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Die Erfindung betrifft eine innengekühlte elektrische Maschine mit einem Läufer, einem Stator und mehreren Spulen zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Aus dem Stand der Technik bekannte innengekühlte elektrische Maschinen haben eine Hohlleiterwicklung, durch die ein Kühlmittel geleitet wird, um die elektrische Maschine im Betrieb zu kühlen. Die Hohlleiter können beispielsweise die Form von Haarnadeln (Hairpins) oder Stäben (Pins) aufweisen. Pins oder Hairpins sind meist aus Kupfer hergestellte, starre Wicklungsstücke, die in Nuten des Stators der elektrischen Maschine eingesetzt sind und im Betrieb der elektrischen Maschine das erforderliche magnetische Feld erzeugen. Andere Ausführungsformen innengekühlter elektrischer Maschinen haben eine Wicklung aus dünnem Hohldraht mit einem Durchmesser von wenigen mm, der zu Spulen gewickelt ist.
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1 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer aus einem Hohldraht gebildeten Spule 12, wie sie in herkömmlichen innengekühlten elektrischen Maschinen eingebaut wird. Der Hohldraht besteht aus einem langgestreckten, rohrförmigen Körper mit einem Mantel, in dem ein durchgehender Kanal 15 angeordnet ist. Ein Ende der Spule 12 dient als Kühlmitteleinlass und das andere Ende als Kühlmittelauslass, wie durch Pfeile angedeutet ist. Der Mantel ist an seiner Außenfläche mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet, um eine elektrische Isolierung zwischen aneinander angrenzenden Hohlleiterabschnitten zu erreichen. Der Hohldraht hat typischerweise einen Außendurchmesser im Bereich zwischen 1,0 mm und 3,5 mm. Der Durchmesser des inneren Hohlraums bzw. Kanals beträgt in der Regel zwischen etwa 1 mm und 3 mm.
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Die interne Kühlung elektrischer Maschinen mit Hohlleiterwicklung ermöglicht zwar den Betrieb der Maschinen mit einer deutlich höheren elektrischen Leistung im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Maschinen mit Standardleitern, erfordert aber hohe Drücke, um das Kühlmittel durch die Spulen Wicklung zu pumpen. Ein limitierender Faktor für den Bau von Hochleistungsmaschinen ist insbesondere die Leiterlänge der einzelnen Spulen und der für den Kühlkreislauf erforderliche Betriebsdruck.
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AUFGABE DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine innengekühlte elektrische Maschine mit einem Stator oder Läufer mit einer Hohlleiterwicklung zu schaffen, die einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei einem möglichst niedrigen Betriebsdruck des Kühlkreislaufs aufweist.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch genannten Merkmale. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung wird eine innengekühlte elektrische Maschine mit einem Läufer und einem Stator und einer am Läufer oder Stator angeordneten Wicklung mit Spulen zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes vorgeschlagen, deren Wicklung teilweise aus einem Hohlleiter mit einem durchgehenden Kanal und teilweise aus einem Standardleiter mit einem Vollprofil gebildet ist. Man kann eine solche elektrische Maschine daher auch als innengekühlte elektrische Maschine mit einer Hybridwicklung bezeichnen.
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Das hier vorgeschlagene erfindungsgemäße Konzept einer innengekühlten elektrischen Maschine mit Hybridwicklung umfasst Ausführungen, bei denen einzelne Spulen als Hohlleiterspulen und andere Spulen als herkömmliche Spulen aus einem Standardleiter mit Vollprofil hergestellt sind. Es umfasst aber auch Ausführungen, bei denen wenigstens eine der Spulen der Wicklung sowohl aus einem Hohlleiter als auch aus einem Standardleiter gebildet ist. Eine elektrische Maschine mit Hybridwicklung bietet weiterhin die bekannten Vorteile der Innenkühlung, gleichzeitig aber auch die Vorteile einer herkömmlichen Standardwicklung, insbesondere deren hohen Füllfaktor, einfache Fertigung sowie geringere Kosten.
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Die Wicklung kann im Prinzip in jeder bekannten Technologie hergestellt sein und beispielsweise starre Leiter, wie z. B. Pins oder Hairpins, umfassen oder aus einem dünnen Draht gewickelt sein. Eine erfindungsgemäße Wicklung kann auch verschiedene Leitertypen, z. B. sowohl Pins als auch Draht, oder verschiedene Leiterprofile bzw. Leitergeometrien, z. B. sowohl runde als auch eckige Profile, umfassen. Je nach Maschinentyp und technischer Anforderung kann die Wicklung weiterhin als konzentrierte Wicklung, verteilte Wicklung oder in sonstiger Weise ausgelegt sein.
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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst wenigstens eine der Spulen sowohl einen Hohlleiter als auch einen Standardleiter mit Vollprofil (also ohne Kanal), die elektrisch in Serie geschaltet sind.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst wenigstens eine der Spulen eine erste Teilspule und eine zweite Teilspule, die elektrisch parallelgeschaltet sind, wobei die erste Teilspule aus einem Hohlleiter und die zweite Teilspule aus einem Standardleiter gebildet ist. Die Teilspulen können auch unterschiedliche Leitertypen oder unterschiedliche Leitergeometrien aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Teil wenigstens einer der Spulen als Hohlleiter und ein anderer Teil als Standardleiter mit einem Vollprofil ausgebildet. Der als Hohlleiter ausgebildete Anteil der Spule (gemessen in Leiterlänge) ist dabei vorzugsweise kleiner ist als der als Standardleiter ausgebildete Anteil der Spule. Die einzelnen Anteile können je nach technischen Anforderungen auch gleich groß sein, oder der Anteil an Hohlleiter kann größer sein als der Anteil an Standardleiter.
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In einer speziellen Ausführungsform beträgt der als Hohlleiter ausgebildete Anteil der Spule zwischen 10% bis 40% der gesamten Spule.
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Die Spulen der Wicklung sind typischerweise in Nuten des Läufers oder Stators angeordnet. Die Windungen einer Spule, die aus einem Hohlleiter gebildet sind, und die Windungen der Spule, die aus einem Standardleiter gebildet sind, sind vorzugsweise innerhalb der Nut ungleichmäßig verteilt. Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung sind die Windungen einer Spule, die aus einem Hohlleiter gebildet sind, zu einem größeren Anteil näher an einem Boden der Nut angeordnet als die Windungen der Spule, die aus einem Standardleiter gebildet sind. Die Hohlleiter können aber auch näher am Rand der Nut und die Standardleiter weiter innen angeordnet sein, oder die Hohlleiterwindungen liegen näher am Luftspalt als die Standardleiterwindungen. Beliebige andere Wicklungsmuster sind gleichermaßen denkbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Wicklung aus einem innengekühlten Hohlleiter;
- 2 eine Teilansicht einer innengekühlten elektrischen Maschine mit Spulen in verschiedenen Wicklungsmustern;
- 3 eine schematische Darstellung der hydraulischen und elektrischen Konnektierung einer beispielhaften Hybridspule gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
- 4 eine schematische Darstellung der hydraulischen und elektrischen Konnektierung einer beispielhaften Hybridspule gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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1 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer aus einem Hohldraht gebildeten Spule 12, wie sie in herkömmlichen innengekühlten elektrischen Maschinen eingebaut wird. Bezüglich der Erläuterung der technischen Details wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
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2 zeigt eine Teilansicht einer innengekühlten elektrischen Maschine 1 mit mehreren hybriden Spulen12, die verschiedene Wicklungsmuster aufweisen. Die dargestellte elektrische Maschine 1 umfasst in bekannter Weise einen Läufer 2 und einen Stator 3 sowie mehrere Spulen 12 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, die in diesem Fall in Nuten 10 des Stators 3 angeordnet sind. Alle Spulen 12 zusammen bilden die Wicklung 11 der elektrischen Maschine. Die einzelnen Spulen 12 sind hybrid aufgebaut, d.h. sie umfassen teilweise einen Hohlleiter 4 mit einem durchgehenden Kanal 15 und teilweise einen Standardleiter 5 mit einem Vollprofil. Im Betrieb der elektrischen Maschine 1 wird durch die Hohlleiter 4 ein Kühlmittel geleitet, um die elektrische Maschine 1 zu kühlen
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Wie zu sehen ist, können die einzelnen Spulen 12 starre Leiter, wie z. B. Pins oder Hairpins, umfassen oder aus einem dünnen Draht gewickelt sein. Die Spulen 12 können auch verschiedene Leitertypen, z. B. sowohl Pins als auch Draht, oder verschiedene Leiterprofile bzw. Leitergeometrien, z. B. sowohl runde als auch eckige Profile umfassen. Die Wicklung 11 kann je nach technischer Anforderung als konzentrierte Wicklung, verteilte Wicklung oder in sonstiger Weise ausgelegt sein.
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Wie in 2 ferner zu sehen ist, ist der aus einem Hohlleiter 4 ausgebildete Anteil der Spulen 12 (gemessen in Leiterlänge) jeweils kleiner ist als der aus einem Standardleiter 5 ausgebildete Anteil der betreffenden Spule 12. In vielen Fällen ist es nämlich ausreichend, wenn nur einige Windungen einer Spule 12 gekühlt werden. Das optimale Verhältnis zwischen Hohlleitern 4 und Standardleitern 5 kann vom Fachmann je nach technischer Anforderung und gewünschter Zielsetzung festgelegt werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung der hydraulischen und elektrischen Konnektierung einer beispielhaften Hybridspule gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In diesem Beispiel umfasst die Spule 12 sowohl einen Hohlleiter 4 als auch einen Standardleiter 5 mit Vollprofil (also ohne Kanal), die elektrisch in Serie geschaltet sind. Bei der in der Mitte dargestellten Spule 12 ist der Standardleiter 5 über einen Phasenanschluss 6 an einer Phase (U, V, W) angeschlossen und verläuft dann in mehreren Windungen über einen Zahn 9 des Stators 3. Das andere Ende des Standardleiters 5 ist mit dem nachfolgenden Hohlleiter 4 elektrisch verbunden; die elektrische Verbindung ist mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnet.
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Der Hohlleiter 4 ist an einem Kühlmittelanschluss 7 angeschlossen und verläuft dann ebenfalls in mehreren Windungen über den Zahn 9 des Stators 3. Die Anzahl der Windungen des Hohlleiters 4 ist vorzugsweise kleiner sein als die Anzahl der Windungen des Standardleiters 5, sie könnte je nach Anforderung aber auch gleich groß oder ggf. auch größer sein. Das andere Ende des Hohlleiters 4 ist dann an einer Anschlussbox 8 angeschlossen, die einen weiteren Kühlmittelanschluss und einen elektrischen Anschluss, z.B. den Sternpunkt einer elektrischen Sternschaltung, bereitstellt.
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4 zeigt eine schematische Darstellung der hydraulischen und elektrischen Konnektierung einer beispielhaften Hybridspule gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In diesem Beispiel umfasst die Spule 12 eine erste Teilspule 13 und eine zweite Teilspule 14, die elektrisch parallelgeschaltet sind, wobei die erste Teilspule 13 aus einem Hohlleiter 4 und die zweite Teilspule 14 aus einem Standardleiter 5 gebildet ist. Beide Enden der Leiter 4, 5 sind jeweils an Anschlussboxen 8 angeschlossen, die einen Kühlmittelanschluss und einen elektrischen Anschluss bereitstellen. Die Leiter beider Teilspulen 13, 14 verlaufen im Wesentlichen parallel. Beide Teilspulen 13,14 umfassen gleich viele Windungen.
