmentierte Spulenträger ist z.B. als Stator eines Elektromotors oder eines Generators ausgebildet.
Optional sind Zahnköpfe des segmentierten Spulenträgers asymmetrisch ausgebildet. Einer elektrischen Maschine mit dem segmentierten Spulenträger wird dann z.B. eine Vorzugsrichtung für eine Drehrichtung vorgegeben, was Verluste reduzieren kann.
Die Segmente des segmentierten Spulenträgers sind z. B. um eine gemeinsame Achse herum angeordnet. Optional sind die Segmente derart ausgerichtet, dass die Halteabschnitte sämtlicher Segmente zur gemeinsamen Achse hin (oder von der gemeinsamen Achse weg) ausgerichtet sind.
Gemäß einem Aspekt wird eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst zumindest einen Segment, insbesondere den segmentierten Spulenträger nach einer beliebigen, hierein beschriebenen Ausgestaltung. Die elektrische Maschine ist somit besonders leicht, effizient und langlebig herstellbar.
Beispielsweise umfasst die elektrische Maschine ferner einen Rotor, wobei die Spulenanordnung einen Stator der elektrischen Maschine ausbildet. Sind die weiteren Abschnitte zur gemeinsamen Achse hin ausgerichtet, kann der elektrischen Maschine eine Drehrichtung vorgegeben werden, die von einem offenen Ende des weiteren Abschnitts zu dessen Übergang zum Schaft gerichtet ist. Das erlaubt die Reduzierung von Verlusten und eine Steigerung des Wirkungsgrades. So kann der weitere Abschnitt z.B. als Zahnkopf eingesetzt werden. Optional sind die benachbarten Segmente über die Halteabschnitte aneinander fixiert. Die weiteren Abschnitte können also z.B. einen nach innen gerichteten, asymmetrischen Zahnkopf ausbilden. Dieser ist z.B. auf einer Seite in radialer Richtung dicker ausgeprägt als auf der anderen Seite.
In einer Ausgestaltung ist die elektrische Maschine in Form eines Elektromotors ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist die elektrische Maschine als Generator ausgebildet. Im Allgemeinen kann die elektrische Maschine als rotierende, alternativ als linear bewegbare Maschine ausgebildet sein. Alternativ kann die elektrische Maschine aber auch als Transformator oder Induktionsspule, z.B. zum Laden von elektrischen Geräten, z.B. elektrischen Personenkraftfahrzeugen, oder als Induktionsofen ausgebildet sein. Das Segment oder die Segmente kann/können an einem Primärteil und/oder an einem Sekundärteil der elektrischen Maschine angeordnet sein.
Gemäß einem Aspekt wird ein Luftfahrzeug bereitgestellt. Das Luftfahrzeug umfasst zumindest ein Triebwerk mit einer elektrischen Maschine nach einer beliebigen, hierein beschriebenen Ausgestaltung. Bei Luftfahrzeugen kommen die beschriebenen Vorteile besonders zum Tragen. Das Triebwerk ist dazu ausgebildet, das Lufttahrzeug anzutreiben, insbesondere Schub zu erzeugen. Optional umfasst zumindest ein Startergenerator von einem Triebwerk des Luftfahrzeugs und/oder eine optionale Hilfsturbine mit einem Generator des Luftfahrzeugs ein Segment und/oder eine elektrische Maschine nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Segments bereitgestellt, insbesondere des Segments nach einer beliebigen, hierein beschriebenen Ausgestaltung. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Trägers mit einem Schaft, einem Halteabschnitt, der an einer Seite des Schafts an den Schaft angrenzt und dazu ausgebildet ist, eine den Schaft umgebende Spule am Schaft zu sichern, und einem weiteren Abschnitt, der an der anderen Seite des Schafts in einem Winkel zum Schaft seitlich davon absteht. Ferner umfasst das Verfahren das Aufschieben einer bereits (z.B. auf einem Dummykern) gewickelten Spule über den weiteren Abschnitt auf den Schaft des Trägers.
Bezüglich der Vorteile des Verfahrens wird auf die obigen Ausführungen zum Segment Bezug genommen. Optional wird zwischen die Spule und den Träger ein Schutzpapier, insbesondere in Form eines Nutisolationspapiers, angeordnet. Die Spule kann über das Schutzpapier geschoben werden. Alternativ wird das Schutzpapier vorab in die Spule eingelegt und dann mitsamt der Spule über den weiteren Abschnitt auf den Schaft geschoben. So können Beschädigungen der Spule verhindert werden.
Das Bereitstellen des Trägers umfasst optional die Herstellung des Trägers aus einem einzigen Materialstück (oder aus mehreren Lagen von einstückigen Blechschnitten, wie oben erläutert). Diese Ausgestaltung wird durch das seitliche Aufschieben der Spule ermöglicht.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren ferner das Wickeln eines Drahts zur Herstellung einer gewickelten Spule und, optional, das thermische Nachbehandeln der gewickelten Spule (z.B. Tempern), das Auseinanderziehen der bereits gewickelten Spule aus einem Ausgangszustand in einen auseinandergezogenen Zustand mit einer gegenüber dem Ausgangszustand vergrößerten Spreizung; das Versehen der Spule im auseinandergezogenen Zustand mit einer Beschichtung (insbesondere das Auftragen der Beschichtung), z. B. einer Isolation, und das Überführen der Spule vom auseinandergezogenen Zustand zurück in einen Zustand mit im Vergleich dazu geringerer Spreizung, insbesondere in den Ausgangszustand in Bezug auf die Spreizung. Das basiert auf der Erkenntnis, dass einige Beschichtungen, insbesondere elektrische Isolationen mit besonders guten Isolationseigenschaften, z.B. spröde sind und sich nicht oder nicht zufriedenstellend mitsamt einem Draht zu einer Spule biegen lassen, jedenfalls nicht zu einer Spule mit einer beliebigen Form. Daher besteht bei typischen Spulen, die für gewöhnlich aus isoliertem Draht hergestellt werden, Verbesserungspotential hinsichtlich der Isolation (allgemein der Beschichtung). Bei dem vorgeschlagenen Verfahren können somit Beschichtungen mit besonders guten Isolationseigenschaften eingesetzt werden, sodass die Beschichtung verhältnismäßig dünner ausgeführt werden und der Leiteranteil erhöht werden kann. Würde die Spule lediglich auseinandergezogen und dann mit einer Isolation umgossen, sodass ein fest vergossenes Spulenstück entsteht, dann würde die Spule demgegenüber eine mitunter nicht optimale Bauraumnutzung aufweisen. Indem die Spule nach dem Beschichten wieder gestaucht wird, kann dies überwunden werden. Zudem bleibt die Spule hierbei flexibel, sodass sie besonders gut auf den Schaft des Trägers aufgeschoben werden kann. Die Beschichtung verbindet benachbarte Windungen nicht miteinander.
Optional wird die gewickelte Spule während dem Aufschieben über den weiteren Abschnitt auf den Schaft des Trägers zumindest abschnittsweise auseinandergezogen und/oder gestaucht. Hierdurch kann die Spule insbesondere gut um den Winkel zwischen dem weiteren Abschnitt und dem Schaft des Trägers geführt werden. Alternativ oder zusätzlich ist zwischen der gewickelten Spule und dem Träger ein Flachmaterialstück angeordnet, z.B. in Form eines Nutpapiers. Dies ermöglicht einen Schutz der Spule (insbesondere einer Spulenbeschichtung der Spule) während des Aufschiebeprozesses.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines segmentierten Spulenträgers angegeben, insbesondere nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen mehrerer Segmente nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung und/oder hergestellt nach dem Verfahren nach einer beliebigen, hierin beschriebenen Ausgestaltung, und, optional, das Verbinden der Segmente, z.B. derart, dass die Segmente um eine gemeinsame Achse herum angeordnet sind.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:

1A-1C einen Träger und eine Spule in mehreren Schritten in der Herstellung eines Segments;
2 ein segmentierter Spulenträger mit mehreren Segmenten gemäß 1C;
3A-3C einen abgerundeten Träger und eine Spule in mehreren Schritten in der Herstellung eines Segments mit einer Rundung;
4 ein segmentierter Spulenträger mit mehreren Segmenten gemäß 3C;
5A-5C den abgerundeten Träger und die Spule in mehreren Schritten in der Herstellung des Segments gemäß 3A-3C, wobei weitere Details der Spule des Segments gezeigt sind;
6 ein segmentierter Spulenträger mit mehreren Segmenten gemäß 5C;
7 eine elektrische Maschine in Form eines Elektromotors mit einem segmentierten Spulenträger mit mehreren Segmenten gemäß 5C;
8A-8D mehrere Schritte bei der Herstellung einer isolierten Spule; und
9 ein Luftfahrzeug in Form eines Flugzeugs mit mehreren Triebwerken.

1A zeigt einen Träger 10 für ein Segment und eine elektrische Spule 11. Der Träger 10 weist einen Schaft 100, einen Halteabschnitt 101 und einen weiteren Abschnitt 102 auf.
Der Schaft 100 ist dazu ausgebildet, von der Spule 11 umschlossen zu werden. Der Schaft 100 weist Außenflächen auf. Wird der Schaft 100 von einer Spule 11 umgeben, dann erstreckt sich die Spule 11 entlang der Außenflächen um den Schaft 100 herum. Die Außenflächen des Schafts 100 erstrecken sich von einer ersten Seite des Schafts 100 bis zu einer zweiten Seite des Schafts 100, vorliegend parallel zu einer Spulenachse, um welche die den Schaft 100 umgebende Spule 11 gewunden ist. Der Schaft 100 kann senkrecht zu dieser Spulenachse eine (in die Bildebene der 1A zeigende) Tiefe aufweisen, die so groß ist wie die in 1A schematisch veranschaulichte Breite, oder die alternativ größer oder kleiner als die Breite ist, insbesondere wesentlich größer. Der Schaft 100 kann also länglich in Richtung der Tiefe senkrecht zur Spulenachse ausgebildet sein.
Der Halteabschnitt 101 grenzt an der ersten Seite des Schafts 100 an den Schaft 100 an und ist dazu ausgebildet, die den Schaft 100 umgebende Spule 11 am Schaft 100 zu sichern, insbesondere daran zu halten, z.B. daran zu fixieren. Der Halteabschnitt 101 weist eine größere Breite auf als der Schaft 100. Konkret steht der Halteabschnitt 101 in zwei entgegengesetzte Richtungen vom Schaft 100 ab. So kann die den Schaft 100 umgebende Spule 11 daran sicher formschlüssig gehalten werden. Der Halteabschnitt 101 überragt die Spule 11, vorliegend an zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten. Der Halteabschnitt 101 weist zwei Flanken auf, die an gegenüberliegenden Außenflächen des Schafts 100 angrenzen. Diese Flanken verlaufen in einem Winkel zueinander und in einem Winkel zur vom Schaft 100 definierten Spulenachse. Die Flanken sind V-förmig zueinander ausgerichtet. Der Schaft 100 und der Halteabschnitt 101 beschreiben gemeinsam die Form eines T. Der Halteabschnitt 101 steht pilzkopfförmig vom Schaft 100 ab.
Vorliegend dient der Halteabschnitt 101 als Zahnkopf. Der Halteabschnitt 101 ist dazu vorgesehen, einem relativ zum Träger 10 beweglich montierten Bauteil zugewandt zu werden.
Der weitere Abschnitt 102 steht an der anderen, zweiten Seite des Schafts 100 einseitig vom Schaft 100 ab, und zwar in einem Winkel zum Schaft 100, vorliegend beispielhaft im rechten Winkel. Der Schaft 100 und der weitere Abschnitt 102 sind derart ausgeformt, dass die Spule 11 zur Montage am Träger 10 über den weiteren Abschnitt 102 auf den Schaft 100 aufschiebbar ist. Vorliegend erstreckt sich der weitere Abschnitt 102 gerade und in einer Ebene in einem Winkel (nämlich senkrecht) zur Spulenachse. Vom Schaft 100 abgewandt weist der weitere Abschnitt 102 ein offenes Ende 103 auf. Der Schaft 100 und der weitere Abschnitt 102 beschreiben gemeinsam die Form eines L.
Die Spule 11 ist hier schematisch blockförmig dargestellt und kann einen in einer einzelnen Lage oder in mehreren Lagen gewundenen Draht, insbesondere einen Flachleiter, oder mehrere in einer oder mehreren Lagen gewundene Drähte oder Litzen umfassen. Die Spule 11 ist bereits gewickelt, umfasst also bereits eine oder mehrere Windungen. Hierzu kann ein die Spule 11 bildender Leiter zunächst auf einen Dummykern aufgewickelt werden, was besonders leicht maschinell machbar ist. Daraufhin wird die Spule 11 vom Dummykern abgenommen und auf den weiteren Abschnitt 102 aufgeschoben.
Das Aufschieben der Spule 11 ist anhand der 1A bis 1C veranschaulicht. Ausgehend vom nicht montierten Zustand gemäß 1A wird die Spule 11 zunächst über das freie Ende 103 des weiteren Abschnitts 102 geschoben. Daraufhin umgibt die Spule 11 zunächst den weiteren Abschnitt 102, wie in 1B gezeigt.
Daraufhin wird die Spule 11 weiter zum Schaft 100 hin geschoben und dafür um den Winkel zwischen dem weiteren Abschnitt 102 und dem Schaft 100 geführt. Hierfür ist die Spule 11 z.B. mit einem Spiel zum weiteren Abschnitt 102 und/oder zum Schaft 100 ausgebildet, oder sie ist in entsprechendem Maß flexibel, wie weiter unten im Zusammenhang mit den 5A bis 5C noch näher erläutert werden wird.
1C zeigt das fertig montierte Segment 1 mit der Spule 11 am Schaft 100 des Trägers 10.
Der Träger 10 ist einstückig ausgebildet. Der Träger 10 ist nicht aus mehreren Elementen zusammengesetzt, sondern aus einem einzigen Materialstück geformt. Der Träger 10 weist somit keine Fügeflächen auf. Alternativ ist der Träger 10 geblecht, besteht also z.B. aus mehreren, insbesondere deckungsgleichen Blechschnitten.
Jeder der Blechschnitte umfasst dann einen Teil des Schafts 100, des Halteabschnitts 101 und des weiteren Abschnitts 102, d.h. diese sind auch bei einer geblechten Ausführung stets einstückig miteinander verbunden. In beiden Alternativen ist der Träger 10 frei von Fügeflächen zwischen dem Schaft 100 und dem Halteabschnitt 101 und zwischen dem Schaft 100 und dem weiteren Abschnitt 102.
Der weitere Abschnitt 102 dient als Verbindungsabschnitt zur Anbindung an zwei benachbarte, analog ausgebildete Segmente 1. Hierbei stellt das offene Ende 103 einen Verbindungsbereich bereit, der direkt oder wie in 2 gezeigt mittels eines Verbindungselements 200 mit einem weiteren Segment 1 verbunden werden kann.
Eine Einbringung von Isolierstoffen am Segment 1, insbesondere an die Spule 11, kann vor und/oder nach der Montage der Spule 11 erfolgen. Eine abschließende Fixierung der Spule 11 am Träger 10 und/oder der Windungen der Spule 11 untereinander erfolgt optional durch Imprägnierung oder Verguss.
2 zeigt einen segmentierten Spulenträger 20 mit mehreren miteinander verbundenen Segmenten 1 gemäß 1C. Dabei ist jeweils das offene Ende 103 eines Segments 1 mit einem Übergangsbereich zwischen dem Schaft 100 und dem weiteren Abschnitt 102 eines benachbarten Segments 1 verbunden, vorliegend mittels eines Verbindungselements 200. Der segmentierte Spulenträger 20 ist in einer linearen Konfiguration gezeigt und kann auch so verwendet werden, z.B. für einen Linearantrieb. Alternativ kann der segmentierte Spulenträger 20 kreisförmig konfiguriert werden. Entweder werden die Segmente 1 dafür gleich in einem Winkel zueinander aneinander befestigt, oder sie werden z.B. in eine Hülse eingesetzt. Die Verbindungselemente 200 können eine starre oder eine bewegbare Verbindung bereitstellen. Der segmentierte Spulenträger 20 kann auch als Polkette bezeichnet werden. Beispielsweise wird daraufhin ein Stator im Polkettenverfahren aus dem segmentierten Spulenträger 20 hergestellt. Hierzu werden mehrere Segmente 1 in einer Kette angeordnet und dann in eine vorbestimmte Anordnung zueinander gebracht und relativ zueinander fixiert, z.B. mittels eines äußeren Rings.
Die 3A bis 3C zeigen die Montage der Spule 11 an einem Träger 10' zur Herstellung eines Segments 1', wobei der Träger 10' im Unterschied zum Träger 10 des Segments 1 gemäß 1A bis 1C mit zwei Rundungen 104, 105 ausgebildet ist, und im Übrigen analog dazu ausgebildet ist. Konkret weist der Träger 10' eine Rundung 104 am Übergang zwischen dem Schaft 100 und dem weiteren Abschnitt 102 auf. Die Rundung 104 ist konvex. Die Rundung 104 ist im gezeigten Beispiel kreisbogenförmig. Die Rundung 104 weist einen Krümmungsradius auf, der z.B. (genau, in etwa oder zumindest) der Materialstärke des Schafts 100 und/oder des weiteren Abschnitts 102 entspricht. Diese Rundung 104 erleichtert das Aufschieben der Spule 11 über den weiteren Abschnitt 102 auf den Schaft 100.
Die 3A bis 3C zeigen entsprechend das (erleichterte) Aufschieben der Spule 11 auf den Träger 10'.
Optional wird zwischen die Spule 11 und den Träger 10' ein Flachmaterialstück, z.B. in Form eines Schutzpapiers 106, insbesondere in Form eines Nutisolationspapiers, angeordnet. Die Spule 11 kann über das Schutzpapier 106 geschoben werden. Alternativ wird das Schutzpapier 106 vorab in die Spule 11 eingelegt und dann mitsamt der Spule 11 über den weiteren Abschnitt 102 auf den Schaft 100 geschoben. So können Beschädigungen der Spule 11 verhindert werden, insbesondere einer Beschichtung der Spule 11.
Der Träger 10' weist eine weitere Rundung 105 auf, welche vorliegend am offenen Ende 103 des weiteren Abschnitts 102 ausgebildet ist. Diese Rundung 105 ist konkav. Diese Rundung 105 ist passend zur Rundung 104 am Übergang zwischen dem Schaft 100 und dem weiteren Abschnitt 102 ausgebildet. Die Formen der beiden Rundungen 104, 105 passen ineinander. Hierdurch können mehrere Segmente 1' ohne Luftspalt in flächige Anlage an den passenden Rundungen 104, 105 miteinander gebracht werden.
4 zeigt einen entsprechenden segmentierten Spulenträger 20' mit mehreren Segmenten 1'. Der segmentierte Spulenträger 20' ermöglicht eine besonders effiziente Führung der magnetischen Feldlinien.
Die 5A bis 5C zeigen denselben Träger 10' wie die 3A bis 3C, wobei die Spule 11 konkret als einlagige Wicklung eines Drahtes 110 veranschaulicht ist. Die Spule 11 ist hier mit einer spiralförmigen Geometrie veranschaulicht. Die Spule 11 weist beispielhaft den Aufbau einer Spiralfeder auf. Sie kann durch eine Krafteinwirkung elastisch verformt werden und kehrt nach Beendigung der Krafteinwirkung elastisch in ihre vorherige Konfiguration zurück.
Der Draht 110 weist eine Flexibilität auf, die es erlaubt, die Abstände zwischen einzelnen Windungen der Spule 11 elastisch zu verändern. Hierdurch ist es besonders leicht, die Spule 11 über die Rundung 104 auf den Schaft 100 zu schieben. Insbesondere sind die einzelnen Windungen der Spule 11 nicht miteinander fixiert, z.B. verklebt.
Optional wird ein Flachmaterialstück, insbesondere ein Isolationspapier zwischen dem Träger 10' und der Spule 11 angeordnet, um das Aufschieben der Spule 11 zu erleichtern und ggf. eine Beschädigung einer Isolationsschicht der Spule 11 zu verhindern.
6 zeigt wiederum den segmentierten Spulenträger 20' mit den mehreren Segmenten 1'. Die Spule 11 grenzt an der ersten Seite des Schafts 100 an den Halteabschnitt 101 an und grenzt an der zweiten Seite des Schafts 100 an den weiteren Abschnitt 102 an.
Während der segmentierte Spulenträger 20' in 6 in einer linearen Anordnung gezeigt ist, zeigt 7 den segmentierten Spulenträger 20' in einer ringförmigen Anordnung. Die einzelnen Segmente 1' sind dabei konzentrisch um eine Rotationsachse R herum angeordnet. Die Segmente 1' sind aneinander fixiert und/oder mittels einer Haltevorrichtung, z.B. einer Hülse, relativ zueinander fixiert. Der segmentierte Spulenträger 20' bildet einen Stator einer elektrischen Maschine 2 in Form eines Elektromotors. Die elektrische Maschine 2 umfasst ferner einen innerhalb des segmentierten Spulenträgers 20' angeordneten Rotor 21. Der Rotor 21 ist relativ zum segmentierten Spulenträger 20' um die Rotationsachse R drehbar. Der Rotor 21 umfasst eine Vielzahl an Permanentmagneten. Der Rotor 21 ist durch einen elektrischen Stromfluss durch die Spulen 11 um die Rotationsachse R relativ zum Stator drehbar.
Optional sind Zahnköpfe des segmentierten Spulenträgers 20' asymmetrisch ausgebildet, wie in 7 am obersten Segment 1' mittels einer gestrichelten Linie veranschaulicht.
Die 8A bis 8D veranschaulichen ein Verfahren zur Beschichtung einer Spule 11, insbesondere der Spule 11 für die hierin beschriebenen Segmente 1; 1'.
Hierbei wird zunächst (zumindest) ein blanker, nicht isolierter Draht 110 zur Spule 11 gewickelt. Da nicht auf eine schon vor dem Wickeln vorhandene Beschichtung geachtet werden muss, kann die Wickelung vereinfacht werden und der Draht 110 kann mit mehr Kraft, präziser gewickelt werden. Zudem wird die Wickelung nicht durch maximale Biegeradien oder Streckgrenzen einer Beschichtung limitiert, sodass der Draht 110 sehr genau in eine vorgegebene Form gebracht werden kann, z. B. in eine rechteckige oder vieleckige Form. Diese Vorteile gelten für alle Arten von Drähten oder Litzen, sie gelten aber in besonderem Maße bei massiven Einzeldrahtwicklungen. Optional weist der Draht 110 ein rechteckiges Querschnittsprofil auf. Der Draht 110 kann auch als Flachleiter ausgeführt sein.
Die Spule 11 liegt dann zunächst in einem Ausgangszustand vor. Dieser Ausgangszustand ist in 8A gezeigt. Optional erfolgt das Wickeln unter Anwendung von Wärme und/oder die gewickelte Spule 11 wird einem Schlussglühen unterzogen. Hierdurch können Spannungen im Material reduziert werden, sodass die Spule 11 ihre gewickelte Form gemäß dem Ausgangszustand beibehält und durch Rekristallisation des Materialgefüges die elektrischen Eigenschaften verbessert werden. Eine Heizung 5 zur Beaufschlagung des Drahts 110 und/oder der Spule 11 mit Wärme ist schematisch in 8A veranschaulicht.
Ausgehend vom Ausgangszustand gemäß 8A wird die gewickelte Spule 11 dann (reversibel) auseinandergezogen und damit in einen auseinandergezogenen Zustand überführt, der im Vergleich mit dem Ausgangszustand eine größere Spreizung aufweist, also einen größeren Abstand benachbarter Windungen zueinander. Der auseinandergezogene Zustand ist in 8B gezeigt.
Im auseinandergezogenen Zustand wird die Spule 11 sodann mit einer Beschichtung 111 versehen, insbesondere in Form einer elektrischen Isolation, siehe 8C. Durch die Spreizung kann die Beschichtung 11 an allen Oberflächen des Drahts 110 aufgebracht werden. Die Beschichtung kann eine Keramik umfassen. Zum Beispiel isoliert die Beschichtung 110 benachbarte Windungen der Spule 11 elektrisch voneinander.
In diesem Zustand ist der Draht 110 der Spule 11 zudem von allen Seiten frei zugänglich, sodass die aufgebrachte Beschichtung 111 besonders gut kontrolliert werden kann, ohne dass aufwändige Verfahren dafür eingesetzt werden müssen. Das ermöglicht auch besonders hohe Qualitätsstandards.
Daraufhin wird die beschichtete Spule 11 vom auseinandergezogenen Zustand in einen Zustand mit vergleichsweise dazu geringerer Spreizung überführt, optional in den Ausgangszustand in Bezug auf die Spreizung. Diese Überführung kann z.B. durch die eigene Flexibilität der (im Ausgangszustand formtreuen) Spule 11 erfolgen, z.B. indem die zum Spreizen auseinandergezogenen Enden der Spule 11 losgelassen werden. Dieser Endzustand der fertigen, beschichteten Spule 11 ist in 8D veranschaulicht.
Da zwischen dem auseinandergezogenen Zustand und dem Ausgangszustand jedes Stück des Drahts 110 wesentlich weniger verformt wird als bei der Wicklung der Spule 11, sind die mechanischen Belastungen der Beschichtung 111 bei der Rückkehr in den Ausgangszustand verhältnismäßig gering. Dies ermöglicht eine verbesserte Lebensdauer der Spule 11, sowie den Einsatz von besonders effizienten Beschichtungen, die normalerweise aufgrund ihrer Sprödigkeit, einer Faltenbildung oder anderer Materialeigenschaften nicht verwendbar gewesen wären. Das kommt besonders zum Tragen, weil regelmäßig Beschichtungen mit besonders guten elektrischen Eigenschaften nur sehr eingeschränkt mechanisch belastbar sind, z.B. Keramiken. Auch kann auf ansonsten ggf. notwendige Schritte zur Heilung von Fehlstellen in der Beschichtung verzichtet werden, da die Beschichtung nur noch geringfügig mechanisch beansprucht wird.
Die Beschichtung 111 umfasst insbesondere ein anorganisches Material oder besteht daraus. Beispielsweise kann zur Beschichtung eines der folgenden Verfahren eingesetzt werden: Sol-Gel-Verfahren, Hartanodisieren, plasmachemische Verfahren, Anodisieren, Oxidation oder Plasmaspritzen.
Optional wird die Spule 11 aus mehreren einzelnen, wie beschrieben gespreizt beschichteten Leitern zusammengesetzt, die anschließend miteinander verschweißt werden.
Die fertiggestellte Spule 11 gemäß 8D kann dann auf den Träger 10; 10' aufgeschoben werden, siehe insbesondere die 5A bis 5C. Insbesondere weist diese Spule 11 eine Elastizität auf, die es erleichtert, die Spule 11 (z.B. Windung für Windung) über den weiteren Abschnitt 102 des Trägers auf den Schaft 100 zu schieben.
9 zeigt ein Luftfahrzeug 4 in Form eines Flugzeugs. Das Luftfahrzeug 4 umfasst Tragflächen und mehrere Triebwerke 3. Jedes der Triebwerke 3 umfasst einen Elektromotor gemäß 7.
Da die Spule 11 vorab, separat vom Träger 10; 10' gewickelt wird, ist diese besonders effizient und formtreu herstellbar. Da nicht auf den Halteabschnitt 101 verzichtet werden muss, kann eine gute Performance in Bezug auf ein Drehmoment und auf ein Rastmoment erzielt werden. Da das Halteelement nicht nachträglich fixiert werden muss, ergeben sich keine diesbezüglichen Schnittkanteneffekte und komplexe Geometrien zur Fixierung des Halteelements, z.B. Schwalbenschwanz-Formschlüsse sind nicht nötig. Auch die Herstellungstoleranzen können dadurch verbessert werden. Ferner ist es möglich, einen Verschnitt bei der Herstellung zu reduzieren. Die einstückige Ausgestaltung erlaubt eine besonders robuste Ausführung und lange Lebensdauer. Durch die einfache Geometrie kann auch die Herstellung deutlich vereinfacht werden.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese.
Bezugszeichenliste

1; 1': Segment
10; 10': Träger
100: Schaft
101: Halteabschnitt
102: weiterer Abschnitt
103: offenes Ende
104: Rundung
105: Rundung
106: Schutzpapier
11: Spule
110: Draht
111: Beschichtung
2: elektrische Maschine
20; 20': segmentierter Spulenträger
200: Verbindungselement
21: Rotor
3: Triebwerk
4: Luftfahrzeug
5: Heizung
R: Rotationsachse

Claims

Segment (1; 1') für eine elektrische Maschine (2), umfassend: - einen Träger (10; 10') mit einem Schaft (100), einem Halteabschnitt (101), der an einer Seite des Schafts (100) an den Schaft (100) angrenzt und dazu ausgebildet ist, eine den Schaft (100) umgebende Spule (11) am Schaft (100) zu sichern, und einem weiteren Abschnitt (102), der an einer anderen Seite des Schafts (100) in einem Winkel zum Schaft (100) derart davon absteht, dass die Spule (11) zur Montage am Träger (10; 10') über den weiteren Abschnitt (102) auf den Schaft (100) aufschiebbar ist, und - die den Schaft (100) umgebende Spule (11).
Segment (1; 1') nach Anspruch 1, wobei der weitere Abschnitt (102) zur Anbindung an benachbarte Segmente (1; 1') ausgebildet ist.
Segment (1; 1') nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schaft (100) und der weitere Abschnitt (102) gemeinsam einen L-förmigen Querschnitt aufweisen.
Segment (1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schaft (100) über eine Rundung (104) in den weiteren Abschnitt (102) übergeht.
Segment (1') nach Anspruch 4, wobei der weitere Abschnitt (102) ein offenes Ende (103) mit einer Rundung (105) aufweist, die passend zur Rundung (104) zwischen dem Schaft (100) und dem weiteren Abschnitt (102) ausgebildet ist.
Segment (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (10; 10') einstückig und materialeinheitlich ausgebildet ist.
Segment (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spule (11) einlagig ausgebildet ist.
Segmentierter Spulenträger (20; 20'), umfassend mehrere miteinander verbundene Segmente (1; 1') nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Segmentierter Spulenträger (20; 20') nach Anspruch 8, wobei Zahnköpfe des segmentierten Spulenträgers (20; 20') asymmetrisch ausgebildet sind.
Segmentierter Spulenträger (20; 20') nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Segmente (1; 1') um eine gemeinsame Achse (R) herum angeordnet und derart ausgerichtet sind, dass die Halteabschnitte (101) zur gemeinsamen Achse (R) hin ausgerichtet sind.
Elektrische Maschine (2), umfassend ein Segment (1; 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder den segmentierten Spulenträger (20; 20') nach einem der Ansprüche 8 bis 10.
Elektrische Maschine (2) nach Anspruch 11, ferner umfassend einen Rotor (21), wobei die Spulenanordnung (20; 20') einen Stator der elektrischen Maschine (2) ausbildet.
Elektrische Maschine (2) nach Anspruch 11 oder 12, ausgebildet in Form eines Elektromotors.
Luftfahrzeug (4), umfassend zumindest ein Triebwerk (3) mit einer elektrischen Maschine (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 13.
Verfahren zur Herstellung eines Segments (1; 1'), umfassend: - Bereitstellen eines Trägers (10; 10') mit einem Schaft (100), einem Halteabschnitt (101), der an einer Seite des Schafts (100) an den Schaft (100) angrenzt und dazu ausgebildet ist, eine den Schaft (100) umgebende Spule (11) am Schaft (100) zu sichern, und einem weiteren Abschnitt (102), der an der anderen Seite des Schafts (100) in einem Winkel zum Schaft (100) davon absteht; und - Aufschieben einer gewickelten Spule (11) über den weiteren Abschnitt (102) auf den Schaft (100) des Trägers (10; 10').
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Bereitstellen des Trägers (10; 10') die Herstellung des Trägers (10; 10') aus einem einzigen Materialstück umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, ferner umfassend: - Wickeln eines Drahts (110) zur Herstellung der gewickelten Spule (11) und thermisches Nachbehandeln der gewickelten Spule (11); - Auseinanderziehen der gewickelten Spule (11) aus einem Ausgangszustand in einen auseinandergezogenen Zustand mit einer vergrößerten Spreizung; - Versehen der Spule (11) im auseinandergezogenen Zustand mit einer Beschichtung (111); und - Überführen der Spule (11) vom auseinandergezogenen Zustand zurück in einen Zustand geringerer Spreizung, insbesondere in den Ausgangszustand.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die gewickelte Spule (11) während dem Aufschieben über den weiteren Abschnitt (102) auf den Schaft (100) des Trägers (10; 10') zumindest abschnittsweise auseinandergezogen wird, wobei zwischen der gewickelten Spule (11) und dem Träger (10; 10') ein Flachmaterialstück (106) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines segmentierten Spulenträgers (20; 20'), insbesondere nach einem der Ansprüche 8 bis 10, umfassend: - Bereitstellen mehrerer Segmente (1; 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder hergestellt nach einem der Ansprüche 14 bis 17; und - Verbinden der Segmente (1; 1') derart miteinander, dass die Segmente (1; 1') um eine gemeinsame Achse (R) herum angeordnet sind.