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GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft das Gebiet der elektrischen Maschinen und insbesondere auf Statorwicklungsanordnungen und Verbindungen für derartige Wicklungsanordnungen.
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STAND DER TECHNIK
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Elektrische Maschinen sind so konzipiert, dass sie bestimmte Betriebsanforderungen erfüllen, die mindestens teilweise von der vorgesehenen Anwendung der elektrischen Maschine abhängen. Beispiele für Konstruktionsmerkmale, die zur Betriebsleistung beitragen, schließen die Statorgröße, die Rotorgröße, die Art und Anordnung der Wicklungen und beliebige von verschiedenen anderen Konstruktionsparametern ein, wie Fachleute erkennen werden. Alle Betriebsanforderungen für die elektrische Maschine müssen erfüllt werden, während auch bestimmte räumliche Beschränkungen eingehalten werden, die von der vorgesehenen Anwendung für die elektrische Maschine abhängig sind.
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Bei einigen Anwendungen sind die Konstrukteure bestrebt, die Anzahl der elektrischen Leiterabschlüsse und -verbindungen in der Statoranordnung zu reduzieren, da eine Notwendigkeit, die Leiter in der Statorkernanordnung physikalisch zu verbinden, sich nachteilig auf die Kosten und die Komplexität des Herstellungsprozesses auswirkt. Zu diesem Zweck nutzen einige Statorwicklungen durchgehende Leiterpfade, einschließlich solcher mit einem quadratischen oder rechteckigen Querschnitt, zur Verwendung in mehrphasigen Statorwicklungskonfigurationen mit hoher Nutfüllung. Jeder solche durchgehende Leiterpfad schließt eine Reihe von geraden Leitersegmenten ein, die in jeweiligen Nuten des Statorkerns angebracht sind, wobei die geraden Leitersegmente durch Endschleifensegmente miteinander verbunden sind, die axial von beiden Enden des Kerns vorstehen. In mindestens einigen Wicklungsanordnungen werden die Endschleifensegmente leicht aus ersten und zweiten Schenkeln gebildet, die sich jeweils zunächst radial nach außen und dann radial nach innen erstrecken, um dadurch aufeinanderfolgenden geraden Segmenten zu ermöglichen, in einer gemeinsamen Schicht unterschiedlicher Nuten des Statorkerns zu residieren, wodurch eine „kaskadierte“ Wicklungskonfiguration bereitgestellt wird.
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Kaskadierte Wicklungen bieten in der Regel einen gewissen radialen Übergang jedes Leiterpfads zwischen den Schichten dar. Da diese Übergänge jedoch erhebliche Herausforderungen und Kosten bei der Herstellung darstellen, werden diese Übergänge in der Regel begrenzt. Je nach den Wicklungsmerkmalen und der Art der Wicklung begegnen die Konstrukteure beim Verbinden unterschiedlichen Herausforderungen. Zum Beispiel ist es bei einer spezifischen Wicklungsanordnung oft herausfordernd, spezielle Verbindungen zwischen bestimmten Wicklungssegmenten zwischen unterschiedlichen Schichten, unterschiedlichen Pfaden und/oder solchen, die mit unterschiedlichen Spulen assoziiert sind, anzufertigen. Wenn solche Verbindungen angefertigt werden, muss darauf geachtet werden, dass die gewünschten Betriebsanforderungen, einschließlich eines guten Ausgleichs zwischen den Wicklungsphasen, aufrechterhalten werden, während die Wicklung auch innerhalb der gewünschten Größenbeschränkungen gehalten wird.
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In Anbetracht des Vorgenannten wäre es wünschenswert, eine elektrische Maschine mit einer kaskadierten Wicklungsanordnung bereitzustellen, die ein hohes Nut-Füllungs-Verhältnis und einen ausgezeichneten Phasenausgleich aufweist, während die gewünschten Größenbeschränkungen auch aufrechterhalten werden. Es wäre auch wünschenswert, solche Verbindungen anzufertigen, ohne weitere Betriebsanforderungen zu beeinträchtigen. Darüber hinaus wäre es vorteilhaft, wenn eine solche Wicklungsanordnung so konfiguriert wäre, dass es relativ einfach und wirtschaftlich ist, einen Stator herzustellen, der die Wicklungsanordnung einschließt.
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Während es wünschenswert wäre, eine elektrische Maschine bereitzustellen, die eine oder mehrere dieser oder anderer vorteilhaften Merkmale aufweist, wie sie für diejenigen, die diese Offenbarung durchsehen, offensichtlich sein mögen, erstrecken sich die hierin offenbarten Lehren auf diejenigen Ausführungsformen, die innerhalb des Schutzumfangs der letztendlich beiliegenden Ansprüche fallen, unabhängig davon, ob sie einen oder mehrere der obenstehend genannten Vorteile erzielen.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein Stator für eine elektrische Maschine schließt einen Statorkern mit einer Vielzahl von darin gebildeten Nuten und eine mehrphasige Wicklungsanordnung ein, die auf dem Statorkern positioniert ist. Die Wicklungsanordnung schließt eine Vielzahl von kaskadierten Leitern ein, die in Schichten der Nuten angeordnet sind, wobei die Schichten multiple Schichtpaare definieren. Die Vielzahl von kaskadierten Leitern bilden pro Phase eine Vielzahl von parallelen Pfaden, wobei jeder der parallelen Pfade multiple Umläufe des Kerns vollzieht, wobei jeder Umlauf innerhalb eines Schichtpaares erfolgt. Für jedes Schichtpaar wird eine Anzahl von Verflechtungen (N) zwischen einem ersten parallelen Pfad und einem zweiten parallelen Pfad in dem Schichtpaar gebildet, wobei N größer als oder gleich zwei ist.
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In mindestens einer Ausführungsform definiert die Wicklungsanordnung des Stators eine Vielzahl von Polen und schließt eine Vielzahl von kaskadierten Leitern ein, die in Schichten der Nuten angeordnet sind. Die Schichten der Nuten definieren eine Vielzahl von Schichtpaaren, die mindestens ein erstes Schichtpaar und ein zweites Schichtpaar einschließen. Die kaskadierten Leiter bilden in jedem der Schichtpaare eine Vielzahl von parallelen Pfaden pro Phase. Eine erste Vielzahl von Verflechtungen werden zwischen den parallelen Pfaden in dem ersten Schichtpaar gebildet, wobei die erste Vielzahl von Verflechtungen mit multiplen Polen der Vielzahl von Polen, einschließlich eines ersten Pols und eines zweiten Pols, assoziiert sind. Eine zweite Vielzahl von Verflechtungen werden zwischen der Vielzahl von parallelen Pfaden in dem zweiten Schichtpaar gebildet, wobei die zweite Vielzahl von Verflechtungen auch mit dem ersten Pol und dem zweiten Pol assoziiert sind.
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In mindestens einer Ausführungsform schließt die mehrphasige Wicklungsanordnung eine Vielzahl von kaskadierten Leitern ein, die in Schichten der Nuten angeordnet sind, wobei die Schichten multiple Schichtpaare definieren. Die Vielzahl von kaskadierten Leitern bilden pro Phase eine Vielzahl von parallelen Pfaden, wobei jeder der parallelen Pfade multiple Umläufe des Kerns vollzieht, wobei jeder Umlauf innerhalb eines Schichtpaares erfolgt. Für jedes Schichtpaar wird eine erste Verflechtung und eine zweite Verflechtung zwischen einem ersten parallelen Pfad und einem zweiten parallelen Pfad in dem Schichtpaar gebildet. Die erste Verflechtung ist mit einem ersten Pol der Vielzahl von Polen assoziiert, und die zweite Verflechtung ist mit einem zweiten Pol der Vielzahl von Polen assoziiert. Der erste Pol und der zweite Pol auf dem Statorkern liegen einander um 180° gegenüber vor.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Statorkerns für eine Wicklung einer elektrischen Maschine.
- 2 zeigt einen beispielhaften Leiter einer Wicklung für eine elektrische Maschine zur Verwendung in Assoziation mit dem Statorkern von 1.
- 3 zeigt die Anordnung, zeigt den Leiter von 2 in Assoziation mit anderen Leitern als Teil einer kaskadierten Wicklungsanordnung.
- 4A zeigt eine schematische Ansicht einer in den Nuten 1-72 des Statorkerns von 1 angeordneten kaskadierten Wicklung.
- 4B zeigt eine schematische Ansicht der in den Nuten 73-144 angeordneten kaskadierten Wicklung von 4A.
- 4C zeigt eine vereinheitlichte schematische Ansicht der Wicklung von 4A und 4B, die in den Nuten 1-144 des Statorkerns angeordnet ist.
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BESCHREIBUNG
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Ein Stator für eine elektrische Maschine wird hierin offenbart und schließt einen Statorkern mit einer darauf positionierten Wicklungsanordnung ein. In mindestens einer Ausführungsform schließt die Wicklungsanordnung vier kaskadierte parallele Pfade pro Phase ein, wobei jeder parallele Pfad mit einem angrenzenden kaskadierten parallelen Pfad und einem komplementären kaskadierten parallelen Pfad assoziiert ist. Die Wicklungsanordnung schließt multiple Verflechtungen von komplementären parallelen Pfaden innerhalb jedes Schichtpaares ein. In mindestens einer Ausführungsform werden innerhalb jedes Schichtpaares pro Phase vier Verflechtungen von kaskadierten parallelen Pfaden gebildet. Für jede Verflechtung eines Schichtpaares wechselt ein kaskadierter paralleler Pfad die Schicht mit seinem komplementären parallelen Pfad.
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Statorkern
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Nunmehr Bezug nehmend auf 1 schließt ein Stator einen im Allgemeinen zylindrisch geformten Statorkern 10 ein. Der Statorkern schließt eine Vielzahl von Kernnuten 12 ein, die in einer umlaufenden Innenoberfläche 14 davon gebildet sind. Die Kernnuten 12 sind zwischen sich radial nach innen erstreckenden Zähnen 11 gebildet und erstrecken sich in einer axialen Richtung, angegeben durch einen Pfeil 16, parallel zu der Mittelachse 17 des Statorkerns 10 zwischen einem ersten Ende 18 und einem zweiten Ende 20 davon. Die Kernnuten 12 sind gleichmäßig um die umlaufende Innenoberfläche 14 des Statorkerns 10 herum beabstandet, und die jeweiligen Innenoberflächen 14 der Kernnuten 12 sind im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse 17. Eine umlaufende Richtung im Uhrzeigersinn wird durch einen Pfeil 21 angegeben, und eine umlaufende Richtung gegen den Uhrzeigersinn wird durch einen Pfeil 23 angegeben. Die Kernnuten 12 definieren eine Breite 13, die entlang einer umlaufenden Richtung definiert ist, und eine Tiefe 25 entlang einer radialen Achse, die durch einen Pfeil 24 angegeben wird, und sind angepasst, um eine Statorwicklung 70 aufzunehmen, die nachstehend detaillierter erörtert wird. Eine radiale Richtung nach innen ist definiert als eine Bewegung in Richtung der Mittelachse 17 des Statorkerns 10, und eine radiale Richtung nach außen ist definiert als eine Bewegung weg von der Mittelachse 17.
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Wicklungsleiter
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Nunmehr Bezug nehmend auf 2 ist ein Endschleifensegment 42 gezeigt, wobei das Endschleifensegment 42 ein Teil eines Leiterpfads innerhalb einer kaskadierten Wicklungsanordnung ist, die auf dem Statorkern 10 bereitgestellt wird. Das Endschleifensegment 42 (das hierin auch als eine „Endschleife“ oder alternativ als „Endwindung“ bezeichnet werden kann) erstreckt sich zwischen einem ersten im Wesentlichen geraden Segment 44 und einem zweiten im Wesentlichen geraden Segment 46, von denen sich jedes durch eine unterschiedliche Nut 12 des Statorkerns 10 erstreckt. Das erste gerade Segment 44 und das zweite gerade Segment 46 sind durch die Endschleife 42 miteinander verbunden und liegen in einem gleichen radialen Abstand von der Mittelachse 17 des Statorkerns 10 vor. Dementsprechend residieren das erste gerade Segment 44 und das zweite gerade Segment 46 in einer beispielhaften gemeinsamen Schicht 48 der Kernnuten 12, wobei sich eine „Schicht“ auf eine Position eines Leiters innerhalb der Nut zwischen einem Innendurchmesser und einem Außendurchmesser des Statorkerns bezieht (z. B. gibt es acht Schichten, 1-8, in einer Nut, wenn acht Leiter in einer einzigen Linie innerhalb der Nuten angeordnet sind).
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Die Endschleife 42 schließt einen ersten abgeschrägten Abschnitt 50 und einen zweiten abgeschrägten Abschnitt 52 ein, die sich in einem Scheitelabschnitt 54 treffen. Der erste abgeschrägte Abschnitt 50 ist im Wesentlichen co-radial mit der gemeinsamen Schicht 48, dem ersten geraden Segment 44 und dem zweiten geraden Segment 46. Der zweite abgeschrägte Abschnitt 52 ist im Wesentlichen nicht co-radial mit der gemeinsamen Schicht 48, dem ersten geraden Segment 44 und dem zweiten geraden Segment 46. Der Scheitelabschnitt 54 schließt einen ersten radialen Verlängerungsabschnitt 56 ein. Der erste radiale Verlängerungsabschnitt 56 erstreckt sich von dem ersten abgeschrägten Abschnitt 50 in der Richtung radial nach außen, wodurch für die Endschleife 42 eine Justierung radial nach außen bereitgestellt wird. Ein zweiter abgeschrägter radialer Verlängerungsabschnitt 58 verbindet den zweiten abgeschrägten Abschnitt 52 und das zweite gerade 46. Der zweite radiale Verlängerungsabschnitt 58 erstreckt sich von dem zweiten abgeschrägten Abschnitt 52 in der Richtung radial nach innen, wodurch für die Endschleife 42 eine Justierung radial nach innen bereitgestellt wird.
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Während die Endschleife 42 gezeigt wurde, bei der die Justierung radial nach außen dem Scheitelabschnitt 54 angrenzend ist und die Justierung radial nach innen dem zweiten abgeschrägten Abschnitt 52 angrenzend ist, ist zu erkennen, dass dies nur eine Ausführungsform eines Endschleifensegments ist, das in Assoziation mit der nachstehend ausführlicher beschriebenen kaskadierten Wicklungsanordnung verwendet werden kann. Fachleute können verstehen, dass die radialen Justierungen nach außen und nach innen an einem beliebigen oder an zwei beliebigen des ersten abgeschrägten Abschnitts 50, des zweiten abgeschrägten Abschnitts 52 und des Scheitelabschnitts 54 vorliegen können, um das kaskadierte Wicklungsmuster bereitzustellen. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass andere Anordnungen der Endschleife 42 möglich sind, um das hierin offenbarte kaskadierte Wicklungsmuster bereitzustellen.
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Nunmehr Bezug nehmend auf 3 ist die Endschleife 42 von 2 einer Vielzahl von im Wesentlichen identischen Endschleifen angrenzend gezeigt, die im Allgemeinen bei 60 und 62 angegeben sind. Die Endschleifen 42, 60 und 62 sind in einem dreiphasigen Wicklungsmuster gezeigt, aber Fachleute verstehen, dass die Endschleifen 42, 60 und 62 zum Beispiel in einem sechsphasigen Wicklungsmuster oder in einem beliebigen anderen Wicklungsmuster gebildet sein können, das zum Produzieren von Strom oder zum Produzieren eines Drehmoments, wie im Falle eines Elektromotors, vorteilhaft ist. Die Endschleifen 42, 60 und 62 sind jeweils an einem Ende 18 oder 20 des Statorkerns 10 angebracht.
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Das gerade Segment 46 erstreckt sich von dem ersten Ende 18 zu dem zweiten Ende 20 des Statorkerns 10 durch eine der Kernnuten 12 hindurch. Wenn das erste gerade Segment 46 aus dem zweiten Ende 20 austritt, wird das erste gerade Segment 46 an einem Ende einer weiteren Endschleife befestigt, die schematisch bei 66 gezeigt ist und im Wesentlichen mit den Endschleifen 42, 60 und 62 identisch ist. Die Endschleife 66 ist an einem weiteren Ende an einem zweiten geraden Segment befestigt, das schematisch bei 44 gezeigt ist. Das zweite gerade Segment 44 erstreckt sich durch eine weitere der Kernnuten 12 des Statorkerns 10 hindurch nach oben und ist an einem Abschnitt 44a einer weiteren Endschleife 42a befestigt, die im Wesentlichen mit den Endschleifensegmenten 42, 60 und 62 identisch ist. Auf ähnliche Weise ist das Endschleifensegment 42a mit einem weiteren geraden Segment 46a verbunden und kehrt zu dem gegenüberliegenden Ende des Statorkerns 10 zurück. Das Muster des Verbindens der Endschleifensegmente 42, 66 und 42a mit geraden Segmenten, wie den geraden Segmenten 44, 46, 44a, 46a, wie obenstehend umrissen, setzt sich über einen wesentlichen Durchgang (d. h. einen Umlauf) um den Umfang des Statorkerns 10 herum fort. Danach kann jeder Leiterpfad in zusätzliche Schichten übergehen und einen oder mehrere zusätzliche Durchgänge um den Statorkern herum vollziehen, wie nachstehend ausführlicher erklärt wird.
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Wie aus den
2 und
3 zu erkennen ist, werden die Endschleifen 42 und geraden Segmente 44, 46 zusammengefügt, um eine kaskadierte Wicklungsanordnung zu bilden, insbesondere die nachstehend unter Bezugnahme auf
4A-4C ausführlicher beschriebene kaskadierte Wicklungsanordnung. In mindestens einigen Ausführungsformen kann die kaskadierte Wicklungsanordnung durch eine durchgehende Länge von Draht mit einem rechteckigem Querschnitt bereitgestellt werden. Es können aber auch andere Formen, wie rund oder quadratisch, eingesetzt werden. Fachleuten ist bekannt, dass in der Regel rechteckige oder quadratische geformte Leiter an den Ecken zwischen zwei benachbarten Rändern Radien einschließen können. Zusätzlich erkennen Fachleute, dass anstelle eines aus einer durchgehenden Länge von Draht gebildeten Wicklungspfads die Leiter, die verwendet werden, um die verschiedenen Pfade der Wicklungsanordnung zu bilden, durch segmentierte Leiter bereitgestellt werden können, die manchmal als „Haarnadel“-Leiter bezeichnet werden, die an einem Ende des Statorkerns eingesetzt und an dem gegenüberliegenden Ende des Statorkerns zusammengeschweißt oder anderweitig angeschlossen werden, um eine vollständige kaskadierte Wicklungsanordnung zu bilden. Beispiele von anderen kaskadierten Wicklungsanordnungen schließen diejenigen ein, die in US-Patent Nr.
6,882,077 , US-Patent Nr.
7,269,888 , US-Patent Nr.
7,687,954 und US-Patent Nr.
11,038,391 offenbart sind, deren Inhalte hierin alle durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen werden.
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Wicklungsanordnung
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Nunmehr unter Bezugnahme auf 4A-4C ist ein tabellarisches schematisches Diagramm einer mehrphasigen kaskadierten Wicklung 70 gezeigt. Die Wicklung 70 ist auf einem Statorkern 10 mit einhundertvierundvierzig (144) Nuten positioniert. Das vollständige Schema für eine Phase der Wicklung, das alle 144 Nuten einschließt, ist in 4C dargestellt. Das Schema von 4C ist in 4A und 4B der bequemeren Veranschaulichung der Wicklung halber in zwei Teile aufgeteilt.
4A zeigt die Wicklungsanordnung für die Nuten 1-72 des Statorkerns, und 4B zeigt die Wicklungsanordnung für die Nuten 73-144 des Statorkerns. Die Wicklung 70 ist eine dreiphasige Wicklung, aber in 4A-4C ist der Übersichtlichkeit halber nur eine Phase der Wicklung veranschaulicht. Es ist zu erkennen, dass die beiden zusätzlichen Phasen der Wicklung, die in 4A-4C nicht gezeigt sind, im Wesentlichen identisch mit der veranschaulichten Phase sind und die Positionen in den Nuten mit nur leeren Quadraten einnehmen.
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Nunmehr unter besonderer Bezugnahme auf 4A und 4B schließt das tabellarische Schema die Nutnummern 1-144 ein, die in der obersten Zeile der Tabelle vermerkt sind. Das tabellarische Diagramm schließt auch die Schichten eins bis acht (1-8) ein, die in der äußersten linken Spalte der Tabelle vermerkt sind. Jedes Kästchen innerhalb des tabellarischen schematischen Diagramms repräsentiert eine besondere Nut des Statorkerns 10 und eine besondere Schicht innerhalb der Nut. Jede Zahl innerhalb eines Kästchens kennzeichnet die Position eines Leiters für einen assoziierten Pfad der Wicklungsanordnung. Die Zahl „2“ in Schicht fünf der Reihe dreißig (30) kennzeichnet zum Beispiel den Pfad 2 als innerhalb des Statorkerns 10 an dieser Position residierend. Die Pfeile zwischen den Kästchen repräsentieren Endschleifen, die die gekennzeichneten Pfade verbinden. Zum Beispiel repräsentiert der horizontale Pfeil, der in Schicht acht zwischen den Nuten 30-31 und 36-37 angeordnet ist, (i) eine erste Endschleife, die den Leiter des Pfads 7 in Schicht acht von Nut 30 mit dem Leiter des Pfads 7 in Schicht acht von Nut 36 verbindet, und (ii) eine zweite Endschleife, die den Leiter des Pfads 8 in Schicht acht von Nut 31 mit dem Leiter des Pfads 8 in Schicht acht von Nut 37 verbindet.
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Wie obenstehend vermerkt sind die Leiter der Wicklung 70 innerhalb der Nuten in acht (8) Schichten angeordnet. Jede Phase der Wicklung 70 schließt vier parallele Pfade ein, und jeder parallele Pfad vollzieht vier Umläufe um den Statorkern herum. Die Leitungen zu jedem der Pfade sind in 4A und 4B durch die fettgedruckten Kästchen in den Schichten 1 und 8 der Nuten veranschaulicht. Die Zahlen 1, 2, 7 und 8 veranschaulichen die vier parallelen Pfade einer ersten Phase (z. B. Phase U). Die Zahlen 3, 4, 9 und 10 veranschaulichen die vier parallelen Pfade einer zweiten Phase (z. B. Phase V). Die Zahlen 5, 6, 11 und 12 veranschaulichen die vier parallelen Pfade einer dritten Phase (z. B. Phase W). Somit wird erkannt, dass die Wicklung 70 von 4A und 4B insgesamt zwölf Pfade einschließt, einschließlich vier paralleler Pfade für jede Phase der dreiphasigen Wicklung.
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Die Wicklung 70 von 4A und 4B besteht aus größtenteils kaskadierten Leitern. Der Begriff „kaskadierte Leiter“, wie dort verwendet, bezieht sich auf Leiter mit Endschleifensegmenten, die konfiguriert sind, um aufeinanderfolgenden geraden Segmenten zu ermöglichen, in einer gemeinsamen Schicht unterschiedlicher Nuten eines Statorkerns zu residieren. Anders ausgedrückt ist ein kaskadierter Leiterpfad einer, bei dem die meisten Endschleifen innerhalb des Pfads ein gerades Segment in einer Schicht mit einem geraden Segment in der gleichen Schicht verbinden. Der Begriff „kaskadierte Wicklung“ bezieht sich auf eine Wicklungsanordnung auf einem Statorkern, bei der die meisten der die Wicklung bildenden Leiter kaskadierte Leiter sind. Der Begriff „kaskadierte parallele Pfade“ bezieht sich auf zwei parallele Pfade einer Phase einer kaskadierten Wicklung. Der Begriff „angrenzende kaskadierte parallele Pfade“ bezieht sich auf zwei kaskadierte parallele Pfade mit geraden Segmenten, die in benachbarten (d. h. angrenzenden) Nuten residieren (z. B. sind der Pfad 1 und 2 in der Wicklungsanordnung von 4A und 4B angrenzende kaskadierte parallele Pfade). Der Begriff „Schichtpaar“ bezieht sich auf zwei benachbarte (d. h. angrenzende) Schichten, in denen die kaskadierten Leiter innerhalb der zwei benachbarten Schichten einen vollständigen (oder im Wesentlichen vollständigen) Umlauf um den Statorkern herum vollziehen. In der Wicklung 70 von 4A und 4B wird ein erstes Schichtpaar durch die Schichten eins und zwei bereitgestellt, wird ein zweites Schichtpaar bei Schichten drei und vier bereitgestellt, wird ein drittes Schichtpaar bei Schichten fünf und sechs bereitgestellt und wird ein viertes Schichtpaar bei Schichten sieben und acht bereitgestellt. Der Begriff „komplementäre kaskadierte parallele Pfade“ bezieht sich auf zwei kaskadierte parallele Pfade mit geraden Segmenten, die an allen Polen des Schichtpaares in gegenüberliegenden Nuten eines Schichtpaares residieren. Anders ausgedrückt residiert an einem gegebenen Pol und Schichtpaar ein gegebener kaskadierter paralleler Pfad nicht in den gleichen Nuten wie sein komplementärer kaskadierter paralleler Pfad (z. B. sind Pfade 1 und 7 in der Wicklung 70 von 4A und 4B komplementäre kaskadierte parallele Pfade).
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Die Wicklung 70 von 4A und 4B wird nun ausführlicher beschrieben, indem ein beispielhafter kaskadierter paralleler Pfad 1 durch den Statorkern hindurch verfolgt wird. Wie in 4A durch das fettgedruckte Kästchen mit der Nummer „1“ gezeigt, wird eine erste Leitung für den Pfad 1 bei Schicht acht von Nut sechs bereitgestellt. Nachdem er sich durch den Kern 10 bei Schicht acht von Nut 6 hindurch erstreckt hat, bewirkt eine Endschleife 72, dass der Pfad 1 von Schicht acht auf Schicht sieben springt, und der Pfad 1 erstreckt sich dann bei Schicht sieben von Nut 12 durch den Kern hindurch. Eine Reihe von kaskadierten Endschleifen 74 bewirkt dann, dass der Pfad 1 sich nacheinander in jeder der Nuten 18, 24, 30, 36 und 42 durch Schicht sieben hindurch bewegt.
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Nachdem er sich durch den Kern bei Schicht sieben von Nut 42 hindurch erstreckt hat, bewirkt eine Verflechtungsendwindung 76, dass der Pfad 1 bei Nut 48 zu Schicht acht zurückkehrt. Die Verflechtungsendwindung 76 und die Verflechtungsendwindung 77 bilden zusammen eine Verflechtung zweier Leiterpfade, die darin resultiert, dass die komplementären kaskadierten parallelen Pfade 1 und 7 die Schichtpositionen wechseln (d. h. die Verflechtungsendwindung 76 resultiert darin, dass der Pfad 1 zu Schicht acht bewegt wird, und die Verflechtungsendwindung 77 resultiert darin, dass der Pfad 7 zu Schicht sieben bewegt wird, wobei die Pfade 1 und 7 komplementäre kaskadierte parallele Pfade sind). Dementsprechend bezieht sich der Begriff „Verflechtung“, wie hierin verwendet, auf eine Endschleifenkonfiguration, die darin resultiert, dass ein kaskadierter paralleler Pfad die Schichten mit einem komplementären kaskadierten parallelen Pfad innerhalb eines bestimmten Schichtpaares wechselt. Eine Verflechtung gilt als „mit einem Pol assoziiert“, wenn die Verflechtung in Assoziation mit einer Endschleife erfolgt, die sich zwischen dem Pol und einem angrenzenden Pol der Phase erstreckt.
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Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 4A erstreckt sich der Pfad 1 der Endwindung 76 folgend bei Schicht acht von Nut 48 durch den Kern hindurch. Danach bewirkt eine Reihe von kaskadierten Endschleifen 78, dass der Pfad 1 nacheinander in jeder der Nuten 54, 60, 66 und 72 durch die Schicht acht hindurch bewegt wird. Wie in 4B gezeigt, bewirkt eine Über-Unter-Endwindungsanordnung 80 dann, dass der Pfad 1 mit dem Pfad 2 innerhalb der Schicht acht die Position wechselt. Wie zuvor vermerkt ist Pfad 2 ein angrenzender, kaskadierter paralleler Pfad zu Pfad 1, und die zwei Pfade bleiben dem Links/Rechts-Positionswechsel folgend angrenzend (d. h. Pfad 1 bewegt sich bei den Nuten 72-73 von der linken Seite von Pfad 2 bei den Nuten 78-79 auf die rechte Seite von Pfad 2). Die Über-Unter-Endwindungsanordnung 80 wird durch eine Endwindung mit sieben Steigungen für Pfad 1 (Bewegen des Pfads von Nut 72 zu Nut 79) und eine Endwindung mit fünf Steigungen für Pfad zwei (Bewegen des Pfads von Nut 73 zu Nut 78) bereitgestellt.
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Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 4B erstreckt sich der Pfad 1 der Über-Unter-Endwindungsanordnung 80 folgend bei Schicht acht von Nut 79 durch den Kern hindurch. Danach bewirkt eine Reihe von kaskadierten Endschleifen 84, dass der Pfad 1 sich nacheinander durch die Nuten 79, 85, 91, 97, 103, 109 und 115 hindurch bewegt. Nachdem sie sich bei Schicht acht von Nut 115 durch den Kern 10 hindurch erstreckt hat, bewirkt eine Verflechtungsendwindung 86, dass der Pfad 1 aus Schicht acht in Schicht sieben zurückkehrt. Wiederum ist diese Verflechtungsendwindung 86 ein Teil einer Verflechtung, die durch die Verflechtungsendwindungen 86 und 87 gebildet wird. Diese Verflechtung resultiert darin, dass die komplementären, kaskadierten, parallelen Pfade 1 und 7 die Schichtpositionen wechseln (d. h. die Verflechtung resultiert darin, dass Pfad 1 zu Schicht sieben bewegt wird und Pfad 7 zu Schicht acht bewegt wird).
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Der Endwindung 86 folgend erstreckt sich der Pfad 1 bei Schicht sieben von Nut 121 durch den Kern hindurch. Danach bewirkt eine Reihe von kaskadierten Endschleifen 88, dass der Pfad 1 sich in jeder der Nuten 127, 133, 139 und 1 nacheinander durch die Schicht sieben hindurch bewegt (siehe 4A für die Platzierung des Pfads 1 bei Schicht sieben von Nut 1). An diesem Punkt hat der Pfad 1 einen Umlauf des Statorkerns absolviert (d. h. aufgrund des Pfads, der sich vollständig um den Kern herum oder im Wesentlichen um den Kern herum erstreckt, sodass der Pfad mit allen Polen der Phase assoziiert ist). Wie in 4A gezeigt, bewirkt eine Übergangsendwindung 90 dann, dass sich der Pfad 1 von dem äußersten Schichtpaar (d. h. den Schichten sieben und acht) zu dem mittleren äußeren Schichtpaar (d. h. den Schichten fünf und sechs) bewegt. Insbesondere bewegt diese Endwindung 90 den Pfad 1 von Schicht sieben von Nut 1 zu Schicht sechs von Nut 7. Nachdem er sich bei Schicht sechs von Nut 7 durch den Kern 10 hindurch erstreckt hat, bewirkt eine Endschleife 92, dass der Pfad 1 von Schicht sechs zu Schicht fünf springt, und der Pfad 1 erstreckt sich dann bei Schicht fünf von Nut 13 durch den Kern hindurch.
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Wenn Pfad 1 nun in dem mittleren äußeren Schichtpaar (d. h. Schichten fünf und sechs) vorliegt, absolviert der Pfad einen weiteren Umlauf des Statorkerns, ähnlich wie in den vorstehenden Absätzen beschrieben. Der vollständige Pfad 1 wird hier der Kürze halber nicht im Detail beschrieben, es ist jedoch zu erkennen, dass die Spur durch das mittlere äußere Schichtpaar hindurch im Wesentlichen der Spur durch das äußerste Schichtpaar hindurch ähnlich ist. Dementsprechend schließt die Spur des Pfads 1 durch das mittlere äußere Schichtpaar hindurch zahlreiche kaskadierte Endwindungen, die dem Pfad 1 ermöglichen, in aufeinanderfolgenden Nuten in der gleichen Schicht zu verbleiben (ähnlich den Endwindungen 74, 78, 84 und 88), zwei Endwindungen, die mit Verflechtungen assoziiert sind, die den komplementären kaskadierten parallelen Pfaden 1 und 7 ermöglichen, die Schicht innerhalb des Schichtpaares zu wechseln (ähnlich den Endwindungen 76 und 86), und eine Über-Unter-Endwindungsanordnung ein (ähnlich der Über-Unter-Anordnung 80), die bewirkt, dass die angrenzenden kaskadierten parallelen Pfade 1 und 2 die Positionen links und rechts wechseln.
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Nach dem Absolvieren eines weiteren Umlaufs des Statorkerns in dem mittleren äußeren Schichtpaar (d. h. Schichten fünf und sechs) wird der Pfad 1 dann in das mittlere innere Schichtpaar (d. h. Schichten drei und vier) bewegt. Dies wird durch eine der in 4A gezeigten Endwindungen 94 mit langer Steigung erreicht, die für die hierin offenbarte Ausführungsform der Wicklung 70 alle Endwindungen mit sieben Steigungen sind. Für den Pfad 1 bewegen die Endwindungen 94 mit langer Steigung den Pfad von Schicht fünf von Nut 144 zu Schicht vier von Nut 7. Es ist zu erkennen, dass diese Endwindungen 94 mit langer Steigung für das hier offenbarte 4-8-4-Polmuster verantwortlich sind. Insbesondere verschieben die Endwindungen 94 mit langer Steigung jeden der vier Pfade einer gegebenen Phase (z. B. Pfad 1, Pfad 2, Pfad 7 und Pfad 8 in den 4A-4C) um eine Nut nach rechts, wenn sie von dem mittleren äußeren Schichtpaar zu dem mittleren inneren Schichtpaar übergehen. Als ein Ergebnis erstreckt sich jeder durch die Wicklung definierte Pol über drei Nuten und schließt vier Leiter in einer linken Nut, acht Leiter in einer mittleren Nut und vier Leiter in einer rechten Nut ein (d. h. ein 4-8-4-Polmuster).
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Den Endwindungen 94 mit langer Steigung folgend fährt Pfad 1 mit einem weiteren Umlauf des Kerns in dem mittleren inneren Schichtpaar fort. Wiederum ist dieser Umlauf um den Kern herum demjenigen ähnlich, der zuvor in Assoziation mit dem äußersten Schichtpaar beschrieben wurde. Dementsprechend schließt die Spur von Pfad 1 durch das mittlere innere Schichtpaar zahlreiche kaskadierte Endwindungen, die dem Pfad 1 ermöglichen, in aufeinanderfolgenden Nuten in der gleichen Schicht zu verbleiben (ähnlich den Endwindungen 74, 78, 84 und 88), zwei Endwindungen, die mit Verflechtungen assoziiert sind, die es den komplementären kaskadierten parallelen Pfaden 1 und 7 ermöglichen, die Schicht mit dem Schichtpaar zu wechseln (ähnlich den Endwindungen 76 und 86), und eine Über-Unter-Endwindungsanordnung ein (ähnlich der Über-Unter-Anordnung 80), die bewirkt, dass die angrenzenden kaskadierten parallelen Pfade 1 und 2 die Positionen links und rechts wechseln.
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Nach dem Absolvieren des Umlaufs des Kerns in dem mittleren inneren Schichtpaar geht der Pfad 1 zu dem innersten Schichtpaar (d. h. Schicht 1 und 2) über. Wiederum ist dieser Umlauf um den Kern herum demjenigen zuvor beschriebenen ähnlich. Schließlich endet der Pfad 1 bei Schicht eins von Nut 1, wo dem Pfad eine weitere Leitung bereitgestellt wird (wie durch das fettgedruckte Kästchen um den Pfad 1 herum angegeben). Dies vervollständigt die Spur für den Pfad 1, die vier Umläufe um den Statorkern herum und zwei Verflechtungen pro Umlauf einschließt. Die Pfade 2, 7 und 8 sind parallele Pfade der gleichen Phase wie Pfad 1. Die Spuren dieser Pfade sind ähnlich denen von Pfad 1. Während diese Spuren hierin der Kürze halber nicht im Detail beschrieben wurden, sind die genauen Spuren dieser Pfade aus dem tabellarischen schematischen Diagramm von 4A und 4B ersichtlich.
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In Anbetracht des Vorgenannten ist zu erkennen, dass die hierin offenbarte Wicklungsanordnung eine kaskadierte Wicklungsanordnung einschließt, die multiple Verflechtungen für jeden kaskadierten parallelen Pfad in jedem Schichtpaar einschließt. Jede Verflechtung besteht aus zwei Endwindungen, einschließlich einer ersten Verflechtungsendwindung (z. B. 76 oder 86) und einer zweiten Verflechtungsendwindung (z. B. 77 oder 87). Die Verflechtungen jeder Phase und von jedem parallelen Pfad einer solchen Phase (z. B. jeder der Pfade 1, 2, 7 und 8 in 4A und 4B) sind alle mit entweder einem ersten Pol oder einem zweiten Pol in jedem der Schichtpaare assoziiert. Wie in den 4A und 4B gezeigt sind zum Beispiel alle der Verflechtungen von Pfaden 1, 2, 7 und 8 mit einem ersten Pol, der bei Nuten 42-44 residiert, und einem zweiten Pol, der bei den Nuten 114-116 residiert, assoziiert. Anders ausgedrückt, alle der Verflechtungen der Pfade 1, 2, 7 und 8 befinden sich entweder zwischen einem ersten Polpaar (d. h. den Polen von Nuten 42-44 und 48-50) oder einem zweiten Polpaar (d. h. den Polen von Nuten 114-116 und 120-122). Es ist zu erkennen, dass dies in einer ersten Gruppe von Verflechtungen resultiert, die einer zweiten Gruppe von Verflechtungen auf dem Statorkern 10 um 180° gegenüberliegt (d. h. die Verflechtungsendwindungen 76 und 77 liegen auf dem Statorkern direkt gegenüber der Verflechtungsendwindungen 86 und 87 vor). Somit erstrecken sich die erste Gruppe von Verflechtungen von Nuten, die 72 Nuten der insgesamt 144 Nuten sind, die von der zweiten Gruppe von Verflechtungen entfernt sind.
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Zusätzlich zu dem Obenstehenden ist zu erkennen, dass die hierin offenbarte Wicklungsanordnung 70 zwei Gruppen angrenzender kaskadierter paralleler Pfade pro Phase einschließt (z. B. sind die Pfade 1 und 2 eine erste Gruppe angrenzender kaskadierter paralleler Pfade und die Pfade 7 und 8 sind eine zweite Gruppe angrenzender kaskadierter paralleler Pfade). Darüber hinaus weist jeder parallele Pfad jeder Phase auch einen komplementären kaskadierten parallelen Pfad auf (z. B. ist der Pfad 7 ein komplementärer kaskadierter paralleler Pfad zu dem Pfad 1, und Pfad 8 ist ein komplementärer kaskadierter paralleler Pfad zu dem Pfad 2). Diese Anordnung resultiert darin, dass jedes Schichtpaar vier Verflechtungen aufweist. Zum Beispiel sind bei dem Schichtpaar sieben-acht zwei Verflechtungen mit dem Pol der Nuten 42-44 assoziiert (d. h. eine erste Verflechtung zwischen dem Pfad 1 und dem Pfad 7 und eine zweite Verflechtung zwischen dem Pfad 2 und dem Pfad 8), und zwei Verflechtungen sind mit dem Pol der Nuten 114-116 assoziiert (d. h. eine erste Verflechtung zwischen dem Pfad 1 und dem Pfad 7 und eine zweite Verflechtung zwischen dem Pfad 2 und dem Pfad 8). Wenn alle Schichtpaare berücksichtigt werden, gibt es insgesamt sechzehn Verflechtungen in der Wicklungsanordnung, einschließlich vier Verflechtungen, die mit jedem Schichtpaar assoziiert sind.
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Die vorgenannte Wicklungsanordnung resultiert in einer Wicklung mit außergewöhnlichem Schichtausgleich der individuellen parallelen Drähte. Für jede Phase ist jeder parallele Draht in der gleichen durchschnittlichen Schichtposition untergebracht wie die anderen parallelen Drähte, und zwar für alle der Nuten eines Nuttyps aller Pole. Die Wicklung schließt mehr als N Verflechtungen für jeden parallelen Pfad pro Phase ein, wobei N eine gerade Zahl größer als oder gleich zwei ist. Die Verflechtungen jedes Schichtpaares sind auch gleichmäßig beabstandet. Darüber hinaus sind die Verflechtungen für jedes Schichtpaar mit den gleichen Polen assoziiert.
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Obwohl die verschiedenen Ausführungsformen hierin bereitgestellt wurden, werden Fachleute erkennen, dass andere Implementierungen und Anpassungen möglich sind. Obwohl die kaskadierte Wicklungsanordnung hierin als aus durchgehenden Leitern gebildet beschrieben wurde, wäre es zum Beispiel auch möglich, die Wicklung aus segmentierten Drahtabschnitten zu bilden. Ein weiteres Beispiel, während die hierin offenbarte beispielhafte Wicklungsanordnung nur zwei Verflechtungen für jedes Paar komplementärer kaskadierter paralleler Pfade einschließt, sind auch zusätzliche Verflechtungen möglich, wie drei, vier oder mehr. Zusätzlich versteht es sich, dass bestimmte Begriffe wie „oben“, „unten“, „links“, „rechts“ usw. Begriffe der Zweckmäßigkeit sind, die auf einer bestimmten Ausrichtung und einem bestimmten Blickwinkel des Stators basieren, und dass je nach Perspektive entgegengesetzte oder andere Begriffe verwendet werden können, um dieselbe Ausführungsform des Stators zu beschreiben. Ferner können Aspekte der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen kombiniert oder durch Aspekte von anderen Merkmalen ersetzt werden, um zu anderen Ausführungsformen als den hier beschriebenen zu gelangen. Darüber hinaus versteht es sich, dass verschiedene der vorstehend offenbarten und andere Merkmale und Funktionen oder Alternativen davon wünschenswerter Weise in viele andere unterschiedliche Systeme oder Anwendungen kombiniert werden können. Verschiedene derzeit unvorhergesehene oder nicht erwartete Alternativen, Modifikationen, Variationen oder Verbesserungen daran können anschließend von Fachleuten vorgenommen werden, die auch von jeglichen schließlich beigefügten Ansprüchen umschlossen sein sollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6882077 [0017]
- US 7269888 [0017]
- US 7687954 [0017]
- US 11038391 [0017]
