DE102021215044A1 - Electrical machine, machine component and method for manufacturing an electrical machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (12) aufweisend einen Stator (10) und einen Rotor (14), wobei der Stator (10) oder der Rotor (14) Zähne (18) aufweist, wobei die Zähne (18) Wicklungen (22) aufweisen. Es wird vorgeschlagen, dass die Zähne (18) jeweils am Zahnhals (28) eine sich tangential erstreckende Stützstruktur (64) aufweisen, welche zur Abstützung der Wicklung (22) vorgesehen ist.The invention relates to an electrical machine (12) having a stator (10) and a rotor (14), the stator (10) or the rotor (14) having teeth (18), the teeth (18) having windings (22) exhibit. It is proposed that the teeth (18) each have a tangentially extending support structure (64) on the tooth neck (28), which is provided to support the winding (22).
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Maschinenkomponente für eine solche elektrische Maschine sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Maschine.The invention relates to an electrical machine according to the species of the independent claim. The invention also relates to a machine component for such an electrical machine and a method for producing such an electrical machine.
Stand der TechnikState of the art
Bei EC-Außenläufermotoren wird typischerweise der feststehende Stator mit Erregerspulen bewickelt. Die elektrische Verschaltung der Spulen liegt in der Regel im zentralen Bereich des Stators. Daher wird bei als Einzelzahnspulen ausgebildeten Erregerspulen dabei jeweils der Eingangsdraht von einer inneren Seite des Zahns angeführt, der Draht typischerweise in mehreren Lagen um den Zahn gewickelt und der Ausgangsdraht von der gleichen inneren Seite weggeführt, so dass Eingangs und Ausgangsdraht im selben räumlichen Bereich angeordnet sind. Aus diesem Grund muss die Spule zwingend eine gerade Zahl an Lagen aufweisen, wobei eine Lage aber auch aus nur einem einzelnen Draht bestehen kann, welcher eine darunterliegende Lage vollständig überspannt. Typischerweise werden die Lagen zwischen den Endanschlägen des Zahns gewickelt, so dass der Übergang von einer in eine radiale Richtung fortlaufende Wicklungslage zur nächsten in die entgegengesetzte radiale Richtung zurücklaufende nächste Wicklungslage vorzugsweise an einem der Endanschläge angeordnet ist. Der Übergang von einer fortlaufenden Wicklungslage in die darüber angeordnete zurücklaufende Wicklungslage wird auch als Lagensprung bezeichnet.In the case of EC external rotor motors, the fixed stator is typically wound with excitation coils. The electrical wiring of the coils is usually in the central area of the stator. Therefore, in the case of excitation coils designed as single-tooth coils, the input wire is led from an inner side of the tooth, the wire is typically wound around the tooth in several layers and the output wire is led away from the same inner side, so that the input and output wire are arranged in the same spatial area . For this reason, the coil must have an even number of layers, although a layer can also consist of just a single wire that completely spans the layer below. Typically, the layers are wound between the end stops of the tooth, so that the transition from one winding layer continuing in a radial direction to the next winding layer returning in the opposite radial direction is preferably arranged at one of the end stops. The transition from a continuous winding layer to the returning winding layer arranged above it is also referred to as a layer jump.
In der Regel sind die Zahnhälse in der axialen Draufsicht rechteckig oder leicht konisch geformt, damit der vom Magnetfeld durchflossene Zahnhals im gesamten Bereich der Wicklung eine möglichst gleiche Querschnittsfläche hat. Daraus resultiert eine konisch zulaufende Nut zwischen den Zähnen. Damit hat beispielsweise bei einem Innenstator, also einem Stator mit sich radial nach außen erstreckenden Zähnen, die Nut am Nutgrund weniger Platz für Wicklungsdraht als in einem weiter außen gelegenen Bereich. In anderen Worten bietet die Nut weiter außen Platz für mehr Wicklungslagen als am Nutgrund. Das Ziel eines einer guten elektrischen Maschine ist eine hohe Leistungsdichte und Motorwirkungsgrad, was mit einem hohen Kupferfüllfaktor erreicht wird, also einer möglichst hohen Menge an Windungsdraht in einer Nut. Aufgrund der konischen Geometrie ist mit einer Wicklung, bei welcher der Lagensprung nur an den Endanschlägen angeordnet ist, ein guter Kupferfüllfaktor nicht möglich, da so die Bereiche der Nut, die mehr Platz für Wicklungslagen aufgrund der Limitierung der Bereiche mit weniger Platz für Wicklungslagen unausgefüllt bleiben. Solche unausgefüllten Bereiche können mit weiteren Windungen ausgefüllt werden, welche mittels Wicklungslagen aufgebracht werden können, welche nicht vollständig von einem Endanschlag bis zum anderen Endanschlag gewickelt sind. Beispielsweise kann es notwendig oder wünschenswert sein, dass am Nutgrund zwei Wicklungslagen angeordnet sind währen am radial äußeren Ende des Zahns vier Wicklungslagen angeordnet sind. Das macht jedoch einen Lagensprung notwendig, der irgendwo zwischen den Endanschlägen angeordnet ist, was auch als zentraler Lagensprung bezeichnet wird.As a rule, the necks of the teeth are rectangular or slightly conical in shape in the axial plan view, so that the neck of the tooth through which the magnetic field flows has the same cross-sectional area as possible in the entire area of the winding. This results in a tapered groove between the teeth. For example, in the case of an internal stator, that is to say a stator with teeth extending radially outwards, the slot at the bottom of the slot has less space for winding wire than in an area further to the outside. In other words, the slot offers space further out for more winding layers than at the bottom of the slot. The goal of a good electrical machine is high power density and motor efficiency, which is achieved with a high copper fill factor, i.e. the highest possible amount of winding wire in a slot. Due to the conical geometry, a good copper fill factor is not possible with a winding in which the layer jump is only arranged at the end stops, since the areas of the slot that have more space for winding layers remain unfilled due to the limitation of the areas with less space for winding layers . Such unfilled areas can be filled with further turns, which can be applied by means of winding layers which are not completely wound from one end stop to the other end stop. For example, it may be necessary or desirable for two winding layers to be arranged at the bottom of the slot, while four winding layers are arranged at the radially outer end of the tooth. However, this necessitates a layer jump located somewhere between the end stops, also known as a central layer jump.
Bei einem solchen zentralen Lagensprung besteht - gegenüber einem Lagensprung an einem Endanschlag - das Risiko, dass der weitere Lagenaufbau erheblich gestört werden kann, beispielsweise können Windungen der nächsten Lage am zentralen Lagensprung unkontrolliert abrutschen. Durch die hohen Drahtzugkräfte bei einem Wickelprozess können durch eine fehlplatzierte Windung bereits abgelegte Windungen aus der gewünschten Sollposition gezogen werden. Insbesondere kann eine fehlplatzierte Windung zum nichtidealen überspannen und unbeabsichtigten Überwickeln führen. Das kann sich sehr nachteilig auf die Ausnutzung des Bauraums auswirken, weiterhin kann der Wickelprozess empfindlich gestört werden, da bei einer falschen Windungsanordnung die im Vergleich zum Draht breite Nadel möglicherweise nicht mehr richtig in die Statornut eintauchen kann.In the case of such a central layer jump, there is a risk—in contrast to a layer jump at an end stop—that the further layer structure can be significantly disrupted, for example turns of the next layer can slip off in an uncontrolled manner at the central layer jump. Due to the high wire tensile forces in a winding process, windings that have already been placed can be pulled out of the desired target position due to a winding that is misplaced. In particular, a misplaced winding can lead to non-ideal over-stretching and unintentional over-winding. This can have a very negative effect on the utilization of the installation space, and the winding process can also be severely disrupted, since if the windings are arranged incorrectly, the needle, which is wide compared to the wire, may no longer be able to dip properly into the stator slot.
Ein solcher, ungeordneter Lagenaufbau steht einem guten Kupferfüllfaktor entgegen, insbesondere weicht dann auch der Widerstand der Wicklung vom gewünschten Wert ab, was sich nachteilig auf die Motorfunktion auswirkt.Such an unordered layer structure is contrary to a good copper fill factor, in particular the resistance of the winding also deviates from the desired value, which has a disadvantageous effect on the motor function.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
VorteileAdvantages
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine elektrische Maschine aufweisend einen Stator und einen Rotor, wobei der Stator oder der Rotor Zähne aufweist, wobei die Zähne Wicklungen aufweisen. Erfindungsgemäß weisen die Zähne jeweils am Zahnhals eine sich tangential erstreckende Stützstruktur auf, welche zur Abstützung der Wicklung vorgesehen ist. Das hat den Vorteil, dass einzelne Windungen der Wicklung in Bereich eines zentralen Lagensprungs durch die Stützstruktur geeignet abgestützt bzw. fixiert werden können. Auf diese Weise können Fehlplatzierungen von Windungen in diesem Bereich verhindert werden. Das ermöglicht die Bereitstellung einer elektrischen Maschine mit einem hohen Kupferfüllfaktor und einer hohen Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad.The present invention describes an electrical machine having a stator and a rotor, the stator or the rotor having teeth, the teeth having windings. According to the invention, the teeth each have a tangentially extending support structure on the neck of the tooth, which is provided to support the winding. This has the advantage that individual turns of the winding can be suitably supported or fixed by the support structure in the area of a central layer jump. In this way, incorrect placement of windings in this area can be prevented. This makes it possible to provide an electrical machine with a high copper fill factor and a high power density and high efficiency.
Dabei soll unter einer elektrischen Maschine insbesondere ein Elektromotor verstanden werden, bevorzugt einen rotativer Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor. Ein Stator ist üblicherweise dazu eingerichtet, Erregerspulen aufzunehmen. Die Erregerspulen können im Betrieb der elektrischen Maschine ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, insbesondere Drehfeld erzeugen, welches dazu vorgesehen ist, den Rotor in Rotation zu versetzten. Der Rotor bzw. der Läufer des Elektromotors kann generell mit Permanentmagneten bestückt sein, stromkommutierte Spulen für die Magnetfelderzeugung aufweisen, oder als so genannter Kurzschlussläufer einer Asynchronmaschine ausgebildet sein.An electrical machine should be understood to mean in particular an electric motor, preferably a rotary electric motor with a stator and a rotor. A stator is usually set up to accommodate excitation coils. During operation of the electrical machine, the excitation coils can generate a magnetic field that changes over time, in particular a rotary field, which is provided to cause the rotor to rotate. The rotor or the rotor of the electric motor can generally be fitted with permanent magnets, have current-commutated coils for generating the magnetic field, or be designed as a so-called squirrel-cage rotor of an asynchronous machine.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Rotor als Innenläufer in einem Außenstator ausgebildet sein oder der Rotor kann als Außenläufer um einem Innenstator ausgebildet sein. Die Wicklungen um die Zähne können die Erregerwicklungen um Statorzähne sein oder Erregerwicklungen um Rotorzähne. Zusammenfassend ist die vorliegende Erfindung vorteilhaft für eine Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine, wobei die Maschinenkomponente Zähne aufweist, wobei die Zähne Wicklungen aufweisen und erfindungsgemäß die Zähne jeweils am Zahnhals eine sich tangential erstreckende Stützstruktur aufweisen, welche zur Abstützung der Wicklung vorgesehen ist und wobei die Maschinenkomponente ein Stator oder Rotor ist.According to the present invention, the rotor can be designed as an inner rotor in an outer stator, or the rotor can be designed as an outer rotor around an inner stator. The windings around the teeth can be the excitation windings around the stator teeth or excitation windings around the rotor teeth. In summary, the present invention is advantageous for a machine component for an electrical machine, the machine component having teeth, the teeth having windings and, according to the invention, the teeth each having a tangentially extending support structure on the tooth neck, which is provided to support the winding and the machine component is a stator or rotor.
Eine Wicklung, beispielsweise Zahnwicklung oder Sehnenwicklung, wird insbesondere durch einen Leiter bzw. Draht ausgebildet, welcher mindestens einmal, bevorzugt mehrfach um einen Pol gewickelt ist, welcher in einer radialen Richtung der Maschinenkomponente ausgerichtet ist. Bevorzugt weist eine Wicklung einen Kupferleiter bzw. einen Kupferdraht auf. Beispielsweise kann die Wicklung durch zwei unterschiedliche Nuten gewickelt werden. Bevorzugt verläuft eine Windung eines Drahtes einer Wicklung von einer ersten Stirnseite der Maschinenkomponente durch eine erste Nut zur zweiten Stirnseite, anschließend entlang der zweiten Stirnseite zur einer zweiten Nut, dann durch die zweite Nut zurück zur ersten Stirnseite und dann entlang der ersten Stirnseite zurück zur ersten Nut, wo der Umlauf dieser Windung beendet. Anschließend kann der Draht mit dem gleichen Weg um die Maschinenkomponente eine nächste Windung bilden. Typischerweise weist eine Wicklung eine Vielzahl von Windungen auf. Es ist vorgesehen, dass die Wicklung im Betrieb der elektrischen Maschine bestromt wird und ein magnetisches Feld ausbildet. Die Ausrichtung des Pols des magnetischen Feldes kann mit einer radialen Haupterstreckungsrichtung von einem der Zähne zusammenfallen, um welche die Wicklung gewickelt ist.A winding, for example a tooth winding or a chord winding, is formed in particular by a conductor or wire which is wound at least once, preferably multiple times, around a pole which is aligned in a radial direction of the machine component. A winding preferably has a copper conductor or a copper wire. For example, the winding can be wound through two different slots. One turn of a wire of a winding preferably runs from a first face of the machine component through a first slot to the second face, then along the second face to a second slot, then through the second slot back to the first face and then along the first face back to the first Groove where the circulation of this whorl ends. The wire can then form a next turn with the same path around the machine component. A winding typically has a large number of turns. Provision is made for the winding to be energized during operation of the electrical machine and to form a magnetic field. The orientation of the pole of the magnetic field may coincide with a main radial extension direction of one of the teeth around which the winding is wound.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die Wicklungen bevorzugt als Zahnwicklungen ausgebildet. Unter einer Zahnwicklung soll insbesondere eine Wicklung verstanden werden, welche um genau einen Zahn gewickelt ist und abschnittsweise durch die beiden an den Zahn angrenzenden Nuten verläuft. Eine solche Wicklung wird auch als Einzelzahnwicklung bezeichnet. Der Pol des magnetischen Feldes fällt bei Zahnwicklungen typischerweise mit der Achse der Haupterstreckungsrichtung des Zahns zusammen. Eine Zahnwicklung wird typischerweise mit der Nadelwickeltechnik oder mit Hilfe von Leitblechen angebracht. In beiden Fällen wird ein freier Bereich in der Nut benötigt, in welchen die Windungen der Zahnwicklung nicht hineinreichen, entweder als Wickelgasse für die Nadel beim Nadelwickeln oder als freier Raum zum Einführen des Leitblechs.In the context of the present invention, the windings are preferably designed as toothed windings. A tooth winding is to be understood in particular as a winding which is wound around exactly one tooth and runs in sections through the two slots adjacent to the tooth. Such a winding is also referred to as a single-tooth winding. In the case of tooth windings, the pole of the magnetic field typically coincides with the axis of the main direction of extension of the tooth. A tooth winding is typically applied using the needle winding technique or with the help of baffles. In both cases, a free area is required in the slot into which the turns of the tooth winding do not reach, either as a winding path for the needle during needle winding or as a free space for inserting the guide plate.
Unter einer Stützstruktur soll insbesondere eine Erhebung aus dem Zahnhals in eine tangentiale Richtung verstanden werden. Unter einer tangentialen Richtung soll in diesem Zusammenhang eine Umfangsrichtung verstanden werden bzw. eine entlang einer vorgesehenen Rotationsrichtung der elektrischen Maschine ausgerichtete Richtung verstanden werden. Ein Zahn weist einen Zahnhals auf, der sich im Wesentlichen entlang einer Radialrichtung der elektrischen Maschine erstreckt. Dabei weist der Zahnhals zwei Innenflächen auf, welche jeweils einem unmittelbar benachbarten Zahn zugewandt sind. Insbesondere begrenzen die Innenflächen des Zahnhalses zumindest abschnittsweise eine Nut zwischen zwei Zähnen. Anders formuliert erstreckt sich eine Innenfläche des Zahnhalses im Wesentlichen entlang der Radialrichtung sowie entlang einer Axialrichtung der elektrischen Maschine. Eine Axialrichtung der elektrischen Maschine ist insbesondere entlang einer Rotationsachse der elektrischen Maschine ausgerichtet. Vorteilhaft erstreckt sich die Stützstruktur aus wenigstens einer Innenfläche des Zahnhalses, besonders bevorzugt weist jede der zwei Innenflächen eine Stützstruktur auf.A support structure is to be understood in particular as an elevation from the neck of the tooth in a tangential direction. In this context, a tangential direction should be understood to mean a circumferential direction or a direction aligned along an intended direction of rotation of the electrical machine. A tooth has a tooth neck that extends essentially along a radial direction of the electrical machine. The neck of the tooth has two inner surfaces, each of which faces an immediately adjacent tooth. In particular, the inner surfaces of the neck of the tooth delimit a groove between two teeth, at least in sections. In other words, an inner surface of the tooth neck extends essentially along the radial direction and along an axial direction of the electrical machine. An axial direction of the electrical machine is aligned in particular along an axis of rotation of the electrical machine. The support structure advantageously extends from at least one inner surface of the neck of the tooth, each of the two inner surfaces particularly preferably having a support structure.
Darunter, dass sich eine Struktur im Wesentlichen in eine Richtung oder entlang einer Richtung erstreckt soll insbesondere verstanden werden, dass eine Haupterstreckungsrichtung der Struktur bevorzugt parallel zur Richtung angeordnet ist oder um einen Winkel von höchstens 20°, bevorzugt höchstens 10°, besonders bevorzugt höchstens 5° von einer parallelen Anordnung abweicht.The fact that a structure essentially extends in one direction or along one direction is to be understood in particular as meaning that a main direction of extension of the structure is preferably arranged parallel to the direction or at an angle of no more than 20°, preferably no more than 10°, particularly preferably no more than 5 ° deviates from a parallel arrangement.
Die Stützstruktur kann einstückig mit der Maschinenkomponente und/oder dem Zahn ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass die Stützstruktur aus einem separaten Bauteil gefertigt ist welches mit der Maschinenkomponente zumindest kraftschlüssig verbunden ist.The support structure can be formed in one piece with the machine component and/or the tooth. It is also conceivable that the support structure is made from a separate component which is at least non-positively connected to the machine component.
Unter einstückig soll in diesem Zusammenhang insbesondere stoffschlüssig verbunden, wie beispielsweise durch einen Schweißprozess und/oder einen Klebeprozess usw. und besonders vorteilhaft angeformt verstanden werden, wie durch die Herstellung aus einem Guss und/oder durch die Herstellung in einem Ein- oder Mehrkomponentenspritzverfahren. Beispielsweise kann bei einer paketierten Blechlamellen bzw. Elektrobleche aufweisenden Maschinenkomponente die Stützstruktur als eine sich tangential erstreckende Zunge von einer oder mehreren - bevorzugt axial unmittelbar benachbarten - Blechlamellen ausgebildet sein. Insbesondere können die radial erstreckenden Zungen in den entsprechenden Blechlamellen beim Herstellen der Blechlamellen mit ausgestanzt werden.In this context, one-piece is to be understood in particular as being materially bonded, for example by a welding process and/or an adhesive process etc. and particularly advantageously molded, for example by being produced from a single cast and/or by being produced in a one-component or multi-component injection molding process. For example, in the case of a machine component having stacked laminations or electrical laminations, the support structure can be designed as a tangentially extending tongue of one or more—preferably axially directly adjacent—laminations. In particular, the radially extending tongues in the corresponding laminations can also be punched out during the manufacture of the laminations.
Darunter, dass die Stützstruktur zu einer Abstützung der Wicklung vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass die Stützstruktur, insbesondere durch ihre tangentiale Erstreckung, derart ausgebildet ist, dass sie wenigstens eine Windung der Wicklung gegen ein Verschieben absichert, insbesondere ein Verschieben in radialer Richtung.The fact that the support structure is provided to support the winding is to be understood in particular as meaning that the support structure, in particular due to its tangential extension, is designed in such a way that it secures at least one turn of the winding against displacement, in particular displacement in the radial direction .
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der elektrischen Maschine möglich.Advantageous developments of the electrical machine are possible due to the features listed in the subclaims.
So ist es von Vorteil, wenn die Stützstruktur rampenartig ausgebildet ist, wobei bevorzugt eine tangentiale Erstreckung der Stützstruktur mit dem Abstand zur Rotationsachse zunimmt. Auf diese Weise lässt sich ein besonders gleichmäßiger Lagenaufbau gewährleisten. Insbesondere kann auf einem Bereich der höchsten tangentialen Erstreckung der Stützstruktur eine Stützwindung angeordnet, wobei die Windungen vor der Stützwindung entlang der Rampe tangential stetig bis zur Stützwindung geführt werden. Auf diese Weise lässt sich die Stützstruktur besonders zuverlässig anordnen, was wiederum einen präzisen und zuverlässigen Lagensprung ermöglicht. Dadurch, dass die Stützstruktur rampenartig ausgebildet ist, kann eine Drahtlage besonders geordnet bis zur Stützwindung gewickelt werden.It is thus advantageous if the support structure is designed in the manner of a ramp, with a tangential extent of the support structure preferably increasing with the distance from the axis of rotation. In this way, a particularly uniform layer structure can be guaranteed. In particular, a support coil can be arranged on a region of the highest tangential extension of the support structure, with the coils in front of the support coil being guided tangentially continuously along the ramp up to the support coil. In this way, the support structure can be arranged particularly reliably, which in turn enables a precise and reliable jump in layers. Due to the fact that the support structure is designed in the manner of a ramp, a wire layer can be wound in a particularly orderly manner up to the support winding.
Unter einer Stützwindung soll insbesondere eine Windung einer Drahtlage einer Wicklung verstanden werden, welche gegenüber den anderen Windungen der Drahtlage tangential herausragt. Auf diese Weise kann das Abgleiten der nächsten Windung verhindert werden. Eine Stützwindung ist insbesondere dafür vorgesehen, eine Stützstruktur für eine Windung einer nachfolgenden Drahtlage auszubilden. Insbesondere ist eine primäre Stützwindung dafür vorgesehen, eine sekundäre Stützwindung einer nachfolgenden Drahtlage zu stützen. Vorteilhaft kann eine Stützwindung einen Lagensprung abstützen.A support turn is to be understood in particular as a turn of a wire layer of a winding which protrudes tangentially with respect to the other turns of the wire layer. In this way, the next turn can be prevented from slipping off. A support turn is intended in particular to form a support structure for a turn of a subsequent wire layer. In particular, a primary support turn is intended to support a secondary support turn of a subsequent layer of wire. A support winding can advantageously support a layer jump.
Unter einer rampenartig ausgebildeten Struktur soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine solche Struktur verstanden werden, deren tangentiale Erstreckung sich entlang einer Radialrichtung vergrößert, bevorzugt stetig vergrößert. Beispielhaft kann sich die tangentiale Erstreckung der rampenartigen Struktur als Funktion des radialen Abstandes von einer gedachten Rotationsachse linear verändern. Eine solche lineare rampenartig ausgebildete Struktur hat insbesondere in der Radialebene bzw. in einem radialen Schnitt eine dreieckige Form. Es ist aber auch denkbar, dass die rampenartige Struktur nicht linear ausgebildet und beispielsweise zumindest abschnittsweise konvex oder konkav ausgebildet ist. Es ist auch denkbar, dass rampenartig ausgebildete Struktur weitgehend linear ausgebildet ist und Unterstrukturen aufweist, beispielsweise, dass auf einer weitgehend linear verlaufenden Rampe Rillen angeordnete sind, etwa für die Aufnahme von Windungen.In this context, a ramp-like structure should be understood to mean, in particular, a structure whose tangential extent increases, preferably continuously, along a radial direction. For example, the tangential extent of the ramp-like structure can change linearly as a function of the radial distance from an imaginary axis of rotation. Such a linear, ramp-like structure has a triangular shape, in particular in the radial plane or in a radial section. However, it is also conceivable for the ramp-like structure to be non-linear and for example to be convex or concave at least in sections. It is also conceivable that a ramp-like structure is largely linear and has substructures, for example that grooves are arranged on a largely linear ramp, for example for accommodating windings.
Darunter, dass eine rampenartig ausgebildete Struktur weitgehend linear ausgebildet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass die tangentiale Erstreckung der rampenartigen Struktur durch eine Funktion des radialen Abstandes von einer gedachten Rotationsachse beschreibbar ist, welche um weniger als 15%, bevorzugt weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 5% von einer linearen Funktion abweicht.The fact that a ramp-like structure is largely linear is to be understood in particular as meaning that the tangential extent of the ramp-like structure can be described by a function of the radial distance from an imaginary axis of rotation, which is less than 15%, preferably less than 10%, more preferably less than 5% deviates from a linear function.
Die elektrische Maschine wird weiter verbessert, wenn die Stützstruktur an einem radialen Innenabschnitt des Zahnhalses angeordnet ist. Auf diese Weise sind die Drahtlagen ausgehend vom radialen Innenabschnitt des Zahnhalses besonders gleichmäßig wickelbar. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Eingangsdraht an dem radialen Innenabschnitt des Zahnhalses angeordnet ist.The electrical machine is further improved when the support structure is located at a radially inner portion of the tooth neck. In this way, the wire layers can be wound particularly evenly, starting from the radial inner section of the tooth neck. It is particularly advantageous if the input wire is arranged on the radial inner section of the neck of the tooth.
Unter einem radialen Innenabschnitt des Zahnhalses soll ein Abschnitt des Zahnhalses verstanden werden, welcher radial am nächsten zur gedachten Rotationsachse angeordnet ist. In einer Maschinenkomponente mit radial nach außen weisenden Zähnen, beispielsweise einem Innenstator, ist der radiale Innenabschnitt des Zahnhalses am Nutgrund oder Joch angeordnet. In einer Maschinenkomponente mit radial nach innen weisenden Zähnen, beispielsweise einem Außenrotor, ist der radiale Innenabschnitt an einer Zahnspitze bzw. an einem Zahnkopf angeordnet.A radial inner section of the tooth neck should be understood to mean a section of the tooth neck which is arranged radially closest to the imaginary axis of rotation. In a machine component with teeth pointing radially outwards, for example an inner stator, the radially inner section of the tooth neck is arranged at the slot bottom or yoke. In a machine component with teeth pointing radially inwards, for example an outer rotor, the radial inner section is arranged on a tooth tip or on a tooth tip.
Die elektrische Maschine wird weiter verbessert, wenn sich die Stützstruktur von einem inneren Endanschlag radial nach außen bis zu einem radialen Stützende erstreckt, wobei das Stützende in einem zentralen Bereich des Zahnhalses angeordnet ist. Auf diese Weise ist ein besonders gleichmäßiger Lagenaufbau möglich.The electric machine is further improved when the support structure extends radially outward from an inner end stop to a radial support end, the support end being located in a central region of the tooth neck. In this way, a particularly uniform layer structure is possible.
Unter einem Endanschlag soll insbesondere eine Begrenzung des Zahnhalses bzw. eine begrenzende Struktur am Zahnhals verstanden werden, welche die Wicklung radial begrenzt. Typischerweise weist ein Zahnhals eine sich in Radialrichtung erstreckende Oberfläche auf, welche zur Aufnahme der Wicklung vorgesehen ist. Vorteilhaft ist der Endanschlag eine sich aus dem Zahnhals bzw. der sich in Radialrichtung erstreckende Oberfläche des Zahnhalses Struktur, bevorzugt eine in Tangentialrichtung erstreckende Struktur. Unter einem inneren Endanschlag soll ein Endschlag verstanden werden, welcher radial innen am Zahnhals bzw. Zahn angeordnet ist, insbesondere an einem radialen Innenabschnitt des Zahnhalses. Unter einem äußeren Endanschlag soll ein Endschlag verstanden werden, welcher radial außen am Zahnhals bzw. Zahn angeordnet ist. In einer Maschinenkomponente mit radial nach außen weisenden Zähnen, beispielsweise einem Innenstator, kann der innere Endanschlag durch einen Nutgrund bzw. ein Joch ausgebildet sein und der äußere Endanschlag beispielhaft durch einen Zahnkopf. In einer Maschinenkomponente mit radial nach innen weisenden Zähnen, beispielsweise einem Außenläufer, kann der innere Endanschlag durch den Zahnkopf ausgebildet sein und der äußere Endanschlag beispielhaft durch einen Nutgrund bzw. ein Joch. Es ist auch denkbar, dass der Endanschlag auf einer eine Isolationsmaske ausgebildet ist.An end stop is to be understood in particular as a delimitation of the tooth neck or a delimiting structure on the tooth neck, which delimits the winding radially. Typically, a tooth neck has a radially extending surface intended to receive the winding. The end stop is advantageously a structure extending out of the tooth neck or the surface of the tooth neck extending in the radial direction, preferably a structure extending in the tangential direction. An inner end stop is to be understood as meaning an end stop which is arranged radially on the inside of the tooth neck or tooth, in particular on a radial inner section of the tooth neck. An outer end stop should be understood to mean an end stop which is arranged radially on the outside of the tooth neck or tooth. In a machine component with teeth pointing radially outwards, for example an inner stator, the inner end stop can be formed by a groove base or a yoke and the outer end stop can be formed, for example, by a tooth head. In a machine component with teeth pointing radially inwards, for example an external rotor, the inner end stop can be formed by the tooth crest and the outer end stop, for example, by a groove base or a yoke. It is also conceivable that the end stop is formed on an insulation mask.
Unter einem Stützende der Stützstruktur soll insbesondere das radial äußere Ende der Stützstruktur verstanden werden. Vorteilhaft ist am Stützende die höchste tangentiale Erstreckung der Stützstruktur angeordnet.A support end of the support structure is to be understood in particular as the radially outer end of the support structure. The highest tangential extent of the support structure is advantageously arranged at the support end.
Unter einem zentralen Bereich soll ein Bereich des Zahnhalses verstanden werden, welcher vom inneren Endschlag einen Abstand aufweist, welcher zwischen 35% und 65% eines radialen Wickelraumabstands zwischen dem inneren Endanschlag und dem äußeren Endanschlag beträgt, bevorzugt zwischen 40% und 55% besonders bevorzugt zwischen 45% und 50%.A central area is to be understood as an area of the tooth neck which is at a distance from the inner end stop which is between 35% and 65% of a radial winding space distance between the inner end stop and the outer end stop, preferably between 40% and 55%, particularly preferably between 45% and 50%.
Ein besonders stabiler Lagensprung ist möglich, wenn die Stützstruktur eine radiale Erstreckung aufweist, welche zwischen 30% und 60% eines radialen Wickelraumabstands zwischen dem inneren Endanschlag und einem äußeren Endanschlag des Zahnhalses aufweist, bevorzugt zwischen 35% und 50% besonders bevorzugt zwischen 40% und 45%.A particularly stable layer jump is possible if the support structure has a radial extent of between 30% and 60% of a radial winding space distance between the inner end stop and an outer end stop of the tooth neck, preferably between 35% and 50%, particularly preferably between 40% and 45%.
Es ist weiter von Vorteil, wenn die der Stützstruktur an einem radialen Stützende ein Stützmaximum mit maximaler tangentialer Erstreckung annimmt, insbesondere wobei das radiale Stützende in einem zentralen Bereich des Zahnhalses angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine sichere Positionierung einer Stützwindung möglich, welche einen zentralen Lagensprung stützt. Vorteilhaft ist die Stützwindung am Stützmaximum angeordnet, was durch die tangentiale Erhebung des Stützmaximums eine besonders zuverlässige Stützung von nachfolgenden Windungen ermöglicht.It is also advantageous if the support structure assumes a support maximum with a maximum tangential extension at a radial support end, in particular with the radial support end being arranged in a central area of the tooth neck. In this way, it is possible to securely position a support winding that supports a central layer jump. The support winding is advantageously arranged at the support maximum, which enables particularly reliable support of subsequent windings due to the tangential elevation of the support maximum.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform liegt vor, wenn zwischen Zähnen und Wicklungen wenigstens eine Isolationsmaske angeordnet ist und die Isolationsmaske wenigstens teilweise die Stützstruktur aufweist. Das ermöglicht eine besonders einfache Bereitstellung der Stützstruktur. Auf diese Weise ist es nicht notwendig, die Stützstruktur direkt am Grundkörper der Maschinenkomponente, beispielsweise dem Lamellenpaket für den Stator, auszubilden. Insbesondere ist es möglich, den gleichen Grundkörper für unterschiedliche Maschinenkomponenten zu verwenden, wobei mit einer individuellen Isolationsmaske die Stützstruktur jeweils an die Maschinenkomponente angepasst werden kann, insbesondere an die Drahtdicke der jeweiligen Wicklungen.A particularly advantageous embodiment is when at least one insulation mask is arranged between the teeth and the windings and the insulation mask has the support structure at least partially. This enables the support structure to be provided in a particularly simple manner. In this way it is not necessary to form the support structure directly on the base body of the machine component, for example the laminated core for the stator. In particular, it is possible to use the same base body for different machine components, with the support structure being able to be adapted to the machine component in each case with an individual insulation mask, in particular to the wire thickness of the respective windings.
Eine Isolationsmaske ist insbesondere dafür vorgesehen, die Wicklungen von einem Grundkörper der Maschinenkomponente, welcher die Zähne und Nuten aufweist und typischerweise aus einem Metall, insbesondere Elektroblech ausgebildet ist, elektrisch zu isolieren. Typischerweise ist eine Isolationsmaske aus Kunststoff ausgebildet und wird auf den Grundkörper der Maschinenkomponenten aufgesetzt - beispielsweise in Axialrichtung aufgeschoben - oder angespritzt. Bevorzugt ist eine Isolationsmaske so ausgebildet, dass sie im auf die Maschinenkomponente montierten Zustand zumindest eine axiale Stirnseite eines Zahns abdeckt oder weitgehend abdeckt.An insulation mask is provided in particular to electrically insulate the windings from a base body of the machine component, which has the teeth and grooves and is typically made of a metal, in particular electrical sheet metal. An insulation mask is typically made of plastic and is placed on the base body of the machine components—for example pushed on in the axial direction—or molded on. An insulation mask is preferably designed in such a way that, when it is mounted on the machine component, it covers or largely covers at least one axial end face of a tooth.
Bevorzugt ist die Isolationsmaske ein einstückiges Bauteil, welches dazu vorgesehen ist, zumindest die axialen Stirnseiten aller Zähne auf einer axialen Stirnseite der Maschinenkomponente weitgehend vollständig zu überdecken. Vorteilhaft überdeckt die Isolationsmaske weitgehend vollständig die jeweiligen Übergangsbereiche zwischen den Nuten und einer axialen Stirnseite des Grundkörpers der Maschinenkomponente.The insulation mask is preferably a one-piece component which is provided to largely completely cover at least the axial end faces of all teeth on an axial end face of the machine component. The insulation mask advantageously largely completely covers the respective transition areas between the grooves and an axial end face of the base body of the machine component.
Typischerweise weist eine elektrische Maschine zwei Isolationsmasken auf, jeweils eine für jede der beiden axialen Stirnseiten. Vorteilhaft weist eine Isolationsmaske sich in Radialrichtung bzw. in einer Radialebene an einer axialen Stirnseite erstreckende Abschnitt auf, welche im montierten Zustand zumindest abschnittsweise - bevorzugt weitgehend vollständig - die axialen Stirnseiten der Zähne überdecken und optional zumindest abschnittsweise - bevorzugt weitgehend vollständig - eine axiale Stirnseite eines Jochbereichs der Maschinenkomponente überdeckt. Vorteilhaft weist eine Isolationsmaske sich in Axialrichtung in die Nuten erstreckende Bereiche auf, welche im montierten Zustand zumindest abschnittsweise - bevorzugt weitgehend vollständig - die Zahnhälse abdecken, insbesondere die Abschnitte der Zahnhälse, welche in Umfangsrichtung ausgerichtet sind.Typically, an electrical machine has two insulating masks, one for each of the two axial faces. Advantageously, an insulation mask has sections that extend in the radial direction or in a radial plane on an axial end face, which in the assembled state at least sectionally - preferably largely completely - cover the axial end faces of the teeth and optionally at least sectionally - preferably largely completely - cover an axial end face of a Yoke area of the machine component covered. Advantageously an insulating mask has areas extending in the axial direction into the grooves, which in the assembled state at least partially--preferably largely completely--cover the tooth necks, in particular the portions of the tooth necks which are aligned in the circumferential direction.
Es ist auch möglich, dass die Isolationsmaske mehrstückig bzw. aus mehreren Teilstücken ausgebildet ist. Beispielsweise ist es denkbar, dass je ein Teilstück der Isolationsmaske dafür vorgesehen ist, jeweils eine axiale Stirnseite von einem Zahn zu überdecken oder weitgehend vollständig zu überdecken.It is also possible for the insulation mask to be formed in several pieces or from several sections. For example, it is conceivable that a section of the insulation mask is intended to cover or largely completely cover an axial end face of a tooth.
Unter einstückig soll in diesem Zusammenhang insbesondere stoffschlüssig verbunden, wie beispielsweise durch einen Schweißprozess und/oder einen Klebeprozess usw. und besonders vorteilhaft angeformt verstanden werden, wie durch die Herstellung aus einem Guss und/oder durch die Herstellung in einem Ein- oder Mehrkomponentenspritzverfahren.In this context, one-piece is to be understood in particular as being materially bonded, for example by a welding process and/or an adhesive process etc. and particularly advantageously molded, for example by being produced from a single cast and/or by being produced in a one-component or multi-component injection molding process.
Darunter, dass eine Fläche weitgehend vollständig überdeckt ist, soll insbesondere verstanden werden, dass die Fläche zu wenigstens 90%, bevorzugt wenigstens 95%, besonders bevorzugt wenigstens 98% überdeckt ist.The fact that an area is largely completely covered is to be understood in particular to mean that the area is covered by at least 90%, preferably at least 95%, particularly preferably at least 98%.
Die Stützstruktur kann insbesondere an der Isolationsmaske angeformt sein. Die Stützstruktur kann insbesondere einstückig mit der Isolationsmaske ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass die Stützstruktur aus einem separaten Bauteil gefertigt ist, welches mit der Maschinenkomponente und/oder der Isolationsmaske zumindest formschlüssig oder kraftschlüssig verbunden ist, bevorzugt stoffschlüssig verbunden ist. Beispielsweise kann die Stützstruktur, insbesondere eine rampenartig ausgebildete Stützstruktur, ein Metallelement aufweisen, welches beispielsweise in die Isolationsmaske eingegossen ist.In particular, the support structure can be molded onto the insulation mask. The support structure can in particular be formed in one piece with the insulation mask. It is also conceivable for the support structure to be manufactured from a separate component which is connected to the machine component and/or the insulation mask at least in a positive or non-positive manner, preferably with a material connection. For example, the support structure, in particular a support structure designed in the manner of a ramp, can have a metal element which is cast into the insulation mask, for example.
In einem Herstellungsversfahren wird die Isolationsmaske bevorzugt vor dem Bewickeln mit den Spulenwicklungen auf den Grundkörper der Maschinenkomponente aufgebracht. Eine Isolationsmaske kann dazu ausgebildet sein, den Wickelprozess der Wicklungen zu vereinfachen bzw. zu unterstützen. Die Isolationsmaske wird manchmal auch als Wickelmaske bezeichnet.In a manufacturing process, the insulation mask is preferably applied to the base body of the machine component before the coil windings are wound on it. An insulation mask can be designed to simplify or support the winding process of the windings. The insulation mask is also sometimes referred to as a winding mask.
Als besonders günstig für eine gleichmäßige Lagenbildung hat es sich herausgestellt, wenn eine maximale tangentiale Erstreckung der Stützstruktur zwischen 60% und 250% einer Drahtdicke der Wicklungen beträgt, bevorzugt zwischen 80% und 200%, besonders bevorzugt zwischen 100% und 150%.It has been found to be particularly favorable for uniform layer formation when a maximum tangential extent of the support structure is between 60% and 250% of a wire thickness of the windings, preferably between 80% and 200%, particularly preferably between 100% and 150%.
Weiter ist es von Vorteil, wenn die Wicklung eine erste Drahtlage aufweist, welche unmittelbar am Zahnhals bzw. auf der Isolationsmaske aufliegt, wobei ein Spuleneingangsdraht an einem radial inneren Endanschlag angeordnet ist und radial nach außen bis zu einem radial äußeren Endanschlag gewickelt ist und eine primäre Stützwindung aufweist, welche um die Stützstruktur gewickelt ist und aus der ersten Drahtlage tangential herausragt, und dass die Wicklung eine nachfolgende zweite Drahtlage aufweist, welche abschnittsweise auf der ersten Drahtlage aufliegt und von dem radial äußeren Endanschlag radial nach innen bis zur primären Stützwindung gewickelt ist und mit der letzten Windung der zweiten Drahtlage an der primären Stützwindung anliegt und mit der letzten Windung eine sekundäre Stützwindung ausbildet, welche aus der zweiten Drahtlage tangential herausragt. Diese spezielle Drahtanordnung bewirkt in Kombination mit der Stützstruktur eine Blockierung der Windungen in der gewünschten Position. Das ermöglicht eine Wicklung, welche besonders stabil gegen ein Verrutschen der Windungen ist, so dass insbesondere eine sehr gleichmäßige Wicklung bereitgestellt werden kann. Auf diese Weise liegt insbesondere am radial inneren Endanschlag eine Drahtlage auf - die erste Drahtlage - und am radial äußeren Endanschlag zwei Drahtlagen, die erste Drahtlage und die zweite Drahtlage.It is also advantageous if the winding has a first wire layer which rests directly on the neck of the tooth or on the insulation mask, with a coil input wire being arranged on a radially inner end stop and being wound radially outwards up to a radially outer end stop and a primary has a support winding which is wound around the support structure and protrudes tangentially from the first layer of wire, and that the winding has a subsequent second layer of wire which rests in sections on the first layer of wire and is wound radially inwards from the radially outer end stop to the primary support winding and the last turn of the second layer of wire rests against the primary support turn and forms a secondary support turn with the last turn, which protrudes tangentially from the second layer of wire. This special wire arrangement, in combination with the support structure, causes the windings to be locked in the desired position. This enables a winding which is particularly stable against the turns slipping, so that in particular a very uniform winding can be provided. In this way, one layer of wire lies on the radially inner end stop—the first layer of wire—and two layers of wire, the first layer of wire and the second layer of wire, lie on the radially outer end stop.
Die Stabilität der Wicklung kann weiter verbessert werden, wenn die Wicklung eine sich der zweiten Drahtlage anschließende dritte Drahtlage aufweist, welche auf der zweiten Drahtlage aufliegt und sich ausgehend von der sekundären Stützwindung radial nach außen bis zum radial äußeren Endanschlag gewickelt ist, und wobei die Wicklung eine sich anschließende vierte Drahtlage aufweist, welche auf der dritten Drahtlage aufliegt und vom radial äußeren Endanschlag bis zum inneren Endanschlag gewickelt ist und ab der primären Stützwindung bis zum inneren Endanschlag auf der ersten Drahtlage aufliegt, insbesondere wobei die vierte Drahtlage einen Spulenausgangsdraht am inneren Endanschlag aufweist. Auf diese Weise liegen insbesondere am radial inneren Endanschlag zwei Drahtlagen auf - die erste Drahtlage und die vierte Drahtlage - und am radial äußeren Endanschlag alle vier Drahtlagen. Auf diese Weise kann der in der Nut zur Verfügung stehende Raum besonders Effizient mit Windungen gefüllt werden.The stability of the winding can be further improved if the winding has a third wire layer that follows the second wire layer, which rests on the second wire layer and is wound radially outwards, starting from the secondary support winding, up to the radially outer end stop, and the winding has an adjoining fourth wire layer, which rests on the third wire layer and is wound from the radially outer end stop to the inner end stop and from the primary support winding to the inner end stop rests on the first wire layer, in particular the fourth wire layer having a coil output wire on the inner end stop . In this way, two layers of wire rest in particular on the radially inner end stop—the first layer of wire and the fourth layer of wire—and all four layers of wire lie on the radially outer end stop. In this way, the space available in the slot can be filled with windings in a particularly efficient manner.
Allgemein formuliert ist eine besonders stabile Wicklung möglich, wenn die Wicklung 4*n Drahtlagen aufweist, wobei n größer Eins ist, und wobei jeweils die [4*k+2]-te Drahtlage und [4*k+3]-te Drahtlage, wobei k Werte von 0 bis n-1 annimmt, zwischen dem äußeren Endanschlag und der Stützstruktur bzw. der [4*k+1]-ten Stützwindung oder [4*k+2]-ten Stützwindung gewickelt ist. Anders formuliert kann die Wicklung jeweils in Gruppen von vier aufeinanderfolgenden Drahtlagen aufgeteilt werden (die [4*k+l]-te, [4*k+2]-te, [4*k+3]-te und [4*k+4]-te Drahtlage), wobei jeweils die erste bzw. [4+1]*k-te Drahtlage und vierte bzw. [4*k+4]-te Drahtlage zwischen dem äußeren Endanschlag und dem inneren Endanschlag gewickelt sind und die beiden mittleren Drahtlagen, also die zweite bzw. [4*k+2]-te Drahtlage und die dritte bzw. [4*k+3]-te Drahtlage zwischen dem äußeren Endanschlag und der Stützstruktur gewickelt sind. Auf diese Weise liegen 2*n Drahtlagen am inneren Endanschlag an und 4*n Drahtlagen am äußeren Endanschlag. Das ermöglicht das Wickeln einer stabilen, nahezu keilförmigen Wicklung, welche besonders gut eine Nut ausfüllen kann.In general terms, a particularly stable winding is possible if the winding has 4*n wire layers, where n is greater than one, and where the [4*k+2]th wire layer and [4*k+3]th wire layer where k assumes values from 0 to n-1, is wound between the outer end stop and the support structure or the [4*k+1]th support turn or [4*k+2]th support turn. In other words, the winding can come on in groups of four of the following wire layers are divided (the [4*k+1]th, [4*k+2]th, [4*k+3]th and [4*k+4]th wire layer), where respectively the first or [4+1]*k-th wire layer and fourth or [4*k+4]-th wire layer are wound between the outer end stop and the inner end stop and the two middle wire layers, i.e. the second or [ The 4*k+2]th wire layer and the third or [4*k+3]th wire layer are wound between the outer end stop and the support structure. In this way, 2*n wire layers lie against the inner end stop and 4*n wire layers against the outer end stop. This enables a stable, almost wedge-shaped winding to be wound, which can fill a slot particularly well.
Die Stabilität der Wicklung kann weiter gesteigert werden, wenn zwischen der primären Stützwindung und der davor angeordneten Windung ein Windungsabstand besteht, welcher zwischen 70% und 110% einer Drahtdicke der Wicklung beträgt, bevorzugt zwischen 80% und 100%, besonders bevorzugt zwischen 85% und 95%. Auf diese Weise wird eine Windungslücke vor der primären Stützwindung bereitgestellt, in welche insbesondere eine Windung für eine darauf folgende Drahtlage bereitgestellt, insbesondere für die vierte Drahtlage, welche zurück zum inneren Endanschlag verläuft. Auf diese Weise lässt sich auch die Wicklungsbreite im Bereich der Stützwindung reduzieren, so dass die Wicklung entlang der Radialrichtung eine keilförmige Form annimmt, was vorteilhaft für einen guten Kupferfüllfaktor ist.The stability of the winding can be further increased if there is a winding spacing between the primary support winding and the winding arranged in front of it, which is between 70% and 110% of a wire thickness of the winding, preferably between 80% and 100%, particularly preferably between 85% and 95%. In this way, a winding gap is provided in front of the primary support winding, in which in particular a winding is provided for a subsequent layer of wire, in particular for the fourth layer of wire, which runs back to the inner end stop. In this way, the winding width can also be reduced in the area of the support winding, so that the winding assumes a wedge-shaped shape along the radial direction, which is advantageous for a good copper fill factor.
Die Bildung von gleichmäßigen Lagen kann weiter verbessert werden, wenn die Zahnhälse Wicklungsführungselemente aufweist, insbesondere Rillen, welche sich abschnittsweise im Wesentlichen in Tangentialrichtung erstrecken. Insbesondere können die Wicklungsführungselemente in einer Wickelmaske und/oder an der Stützstruktur ausgebildet sein. Auf diese Weise wird die optimale Position der ersten Drahtlage ermöglicht, was die Grundlage für eine gute Positionierung der folgenden Drahtlagen darstellt.The formation of uniform layers can be further improved if the necks of the teeth have winding guide elements, in particular grooves, which in sections extend essentially in the tangential direction. In particular, the winding guide elements can be formed in a winding mask and/or on the support structure. In this way, the optimal position of the first wire layer is enabled, which is the basis for a good positioning of the following wire layers.
Von Vorteil ist auch eine Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Maschinenkomponente Zähne aufweist, wobei die Zähne Wicklungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne jeweils am Zahnhals eine sich tangential erstreckende Stützstruktur aufweisen, welche zur Abstützung der Wicklung vorgesehen ist. Unter einer Maschinenkomponente soll insbesondere ein Stator oder Rotor für eine elektrische Maschine verstanden werden.A machine component for an electrical machine according to the present invention is also advantageous, the machine component having teeth, the teeth having windings, characterized in that the teeth each have a tangentially extending support structure on the tooth neck, which is provided to support the winding . A machine component is to be understood in particular as a stator or rotor for an electrical machine.
Von Vorteil ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine mit einer Maschinenkomponente bzw. einer Maschinenkomponente, insbesondere gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Maschinenkomponente Zähne aufweist, wobei die Zähne jeweils am Zahnhals eine sich tangential erstreckende Stützstruktur aufweisen, welche zur Abstützung einer Wicklung vorgesehen ist, wobei die Wicklung um einen Zahn gewickelt wird, wobei dazu zunächst eine erste Drahtlage von einem radial inneren Endanschlag des Zahnhalses ausgehend radial nach außen bis zu einem radial äußeren Endanschlag gewickelt wird, so dass eine primäre Stützwindung ausgebildet wird, welche um die Stützstruktur gewickelt ist und aus der ersten Drahtlage tangential herausragt, und dass anschließen eine zweite Drahtlage abschnittsweise über die erste Drahtlage gewickelt wird wobei die zweite Drahtlage von dem radial äußeren Endanschlag radial nach innen bis zur primären Stützwindung gewickelt wird und mit der letzten Windung der zweiten Drahtlage an der primären Stützwindung anliegt und mit der letzten Windung eine sekundäre Stützwindung ausbildet, welche aus der zweiten Drahtlage tangential herausragt. Auf diese Weise wird das Risiko von fehlplatzierte Windungen und damit von einem nichtidealen überspannen und unbeabsichtigten Überwickeln minimiert werden. Damit kann durch eine richtige Windungsanordnung auch ein störungsfreier Wickelprozess ermöglicht werden.A method for producing an electrical machine with a machine component or a machine component, in particular according to the present invention, is also advantageous, the machine component having teeth, the teeth each having a tangentially extending support structure on the tooth neck, which is provided for supporting a winding is, the winding being wound around a tooth, for which purpose a first wire layer is initially wound radially outwards, starting from a radially inner end stop of the neck of the tooth, to a radially outer end stop, so that a primary support winding is formed, which is wound around the support structure and protrudes tangentially from the first layer of wire, and that a second layer of wire is then wound in sections over the first layer of wire, with the second layer of wire being wound radially inwards from the radially outer end stop to the primary support winding and with the last winding of the second layer of wire at the primary support coil and forms a secondary support coil with the last coil, which protrudes tangentially from the second layer of wire. In this way, the risk of misplaced windings and thus non-ideal over-stretching and unintentional over-winding will be minimized. With a correct winding arrangement, a trouble-free winding process can also be made possible.
Das Verfahren kann weiter verbessert werden, wenn nach der zweiten Drahtlage anschließende eine dritte Drahtlage gewickelt wird, welche auf der zweiten Drahtlage aufliegt und ausgehend von der sekundären Stützwindung radial nach außen bis zum radial äußeren Endanschlag gewickelt wird, und anschließende eine vierte Drahtlage gewickelt wird, welche auf der dritten Drahtlage aufliegt und vom radial äußeren Endanschlag bis zum inneren Endanschlag gewickelt wird und ab der primären Stützwindung bis zum inneren Endanschlag auf der ersten Drahtlage aufliegt, insbesondere wobei die vierte Drahtlage einen Spulenausgangsdraht am inneren Endanschlag aufweist.The method can be further improved if, after the second layer of wire, a third layer of wire is then wound, which rests on the second layer of wire and is wound radially outwards, starting from the secondary support winding, up to the radially outer end stop, and then a fourth layer of wire is wound, which rests on the third wire layer and is wound from the radially outer end stop to the inner end stop and rests on the first wire layer from the primary support winding to the inner end stop, in particular the fourth wire layer having a coil output wire at the inner end stop.
Figurenlistecharacter list
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des der elektrischen Maschine dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung, -
2a und2b eine Detailansicht einer Wicklung aus dem Stand der Technik, -
3 ein Wickelschema auf einem Zahn ohne Stützstruktur, -
4 und5 eine Isolationsmaske gemäß der vorliegenden Erfindung, -
6 und7 Detailansichten der Isolationsmaske der4 und5 , -
8 ein Wickelschema gemäß der vorliegenden Erfindung, -
9 ein Detail einer Isolationsmaske eine Variante der Isolationsmaske gemäß der vorliegenden Erfindung, -
10 und11 eine Variante eines Stators gemäß der vorliegenden Erfindung ohne Wicklungen, -
12 und13 denStator aus den 10 und11 im bewickelten Zustand und -
14 eine Detailansicht eines Zahns des Stators ausden 12 und13 .
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1 a schematic representation of an electrical machine according to the present invention, -
2a and2 B a detailed view of a winding from the prior art, -
3 a winding scheme on a tooth without a support structure, -
4 and5 an isolation mask according to the present invention, -
6 and7 Detail views of the isolation mask of4 and5 , -
8th a winding scheme according to the present invention, -
9 a detail of an isolation mask a variant of the isolation mask according to the present invention, -
10 and11 a variant of a stator according to the present invention without windings, -
12 and13 the stator from the10 and11 in the wound condition and -
14 a detailed view of a tooth of the stator from the12 and13 .
BeschreibungDescription
In den verschiedenen Ausführungsvarianten erhalten gleiche Teile die gleichen Bezugszahlen.The same parts are given the same reference numbers in the different design variants.
Am radial äußeren Ende des Zahns 18 ist ein Zahnkopf 32 angeordnet, welcher vom Zahnhals 28 aus in Tangentialrichtung bzw. Umfangsrichtung 24 erstreckt. Am radial inneren Ende des Zahns 18 ist ein Joch 34 angeordnet, aus welchem sich der Zahn 18 mit dem Zahnhals 28 radial nach außen erstreckt. Am Joch 34 ist ein Nutgrund 36 des Zahns 18 bzw. der zugehörigen Nut 26 angeordnet. Die Isolationsmaske 30 bildet mit einer sich mit einer in Umfangsrichtung 24 erstreckenden Kontur einen inneren Endanschlag 38 für die Wicklung 22 aus, welcher beispielhaft am Nutgrund 36 angeordnet ist. Die Isolationsmaske 30 bildet mit einer sich mit einer in Umfangsrichtung 24 erstreckenden Kontur einen äußeren Endanschlag 40 für die Wicklung 22 aus, welcher beispielhaft am Zahnkopf 32 angeordnet ist.At the radially outer end of the
Die Wicklung 22 in
Das in
Mit der in
In Stadium A ist die erste Drahtlage 42a vollständig vom inneren Endanschlag 38 bis zum äußeren Endanschlag 40 gewickelt. Anschließend folgt am äußeren Endanschlag 40 ein erster seitlicher Lagensprung 48a zu einer ersten Windung 44b der zweiten Drahtlage 42b. Wie deutlich zu erkennen ist, verlaufen die Windungen 44 auf der zweiten axialen Stirnseite 62b weitgehend senkrecht zur Radialrichtung 20 bzw. zur gedachten Symmetrieachse 20a des Zahns 18. Auf der ersten axialen Stirnseite 62a verlaufen die Windungen 44 unter einem Winkel gegenüber einer Anordnung senkrecht zur Radialrichtung 20. Beispielhaft windet oder verläuft eine Windung 44 auf der ersten axialen Stirnseite 62a im Wesentlichen senkrecht zur Radialrichtung 20 und weist dabei einen Verlaufsanteil in Radialrichtung 20 auf. Beispielhaft verläuft eine Windung 44 auf der erste axialen Stirnseite 62a mit einer Länge in Radialrichtung 20, welche weitgehend einer Drahtdicke der Wicklung 22 entspricht.In stage A, the first layer of
Anschließend wird die zweite Drahtlage 42b wieder zurück in Richtung des inneren Endanschlags 38 gewickelt. Wie deutlich zu erkennen ist, ändert sich beim Lagensprung 48 in die zweite Drahtlage 42b der Windungsrichtung. So ist die erste Drahtlage 42a relativ zur Radialrichtung 20 rechtsgewickelt. Die zurücklaufende zweite Drahtlage 42b ist relativ zur Radialrichtung 20 linksgewickelt. Daher überschneiden sich die erste Windung 44b der zweiten Drahtlage 42b mit der letzten Windung 44a der ersten Drahtlage 42a.The second layer of
In Stadium B ist die zweite Drahtlage 42b bis zu einem zentralen Bereich 56 gewickelt und es schließt sich nach einem ersten zentralen Lagensprung 58a die erste Wicklung 44c der dritten Drahtlage 42c an. Die erste Wicklung 44c der dritten Drahtlage 42c ist auf der zweiten Drahtlage 42b angeordnet. Wie deutlich zu erkennen ist, ändert sich beim ersten zentralen Lagensprung 58a die Windungsrichtung der Wicklung 22, die dritte Drahtlage 42c ist relativ zur Radialrichtung 20 rechtsgewickelt. Die erste Windung 44c der dritten Drahtlage 42c kreuzt sich daher deutlich mit der letzten Windung 44b der zweiten Drahtlage 42b. An dieser Stelle besteht die Gefahr des unkontrollierten Abrutschens von Windungen 44.In stage B, the
In Stadium C ist die dritte Drahtlage 42c vom zentralen Bereich 56 bis zum äußeren Endanschlag 40 fertig gewickelt. Stadium D zeigt die fertig gewickelte vierte Drahtlage 42d, welche relativ zur Radialrichtung 20 linksgewickelt ist und vom äußeren Endanschlag 40 zum inneren Endanschlag 38 verläuft. Dabei liegen beispielhaft die ersten beiden Windungen 44d der vierten Drahtlage 42d auf der dritten Drahtlage 42c, die letzten vier Windungen 44d der vierten Drahtlage 42d weitgehend auf der ersten Drahtlage 42a. Die dritte Windung 44d der vierten Drahtlage 42d führt den zweiten zentralen Lagensprung 58b aus und überkreuzt dabei drei Windungen 44c der dritten Drahtlage 42c. Auch an dieser Stelle besteht eine erhöhte Gefahr des unkontrollierten Abrutschens von Windungen 44.In stage C, the third layer of
Erfindungsgemäß werden die Windungen 44 durch eine Stützstruktur 64 stabilisiert.
Die Wicklungsführungselemente 70 bzw. Rillen 70 sind am Zahnhals 28 und auf der Stützstruktur 64 ausgebildet. Weiterhin weist der Jochabschnitt 66 am auf der ersten axialen Stirnseite 62a am Zahn 18 eine Wicklungsleitrille 72, welche dazu vorgesehen ist, einen Spulenausgangsdraht 60 von der Wicklung 22 des Zahns 18 wegzuführen oder einen Spuleneingangsdraht 54 zur Wicklung 22 des Zahns 18 zu führen. Auf diese Weise lassen sich insbesondere Verbindungsdrähte zwischen Wicklungen 22 von zwei unterschiedlichen Zähnen 18 besonders einfach über die erste axiale Stirnseite 62a führen.The winding
In
Im Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Stützstruktur 64 vom inneren Endanschlag 38 bis zu einem radialen Stützende 76. Die Stützstruktur 64 weist eine radiale Erstreckung 78 auf, welche beispielhaft 43% von einem radialen Wickelraumabstand 80 beträgt. Der Wickelraumabstand 80 ist der Abstand in Radialrichtung 20 von inneren Endanschlag 38 zum äußeren Endanschlag 50 am Zahnhals 28. Die radiale Erstreckung 78 der Stützstruktur 64 wird im Ausführungsbeispiel in Radialrichtung 20 zwischen dem inneren Endanschlag 38 und dem Stützende 76 gemessen. Insbesondere ist das Stützende 76 in einem zentralen Bereich des Zahnhalses 28 angeordnet.In the exemplary embodiment, the
Beispielhaft weist die Stützstruktur 64 am radialen Stützende 76 ein Stützmaximum 82 auf, welches eine maximale tangentiale Erstreckung 74a aufweist. Beispielhaft beträgt die maximale tangentiale Erstreckung 74a 240% einer Drahtdicke 84 der Windungen 22. Im Ausführungsbeispiel beträgt die maximale tangentiale Erstreckung 74a der Stützstruktur 64 30% einer tangentialen Breite 86 des Zahnhalses 28. In alternativen Ausführungsformen ist es möglich, dass die maximale tangentiale Erstreckung 74a der Stützstruktur 64 zwischen 10% und 40%, bevorzugt zwischen 15% und 35%, besonders bevorzugt zwischen 20% und 25% einer tangentialen Breite 86 des Zahnhalses 28 beträgt.For example, the
Die in
In Stadium A ist die erste Drahtlage 42a vollständig vom inneren Endanschlag 38 bis zum äußeren Endanschlag 40 gewickelt. Anschließend folgt am äußeren Endanschlag 40 ein erster seitlicher Lagensprung 48a zu einer ersten Windung 44b der zweiten Drahtlage 42b. Die letzte auf der Stützstruktur 64 aufliegende Windung 44a der ersten Drahtlage 42a ist eine primäre Stützwindung 90a. Die primäre Stützwindung 90a ist beispielhaft am Stützmaximum 82 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist auf der zweiten axialen Stirnseite 62b zwischen der primären Stützwindung 90a und der davor angeordneten Windung 44 ein Windungsabstand 92 ausgebildet. Beispielhaft beträgt der Windungsabstand 92 90% der Drahtdicke. Der Windungsabstand 92 bildet eine Windungslücke, welche Windungen 44 folgender Drahtlagen 42 aufnehmen kann und diese stabilisieren kann, insbesondere Windungen 44d der vierten Drahtlage 44d. Im Ausführungsbeispiel ist auf der ersten axialen Stirnseite 62a zwischen der primären Stützwindung 90a und der davor angeordneten Windung 44a sowie der danach angeordneten Windung 44a ein Windungsabstand 92 ausgebildet. Wie deutlich zu erkennen ist, verlaufen die Windungen 44 auf der zweiten axialen Stirnseite 62b weitgehend senkrecht zur Radialrichtung 20 bzw. zur gedachten Symmetrieachse 20a des Zahns 18. Auf der ersten axialen Stirnseite 62a verlaufen die Windungen 44 unter einem Winkel gegenüber einer Anordnung senkrecht zur Radialrichtung 20. Beispielhaft windet oder verläuft eine Windung 44 auf der ersten axialen Stirnseite 62a im Wesentlichen senkrecht zur Radialrichtung 20 und weist dabei einen Verlaufsanteil in Radialrichtung 20 auf. Beispielhaft verläuft eine Windung 44 auf der erste axialen Stirnseite 62a mit einer Länge in Radialrichtung 20, welche weitgehend einer Drahtdicke 84 der Wicklung 22 entspricht.In stage A, the first layer of
Anschließend wird die zweite Drahtlage 42b wieder zurück in Richtung des inneren Endanschlags 38 gewickelt. Wie deutlich zu erkennen ist, ändert sich beim Lagensprung 48 in die zweite Drahtlage 42b der Windungsrichtung. So ist die erste Drahtlage 42a relativ zur Radialrichtung 20 rechtsgewickelt. Die zurücklaufende zweite Drahtlage 42b ist relativ zur Radialrichtung 20 linksgewickelt. Daher überschneiden sich die erste Windung 44b der zweiten Drahtlage 42b mit der letzten Windung 44a der ersten Drahtlage 42a.The second layer of
In Stadium B ist die zweite Drahtlage 42b bis zu einem zentralen Bereich 56 gewickelt, wobei sich die letzte Wicklung 44b der zweiten Drahtlage 42b an der primären Stützwicklung 90a der ersten Drahtlage 42a abstützt und eine sekundäre Stützwindung 90b ausbildet.In stage B, the second layer of
In Stadium C schließt sich der sekundären Stützwindung 90b nach einem ersten zentralen Lagensprung 58a die erste Wicklung 44c der dritten Drahtlage 42c an. Die dritte Drahtlage 42c ist vom zentralen Bereich 56 bis zum äußeren Endanschlag 40 fertig gewickelt. Wie deutlich zu erkennen ist, ändert sich beim ersten zentralen Lagensprung 58a die Windungsrichtung der Wicklung 22, die dritte Drahtlage 42c ist relativ zur Radialrichtung 20 rechtsgewickelt. Die erste Windung 44c der dritten Drahtlage 42c kreuzt sich daher deutlich mit der letzten Windung 44b der zweiten Drahtlage 42b bzw. der sekundären Stützwicklung 90b. Wie deutlich zu erkennen ist, ist insbesondere auf der zweiten axialen Stirnseite 62b zwischen der sekundären Stützwindung 90b der zweiten Drahtlage 42b, welche von der primären Stützwindung 90a stabilisiert wird und der ersten Windung 44c der dritten Drahtlage 42c eine weiterer Windungsabstand 92 ausgebildet.In stage C, after a first
Stadium D zeigt die fertig gewickelte vierte Drahtlage 42d, welche relativ zur Radialrichtung 20 linksgewickelt ist und vom äußeren Endanschlag 40 zum inneren Endanschlag 38 verläuft. Dabei liegen auf der ersten axialen Stirnseite 62a beispielhaft die ersten vier Windungen 44d der vierten Drahtlage 42d auf der dritten Drahtlage 42c, die letzten drei Windungen 44d der vierten Drahtlage 42d weitgehend auf der ersten Drahtlage 42a. Die fünfte Windung 44d der vierten Drahtlage 42d führt auf der ersten axialen Stirnseite 62a den zweiten zentralen Lagensprung 58b aus und überkreuzt dabei zwei Windungen 44c der dritten Drahtlage 42c und wird von der sekundären Stützwindung 90b abgestützt. Die nächste Windung 44d der vierten Drahtlage 42d wird sowohl von der der primären Stützwindung 90a als auch von der sekundären Stützwindung 90b abgestützt. Wie auf der zweiten axialen Stirnseite 62b deutlich zu erkennen, wird eine Windung 44d der vierten Drahtlage 42a in dem Windungsabstand 92 zwischen der sekundären Stützwindung 90b und der ersten Windung 44c der dritten Drahtlage 42c aufgenommen. Weiterhin wird beispielhaft eine weitere Windung 44d der vierten Drahtlage 42d in dem Windungsabstand 92 bzw. Windungslücke zwischen der primären Stützwindung 90a und der davor angeordneten Windung 44a der ersten Drahtlage 42a aufgenommen.Stage D shows the finished
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