DE10239729A1

DE10239729A1 - Elektrische Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE10239729A1
Application number: DE2002139729
Authority: DE
Inventors: Kurt Reutlinger; Thomas Berger; Reinhard Meyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-11

Abstract

Es wird eine elektrische Drehfeldmaschine mit einem Ständer (11) und einem Läufer vorgeschlagen, wobei in den radial nach innen offenen Nuten (12) des Ständers (11) eine ein- oder mehrphasige Wicklung (10) mit stirnseitigen Wickelköpfen (13, 14) angeordnet ist. Die Wicklung (10) besteht aus einzelnen, vorgefertigten U-förmigen Blechstanzteilen (26), die zur Bildung einer Wellenwicklung gegensinnig aneinander gereiht sind und deren jeweils in einer Nut (12) aneinander oder aufeinander liegende U-Schenkel stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Die Blechstanzteile (26) lassen sich sehr kostengünstig in der Massenfertigung herstellen, es wird ein hoher Nutfüllfaktor erreicht, und die Wicklungsköpfe (13, 14) können sehr kompakt und kleinvolumig ausgebildet werden.

Description

STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft eine elektrische Drehfeldmaschine mit einem Ständer und einem Läufer, wobei in den radial nach innen offenen Nuten des Ständers eine ein- oder mehrphasige Wicklung mit stirnseitigen Wickelköpfen zur Erzeugung eines Drehfeldes angeordnet ist.

Derartige, beispielsweise aus der WO 01/54254 A1 bekannte Drehfeldmaschinen werden beispielsweise in der so genannten Flachpakettechnik hergestellt, bei der die Wicklung in die Nuten eines linearen Ständerelements eingebracht wird und dieses Ständerelement dann zu einem ringförmigen Ständer geformt wird. Die Wicklung wird dabei üblicherweise aus einem Kupferdraht hergestellt bzw. gewickelt. Zur Erzielung eines möglichst hohen Leistungsvermögens wird grundsätzlich angestrebt, den Strangwiderstand zu reduzieren. Hierzu wird zum einen versucht, den Kupferanteil in der Nut (Nutfüllfaktor) zu erhöhen, und zum anderen kann der Kupferanteil im Bereich des Wickelkopfes variiert werden. Diese Merkmale werden im Wesentlichen durch die Wickeltechnik bzw. Fertigungstechnik des Ständers beeinflusst.

Die erfindungsgemäße Drehfeldmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil eines sehr hohen Nutfüllfaktors und eine einfache Realisierung eines eng anliegenden, exakt angeordneten Wickelkopfes, der nur sehr wenig Raum beansprucht und daher sehr kleine Realisierungen der Drehfeldmaschine ermöglicht. Die "Drahtquerschnitte", also die Querschnitt der U-Schenkel, können sehr exakt an die Nutform angepasst werden, wobei insgesamt die U-förmigen Einzelelemente sehr einfach und kostengünstig herstellbar sind und sich für den Massenfertigungsprozess hervorragend eignen. Die Wicklungsfertigung ist sehr flexibel und variabel möglich.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Drehfeldmaschine möglich.

Die Schenkel der jeweils zu verbindenden Blechstanzteile sind vorzugsweise miteinander verschweißt oder verlötet, wobei sich vor allem das Diffusionsschweißverfahren eignet.

Die den Wickelkopf bildenden Verbindungsstege der Blechstanzteile besitzen im Wesentlichen den doppelten Querschnitt der Schenkel, so dass im fertigen, also verbundenen Zustand ein im Wesentlichen durchgehend gleicher Windungsquerschnitt vorliegt. Die dabei flachere Ausbildung der Verbindungsstege ermöglicht eine günstige Anordnung und Bildung des Wickelkopfes.

Die Breite der U-Schenkel der Blechstanzteile entspricht im Wesentlichen der Nutbreite, so dass eine im Wesentlichen vollständige Nutfüllung erreicht werden kann.

Insbesondere bei sich überlappenden Windungen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Verbindungsstege mit einer Kröpfung zu versehen, die im Wesentlichen der Höhe der Verbindungsstege entspricht. Dies ermöglicht eine besonders kompakte und symmetrische Ausbildung des Wickelkopfes.

Bei zweckmäßiger Ausgestaltung der Windung können bei einer mehrphasigen Wicklung die wellenförmigen Wicklungsstränge ineinan der greifen und/oder es können mehrere Wicklungslagen übereinander angeordnet sein.

In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der Ständer in der Flachpakettechnik ausgeführt, wobei die fertige Wicklung in die Nuten eines linearen Ständerelements eingesetzt und dieses Ständerelement dann zu einem Ring geformt wird. Dies ermöglicht das Einsetzen der extern vorgefertigten Wicklung in einem Arbeitsgang und führt dadurch zu einer technisch einfachen, kostengünstigen Montage.

Die Verbindungsstege besitzen zweckmäßigerweise Mittel zum Längenausgleich, da sich die Schenkelabstände insbesondere beim Biegen des linearen Ständerelements zu einem Ring wenigstens teilweise verändern. Eine vorteilhafte Ausführung zum Längenausgleich besteht in der V-förmigen Ausbildung der Verbindungsstege, die vorzugsweise noch mit Schlitzen versehen sind, insbesondere in der Längsrichtung der Verbindungsstege verlaufende Schlitze. Zusätzlich oder alternativ können die Verbindungsstege auch noch abgewinkelt sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines fertigen Ständers einer elektrischen Drehfeldmaschine,
2 die Anordnung von zwei gegensinnig aneinandergereihten U-förmigen Blechstanzteilen zur Bildung der Wellenwicklung in einer einfachsten Ausführung,
3 ein U-förmiges Blechstanzteil mit gekröpftem Verbindungssteg zwischen den U-Schenkeln,
4 eine einlagige, drei-phasige Wicklung in einer Teilansicht, die aus U-förmigen Blechstanzteilen gemäß 3 gebildet ist,
5 eine weitere Ausführung eines U-förmigen Blechstanzteils mit v-förmigem, teilweise geschlitztem Verbindungssteg und
6 eine ähnliche Ausführung eines U-förmigen Blechstanzteils, mit einem nahezu über die gesamte Länge des abgewinkelten, V-förmigen Verbindungsstegs verlaufenden Längsschlitz.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt den mit einer Ständerwicklung 10 versehenen ringförmigen Ständer 11 einer elektrischen Drehfeldmaschine, beispielsweise des Generators in einem Kraftfahrzeug. Der üblicherweise geblechte Ständer 11 aus einem ferromagnetischen Material besitzt eine Vielzahl paralleler, radial nach innen offener Nuten 12, die sich in der axialen Richtung erstrecken und zur Aufnahme der Ständerwicklung 10 dienen. Die jeweils axial aus einer Nut 12 austretenden und in eine andere Nut wieder zurückgeführten Wicklungsstrangbereiche der Ständerwicklung 10 bilden die beiden Wicklungsköpfe 13, 14 an den beiden Stirnseiten des Ständers 11. Auf die Darstellung des Läufers der Drehfeldmaschine und dessen Lagerung wurde zur Vereinfachung der Darstellung verzichtet.
Der Ständer 11 wird beispielsweise in der im eingangs genannten Stand der Technik beschriebenen Flachpakettechnik hergestellt, da sich diese Technik zur Realisierung der Erfindung am besten eignet. Hierzu wird zunächst ein lineares Ständerelement hergestellt, das mit parallelen Nuten senkrecht zur Längsrichtung des Ständerelements versehen ist. Dann wird eine Vielzahl von U-förmigen Blechstanzteilen 15 durch Ausstanzen aus einem Kupferblech hergestellt, die im einfachsten Falle gemäß 2 ausgebildet sind. Der die jeweiligen U-Schenkel 16 verbindende Verbindungssteg 17 ist doppelt so breit wie die U-Schenkel 16, besitzt also den doppelten Querschnitt. Nun werden die wellenförmigen Wicklungsstränge durch gegensinniges Aneinanderreihen der Blechstanzteile 15 hergestellt, so dass ein wellenförmiger bzw. mäanderartiger Wicklungsstrang entsteht. Dabei werden jeweils die U-Schenkel 16 von be nachbarten Blechstanzteilen 15 aufeinander gelegt und stoffschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise durch Löten oder Schweißen, wobei sich das Diffusionsschweißen besonders gut eignet.
Durch das Aufeinanderlegen erreicht man in den Überlappungszonen doppelte Profildicke, so dass insgesamt die Querschnittsfläche konstant gehalten werden kann. Die Isolation der zuvor isolierten Blechstanzteile 15 (z. B. Lackisolation) muss an den Verbindungsstellen entfernt und nach dem Verbindung wieder vervollständigt werden.
Die Art der Wicklung kann sehr unterschiedlich sein, ist jedoch bevorzugt eine Wellenwicklung. Es kann sich dabei um eine einfache oder um eine verteilte Wellenwicklung handeln, gewöhnlich um eine drei-phasige Wellenwicklung. Diese kann mehrere übereinander angeordnete Wicklungslagen besitzen.
Die fertiggestellte Wicklung wird nun im Ganzen in die Nuten 12 des Ständers 11 eingesetzt, und das gesamte Flachpaket wird dann einschließlich der eingelegten Ständerwicklung 10 zu einem Ring gebogen. Der Ständer wird verschweißt und kalibriert, und die noch offenen Verbindungsstellen der Wicklungsstränge werden miteinander verbunden, sofern es sich nicht um eine Umkehrwellenwicklung handelt.
Da sich beim Biegen die Nuten radial nach innen zunehmend verjüngen, werden sie leicht konisch ausgebildet, damit sie nach dem Biegen wieder parallele Seitenwandungen besitzen. Dieser Effekt kann auch dazu benutzt werden, die Wicklung am bzw. im Ständer 11 zu fixieren.
In 3 ist eine andere Ausführung eines U-förmigen Blechstanzteils 18 dargestellt. Dieses besitzt abgerundete Eckbereiche 19 zwischen den U-Schenkeln 20 und dem Verbindungssteg 21. Weiterhin besitzt der Verbindungssteg 21 eine Kröpfung 22, die so bemessen ist, dass die Bereiche des Verbindungsstegs 21 zu beiden Seiten der Kröpfung 22 in der Höhe um die Blechdicke zueinander versetzt sind.
4 zeigt eine Wicklungslage einer drei-phasigen Wicklung, die aus Blechstanzteilen 18 gemäß 3 besteht. Durch die Kröpfung 22 liegen die drei sich überlappenden Wicklungsstränge 23 bis 25 der drei Phasen kompakt aneinander und benötigen eine Gesamthöhe, die lediglich der doppelten Blechdicke entspricht. Die in 4 dargestellte Wicklungslage kann durch weitere Wicklungslagen in der Höhe ergänzt werden, und erst die Gesamtwicklung wird dann bei der Herstellung des Ständers in das zunächst noch lineare Ständerelement eingelegt. Prinzipiell können selbstverständlich auch die einzelnen Lagen nacheinander eingelegt werden.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines U-förmigen Blechstanzteils 26 dargestellt, das zur Herstellung einer Wellenwicklung gemäß der vorstehenden Beschreibung bestimmt ist. Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsbeispielen ist hier der die beiden U-Schenkel 27 verbindende Verbindungssteg 29 V-förmig (in der Projektion) ausgebildet und besitzt im mittleren Bereich einen mittigen Längsschlitz 30. Zusätzlich ist der Verbindungssteg 29 ebenfalls im mittleren Bereich geknickt bzw. abgewinkelt. Hierdurch wird bei der Biegung des Ständers 11 ein erforderlicher Längenausgleich erreicht, das heißt, die Blechstanzteile 26 der Ständerwicklung 10 passen sich beim Biegen den sich verändernden Positionen der Nuten 12 an. Zusätzlich kann der Verbindungssteg 29 noch mit einer Kröpfung gemäß 3 versehen sein. Entsprechend können auch die Ausführungsbeispiele gemäß den 2 und 3 mit einer Knickung bzw. Abwicklung für den Längenausgleich sowie mit einem Schlitz versehen sein. Eine aus Blechstanzteilen 26 bestehende Ständerwicklung 10 ist in 1 dargestellt.
Das in 6 dargestellte Blechstanzteil 31 stellt eine Variation des Blechstanzteils 26 dar. Im Unterschied zur 5 erstreckt sich ein mittiger Längsschlitz 32 im Wesentlichen über die gesamte Länge des Verbindungsstegs 33, der die beiden U-Schenkel 34 verbindet. Im Gegensatz zur 5 liegt eine stärker ausgeprägte Ausknickung bzw. Abwinkelung vor. Auch hier kann noch eine Kröpfung vorgesehen sein.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Wicklungsarten beschränkt, vielmehr können aus derartigen U-förmigen Blechstanzteilen auch andere bekannte Wicklungsarten realisiert werden. Weiterhin ist eine Ausführung als in Flachpakettechnik ausgeführter Ständer nicht unbedingt erforderlich, sondern auch bekannte, ursprünglich ringförmige Ständer können mit Ständerwicklungen aus solchen U-förmigen Blechstanzteilen versehen werden. Das Einlegen des Wicklungspakets ist bei derartigen Ausführungen allerdings komplizierter. Prinzipiell können die Blechstanzteile auch einzeln eingelegt und einzeln miteinander verbunden werden.

Claims

Elektrische Drehfeldmaschine mit einem Ständer und einem Läufer, wobei in den radial nach innen offenen Nuten des Ständers eine ein- oder mehrphasige Wicklung mit stirnseitigen Wickelköpfen zur Erzeugung eines Drehfeldes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (10) aus einzelnen, vorgefertigten Uförmigen Blechstanzteilen (15; 18; 26; 31) besteht, die zur Bildung einer Wellenwicklung gegensinnig aneinandergereiht sind und deren jeweils in einer Nut (12) aneinander oder aufeinander liegende U-Schenkel (16; 20; 27; 34) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Drehfeldmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (16; 20; 27; 34) miteinander verschweißt oder verlötet sind.
Drehfeldmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Wicklungsköpfe (13, 14) bildenden Verbindungsstege (17; 21; 29; 33) der Blechstanzteile (15; 18; 26; 31) im Wesentlichen den doppelten Querschnitt der Schenkel besitzen.
Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der U-Schenkel (16; 20; 27; 34) im Wesentlichen der Nutbreite entspricht.
Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstege (21) eine Kröpfung (22) aufweisen, die im Wesentlichen der Blechdicke der Verbindungsstege entspricht.
Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer mehrphasigen Wicklung die wellenförmigen Wicklungsstränge (23 – 25) ineinander greifen.
Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wicklungslagen übereinander angeordnet sind.
Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer (11) als in Flachpakettechnik ausgeführter Ständer ausgebildet ist, bei dem die fertige Wicklung (10) in die Nuten (12) eines linearen Ständerelements eingesetzt und dieses Ständerelement dann zu einem ringförmigen Ständer (11) geformt wird.
Drehfeldmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstege (29; 33) Mittel zum Längenausgleich besitzen.
Drehfeldmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstege (29; 33) V-förmig und/oder abgewinkelt ausgebildet sind.
Drehfeldmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstege (29; 33) mit Schlitzen (30; 32) versehen sind, wobei die Schlitze (30; 32) insbesondere in der Längsrichtung der Verbindungsstege (29; 33) verlaufen.