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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen
der provisorischen US-Anmeldung
Nr. 60/380,638, die am 15. Mai 2002 eingereicht wurde.
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HINTERGRUND
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1. Gebiet
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Diese Erfindung bezieht sich auf
eine Wicklungstechnologie für
elektrische Maschinen und insbesondere auf haarnadelgewickelte elektrische
Maschinen.
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2. Hintergrunddiskussion
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Elektrische Maschinen sind Schlüsselkomponenten
herkömmlicher
Automobile. Einige elektrische Maschinen dienen als Anlassermotoren,
um Automobilmotoren zu starten. Andere elektrische Maschinen dienen
als Drehstromgeneratoren, die aus der Motorbewegung Elektrizität erzeugen
und Leistung an Automobillasten liefern. Elektrische Maschinen sind
auch sehr wichtig in modernen Hybridelektrofahrzeugen (HEVs), die einen
Verbrennungsmotor mit einem durch einen Batteriesatz angetriebenen
elektrischen Antriebssystem kombinieren. In diesen Hybridfahrzeugen
ist typischerweise eine einzige elektrische Maschine erforderlich,
um als (a) Anlassermotor, (b) Unterstützung des Elektroantriebs (Triebkraftverstärkung) sowie
reiner Elektroantrieb (Triebkraft), (c) Generator, der für elektrische
Lasten an Bord elektrische Leistung liefert und die Batteriesätze lädt, und
(d) Regenerator zu arbeiten, der dahingehend wirkt, die kinetische
Energie des Fahrzeugs zum Aufladen des Batteriesatzes während eines
Brems/Verzögerungsvorgangs
des Fahrzeugs in elektrische Leistung umzuwandeln.
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Hybridelektrofahrzeuge können bei
geringem Kraftstoffverbrauch und geringer Luftverschmutzung arbeiten.
An Bord der HEV gibt es zwei Antriebs- bzw. Triebkraftsysteme: (i)
einen herkömmlichen
Diesel/Benzinmotor und (ii) das elektrische Antriebssystem. Das
zusätzliche
elektrische Antriebssystem besteht aus einem Batteriesatz (Energiespeicherkomponente),
Leistungselektronikeinheit (Steuerkomponenten) und einer elektrischen
Maschine (Umwandlungskomponente – elektrische in mechanische
Energie). Das elektrische Antriebssystem liefert den Antrieb bzw.
die Triebkraft und Leistungserzeugung sowie eine Leistungsregenerierung.
Die elektrische Maschine ist eine Kernkomponente im elektrischen
Antriebssystem des HEV. Je nach Fahrschema/Anforderungen läuft die
Maschine im Anlaufzustand während
des Startens des Fahrzeugs, eines elektrischen Hilfsantriebs/Vortriebs
oder reinen elektrischen Antriebs/Vortriebs. Die elektrische Maschine
muss im normalen Erzeugungszustand während des Motorantriebs/Vortriebs
(wodurch Batterien geladen werden) und des regenerierenden Zustands
während
eines Bremsens des Fahrzeugs arbeiten. Offensichtlich wird der Wirkungsgrad
der elektrischen Maschine den Wirkungsgrad des elektrischen Antriebssystems
und folglich die Wirtschaftlichkeit des Fahrzeugs direkt bestimmen.
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Als die Umwandlungskomponente in
einem elektrischen Antriebssystem steht die elektrische Maschine
(über einen
Riemen oder mechanischen Wandler) mit der Antriebswelle oder Motorwelle
direkt oder indirekt in Verbindung und muss "unter der Motorhaube"
des Fahrzeugs liegen. Der für
die elektrische Maschine an der erforderlichen Stelle verfügbare Raum
ist beschränkt.
Daher müssen
die Größen/Abmessungen
der elektrischen Maschine so klein wie möglich sein. Verglichen mit
anderen Anwendungen für
elektrische Maschinen sind der hohe Wirkungsgrad und geringe Größe für die elektrische
Maschine an Bord des HEV wichtiger. Automobilhersteller verlangen
zunehmend einen hohen Wirkungsgrad und geringe Größe für nahezu
alle Anwendungen elektrischer Maschinen in Fahrzeugen. Daher besteht
der Bedarf an kleinen und mittelgroßen elektrischen Maschinen
mit hohem Wirkungsgrad und geringer Größe für alle Automobilfahrzeuge und
besonders für
HEVs und reine Elektrofahrzeuge.
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Ein Weg, die Größe einer elektrischen Maschine
zu reduzieren und den Wirkungsgrad zu erhöhen, ist, das Schlitzfüllverhältnis der
elektrischen Maschine zu erhöhen.
Nach 1(a) und 1(b) enthalten
kleine und mittelgroße
elektrische Maschinen einen aus einem Schichtungsstapel geschaffenen
Stator 26. Im Stator sind mehrere Schlitze 20 ausgebildet.
Die Statorschlitze sind in einem Kreis um den Stator mit einer Öffnung 22 zum
Schlitz angeordnet, die dem Rotor der elektrischen Maschine zugewandt
ist. Die Schlitze 20 dieser elektrischen Maschinen werden
als "zum Teil geschlossen" oder "halb geschlossen" erachtet, da
ein Hals 28 nahe der Öffnung
zu jedem Schlitz ausgebildet ist, so dass die Breite der Öffnung 22 kleiner
als die Breite des Schlitzes selbst ist. Mehrere elektrische Leiter 24,
typischerweise in Form von Kupferdrähten, sind in den Schlitzen des
Stators angeordnet.
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Wie im vorhergehenden Absatz erwähnt wurde,
wird, um eine elektrische Maschine mit hohem Wirkungsgrad und geringem
Volumen zu entwerfen, ein hohes Schlitzfüllverhältnis (SFR) bevorzugt. Der
Ausdruck "Schlitzfüllverhältnis" ist
typischerweise definiert als das Verhältnis von (a) der zusammengesetzten Querschnittfläche der
reinen Kupferleiter in einem Schlitz zu (b) der Querschnittfläche des
Schlitzes selbst. Bei hohem SFR hilft die große Querschnittfläche der
Kupferdrähte
dabei, den Phasenwiderstand und folglich den Widerstand der Wicklungen
(d.h. Leistungsverlust) für
eine gegebene Schlitzgröße zu reduzieren,
so dass der Wirkungsgrad der Maschine verbessert wird. Demgemäß können effizientere
elektrische Maschinen mit einer geringeren Größe als weniger effiziente Vorgänger gebaut
werden.
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Ankerwicklungen der kleinsten und
mittelgroßen
elektrischen Maschinen sind typischerweise in vielen Windungen mit
einer einzigen oder mehreren Adern runder magnetischer Drähte gewickelt. 1(b) zeigt einen beispielhaften Statorschlitz
nach dem Stand der Technik mit mehreren runden Leitern im Statorschlitz.
Das SFR der Maschinen mit runden Drähten kann ein Maximum von 44
% erreichen, was den Entwurf elektrischer Maschinen mit geringem
Verlust (Widerstand) und hohem Wirkungsgrad verhindert. Wie vorher
diskutiert wurde, wird diese Aufgabe sogar kritischer, wenn Maschinen
mit hohem Wirkungsgrad für
Hybridfahrzeuge entworfen werden. Der verfügbare Raum an Bord von Hybridfahrzeugen
ist streng begrenzt, und daher wird manchmal ein Erhöhen des
Wirkungsgrades durch Vergrößern der
Maschinengröße unmöglich.
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Eine Lösung, um das SFR zu erhöhen, besteht
darin, anstelle runder Drähte
rechtwinklige Drähte
in den Statorschlitzen zu verwenden, wie die in 1(a) gezeigte
Anordnung. Die Verwendung rechtwinkliger Drähte in den Statorschlitzen
kann das Schlitzfüllverhältnis auf
bis zu 70 % über
demjenigen runder Drähte erhöhen, was
erlaubt, dass das SFR von Maschinen mit rechtwinkligen Drähten nahezu
75 % erreicht. Unglücklicherweise
begrenzt das als "Skineffekt" bekannte Phänomen die Größe von Leitern,
die in den Statorschlitzen verwendet werden können, besonders die Dicke der
Leiter in den Schlitzen. Der "Skineffekt" reduziert die effektive
Querschnittfläche
eines Leiters in einem Schlitz, wenn die Dicke des Leiters zunimmt.
Der Skineffekt ist besonders verbreitet in geraden Leitersegmenten
beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb. Die Verwendung rechtwinkliger
Drähte
kann demgemäß das SFR
erhöhen,
die Dicke jedes rechtwinkligen Drahtes in Bezug auf die Schlitzhöhe/tiefe
muss jedoch beschränkt
werden, um den Skineffekt der Leiter zu reduzieren. Da die Verknüpfung bzw.
Koppelung des Streuflusses bei Ebenen verschiedener Höhe/Tiefe
eines Leiters in einem gegebenen Schlitz vom oberen Ende zum Boden
des Schlitzes zunimmt, wird die Gegen-EMF, die dem unteren Teil
des Leiters entspricht, höher
als die am oberen Teil des Leiters.
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Die Gegen-EMF aufgrund eines Schlitzstreuflusses
erzwingt am oberen Teil des Leiters einen großen Betrag des Stromflusses.
Demgemäß nimmt
die Stromdichte im Leiter in einem Schlitz vom Boden des Schlitzes
zum oberen Ende zu, falls alle Leiter im Schlitz den gleichen Phasenstrom
führen.
Falls verschiedene Phasenströme
in einem Schlitz geführt
werden, zeigt die Stromdichte eine komplizierte Verteilung, wie
in der folgenden Gleichung (1) dargelegt ist. Wenn der Wechselstrom
in einem Leiter fließt, reduziert
der Skineffekt die effektive Querschnittfläche des Leiters, so dass der
Wechselstromwiderstand eines Leiters größer als sein Gleichstromwiderstand
ist. Die Erhöhung
des Wechselstromwiderstands infolge des Skineffekts in einem rechtwinkligen
Schlitz hängt
von der Eindringtiefe d einer elektromagnetischen Welle ab, d.h.
wobei ρ der spezifische Widerstand
des Leiters ist; f die Frequenz des Wechselstromsignals ist; μ die Permeabilität des Leiters
(ungefähr
gleich der Permeabilität
von Luft für
Kupferleiter) ist, b
c und b
s die
Breiten des Leiters bzw. des Schlitzes sind. Offensichtlich wird
die Eindringtiefe elektromagnetischer Wellen mit zunehmender Frequenz
reduziert. Im allgemeinen gibt es keinen am unteren Teil des Leiters
in einem Schlitz fließenden
Strom, falls die Dicke des Drahtes die dreifache Eindringtiefe ist.
Daher sollte die Dicke der rechtwinkligen Drähte im Schlitz so klein wie
möglich
ausgebildet werden.
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Falls mehrere Drahtstränge in einem
Schlitz verlegt sind, wird die Gegen-EMF eines Streuverlustes unter dem Effekt
eines Schlitzstreuverlustes in einer Ader im unteren Teil des Schlitzes
höher sein
als die Gegen-EMF eines Streuverlustes in der Ader im oberen Teil
des Schlitzes. Zirkulierende Ströme
zwischen den Adern werden aufgrund der ungleichen Gegen-EMFs von Streuverlusten
erzeugt, falls die Adern beim Schluß- bzw. Endwindungssegment
als ein Leiter zusammengeschweißt
sind, was den Leistungsverlust erhöhen wird. Um den zirkulierenden
Strom in großen
elektrischen Maschinen zu reduzieren oder zu eliminieren, bestehen die Wicklungsstäbe oft aus
vielen Strängen
kleiner/dünner
rechtwinkliger Drähte,
deren Lagen in der axialen Richtung eines Schlitzes mit einem Übergang
versehen sind (engt. transitioned) (wie z.B. ein mit einem Übergang
um 540° versehener
Wicklungsstab etc.) sind. Reduzieren der Drahtdicke in den Statorschlitzen
hilft dabei, den negativen Skineffekt zu verringern, und hilft beim
Erreichen eines hohen Wirkungsgrades in einer elektrischen Maschine
mit rechtwinkligen Leitern. Diese Wicklungsstäbe müssen jedoch in offenen Schlitzen
verlegt werden, was spezielle Schlitzkeile (normalerweise ein magnetischer
Schlitzkeil, um Skin- und Luftspalteffekte zu reduzieren) erfordert.
Infolgedessen sind solche Wicklungsstäbe zu kompliziert, um sie beim
Herstellen kleiner und mittelgroßer elektrischer Maschinen
zu nutzen, da sie die Schwierigkeit und Kosten der Herstellung dramatisch
erhöhen
und die Zuverlässigkeit
der Maschinen, insbesondere in Anwendungen bei Hybridfahrzeugen,
reduzieren würden. Überdies
ist es in vielen kleinen und mittelgroßen elektrischen Maschinen nicht
wünschenswert,
offene Schlitze zu verwenden. In mittelgroßen und kleinen Hochfrequenz-Wechselstrommaschinen
werden oft Litzen-Drähte
für die
Wechselstromwicklungen verwendet. Litzen-Drähte können dabei helfen, zirkulierenden
Strom und Skineffekte von Wechselstromwicklungen zu reduzieren,
aber das Schlitzfüllverhältnis kann
mit Litzen-Drähten
nicht verbessert werden. Mit anderen Worten sollte der Übergang von
Wechselstromwicklungen durch einen speziellen Entwurf gemäß einer
Ankerstapellänge
durchgeführt werden,
um einen zirkulierenden Strom innerhalb der Wicklungen zu eliminieren,
wobei einfaches Aufnehmen verfügbarer
Litzen-Drähte
das Ziel, den zirkulierenden Strom zu eliminieren, nicht erreichen
kann. Litzen-Drahtwicklungen sind überdies während der Herstellung sehr
schwierig zu handhaben und würden
daher zu Herstellungskosten beitragen und zusätzliche Herstellungshürden schaffen.
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Um die Herstellung zu vereinfachen
und das Schlitzfüllverhältnis von
Wicklungen hoch zu halten, wurden vorgeformte rechtwinklige Drähte mit
geraden Leitersegmenten geschaffen, die in den Statorschlitzen angeordnet
werden, aber verdrehten Enden, die die Schluß- bzw. Endwindungen bilden,
wie in 3 gezeigt ist. Die in 3(a) gezeigten vorgeformten Wicklungen
müssen
jedoch durch die Schlitzöffnung
eingesetzt werden, um auf dem Stator eingesetzt zu werden. Diese
vorgeformten Wicklungen können
somit nur in offenen Schlitzen wie die Wechselstromwicklungen von 2 platziert werden, die
für große elektrische
Maschinen verwendet werden. Diese Wicklungen können in den zum Teil geschlossenen
Schlitzen nicht platziert werden, die typischerweise für kleine
und mittelgroße
elektrische Maschinen genutzt werden, weil die beschränkte Öffnung in
einem zum Teil geschlossenen Schlitz die Wicklungen am Eintritt
in den Schlitz hindert.
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Um dieses Problem zu lösen, haben
Konstrukteure kleiner und mittelgroßer elektrischer Maschinen mit
zum Teil geschlossenen Schlitzen Leitersegmente verwendet, die in
das obere Ende und/oder den Boden des Schlitzes eingesetzt werden
können
und nicht durch die Schlitzöffnungen
gelangen müssen.
Zu diesem Zweck werden die Leitersegmente zuerst in U-Formen gebogen,
so dass die Leitersegmente eine U-förmige Endwindung mit zwei Beinen
bilden, wie z.B. in 7(a) und/oder 7(b) gezeigt ist. Diese Leitersegmente
werden wegen ihrer Form oft als "Haarnadeln" bezeichnet. Die U-förmigen Leitersegmente
können
von einer Seite des Schichtungsstapels mit den Beinen voran in die
Schlitze eingesetzt werden, wobei jedes Bein in einem unterschiedlichen
Schlitz angeordnet wird. Die Beinenden der Haarnadeln, die durch
die Schlitze verlaufen (d.h. die offenen Enden der Haarnadeln) werden
dann in eine gewünschte
Konfiguration gebogen, wie in 7(c) gezeigt
ist, so dass jedes jeweilige Beinende gemäß den Verbindungsanforderungen
der Wicklungen mit einem unterschiedlichen Beinende verbunden werden
kann. Die entsprechenden rechtwinkligen Drähte werden schließlich in
3-Phasen-Wechselstromwicklungen verbunden.
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Diese "Haarnadel"-Wicklungstechnologie
ist in vielen Produkten wie z.B. dem 50DN Drehstromgenerator von
Delco Remy America, Inc. (seit den 60er), dargestellt in 3(b), in Anwendung. Die Konfiguration der
in 3(b) dargestellten Wicklungen (d.h.
Doppellagen- bzw. Doppelschichtwicklungen mit einer Ader pro Leiter)
führt zu
einer hohen Leiterdicke, die (neben anderen Gründen) einen starken Skineffekt
und einen geringen Wirkungsgrad (weniger als 50 %) verursacht.
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Um den Skineffekt zu verringern,
während
das hohe Schlitzfüllverhältnis von
Wechselstromwicklungen mit rechtwinkligen Drähten beibehalten wird, könnte jeder
Leiter aus mehreren dünnen
rechtwinkligen Drähten oder
"Adern" bestehen, wie in 4(a) gezeigt
ist. Wie des oben beschriebene Haarnadelwicklungsverfahrens könnte der
mehradrige Leiter an der Schluß-
bzw. Endwindung mit einem Übergang
versehen, in U-Formen geformt und von einer Seite des Schichtungsstapels
in die Schlitze eingesetzt werden. Nachdem alle U-förmigen Wicklungen
in die Schlitze eingesetzt sind, würde man die offenen Segmente
der U-Wicklungen in die erforderlichen Formen umformen und in drei
Phasenwicklungen verbinden. Ein Prototyp dieser Technologie ist in 4(b) dargestellt. Wegen der Beschränkung der
Anzahl von Schlitzen und des verfügbaren Raums für Endwindungen
ist jedoch die praktische Anwendung der 4(a) und 4(b) Wellenwicklungen mit einer Windung
pro Spule bzw. Wicklung, da Verbindungsdrähte zwischen Polen bei Schleifenwicklungen
den Raum für Endwindungen
beeinträchtigen
könnten.
Diese Technologie kann daher nur für Wechselstromwicklungen niedriger
Spannung wie der Prototyp von 4(b) verwendet
werden. Überdies
besteht ein weiteres Herstellungsproblem wegen der Schwierigkeit
beim Verdrehen rechtwinkliger mehradriger Drähte.
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Eine andere Lösung für die oben erwähnten Probleme
ist damit verbunden, statt zwei Adern in einem Leiter wie in 4(a) gezeigt zu kombinieren, jede Ader
in eine Wicklung mit einer einzigen Windung zu formen, und dann
zwei U-förmige
Wicklungen in die Schlitze einzusetzen, wie in 5(a) dargestellt
ist. Verfolgt man das gleiche Verfahren wie die Herstellung von
Haarnadelwicklungen in 3(b), kann
ein Drehstromgenerator für
Kraftfahrzeuge geschaffen werden, der zwei Sätze überlappender Wicklungen (eine
auf der anderen) verwendet, die mit zwei separaten Gleichrichtern
parallel verbunden sind. Neben der Notwendigkeit zweier Brücken erhöhen jedoch
die überlappten
Wicklungen die Schwierigkeit beim Herstellen und die Möglichkeit von
Kurzschlüssen.
Außerdem
ist für
die überlappten
Wicklungen eine Zusatzlänge
der Schluß-
bzw. Endwindungen erforderlich (d.h. die Größe des Wicklungskopfes wird
vergrößert). Diese
zusätzliche
Länge ist
in modernen Fahrzeugen wie z.B. dem HEV, wo Motorraum sehr wichtig
ist, unerwünscht.
Außerdem
ist die Reparatur überlappter
Wicklungen sehr schwierig, wenn nicht unmöglich, da ein Satz Wicklungen
den anderen Satz Wicklungen vollständig umgibt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine elektrische Maschine mit Wicklungen
aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen umfasst
einen Stator mit mehreren zum Teil geschlossenen Statorschlitzen.
Ein erster Wicklungssatz ist in den Statorschlitzen angeordnet.
Der erste Wicklungssatz umfasst eine erste Mehrzahl Haarnadeln,
die eine erste Schicht von Leitern in den Statorschlitzen und eine
zweite Schicht Leiter in den Statorschlitzen bilden. Die erste Mehrzahl
Haarnadeln kann jeweils zwei Beine aufweisen, wobei jedes Bein ein
Beinende hat und jedes Beinende in eine gewünschte Konfiguration gebogen
wird, um benachbarte Beinenden zwischen der ersten Schicht Leiter
und der zweiten Schicht Leiter zu bilden. In den Statorschlitzen
ist auch ein zweiter Wicklungssatz angeordnet. Der zweite Wicklungssatz
umfasst eine zweite Mehrzahl Haarnadeln, die eine dritte Schicht Leiter
in den Statorschlitzen und eine vierte Schicht Leiter in den Statorschlitzen
bilden. Die zweite Mehrzahl Haarnadeln weist je zwei Beine auf,
wobei jedes Bein ein Beinende hat und jedes Bein in eine gewünschte Konfiguration
gebogen wird, um benachbarte Beinenden zwischen (i) der zweiten
Schicht Leiter und der dritten Schicht Leiter und (ii) der dritten
Schicht Leiter und der vierten Schicht Leiter zu bilden. Der zweite
Wicklungssatz wird durch Verbinden zumindest eines der benachbarten
Beinenden zwischen der zweiten Schicht Leiter und der dritten Schicht
Leiter mit dem ersten Wicklungssatz verbunden: Demgemäß können die
Wicklungssätze
einfach verbunden werden, wie z.B. durch die Verwendung einer Maschine
zur automatischen Verbindung von Haarnadelwicklungen.
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Die in den Statorschlitzen geschaffenen
Wicklungen sorgen auch für
verbesserte Skineffekte in der elektrischen Maschine. Gemäß einer
ersten Ausführungsform
alternieren Leiterschichten in alternierenden Schlitzen zwischen
verschiedenen Phasen. Die Leiterschichten in den verbleibenden Schlitzen
haben alle die gleiche Phase. Haarnadeln mit Beinen ungleicher Länge werden
verwendet, um die erste Ausführungsform
zu implementieren. Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
weisen Leiterschichten in alternierenden Schlitzen eine Phase für den ersten
Wicklungssatz und eine andere Phase für den zweiten Wicklungssatz
auf. Die Leiterschichten in den verbleibenden Schlitzen haben alle
die gleiche Phase. Haarnadeln mit Beinen gleicher Länge werden
verwendet, um die zweite Ausführungsform
zu implementieren.
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Um eine elektrische Maschine mit
Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen herzustellen,
werden rechtwinklige Kupferdrähte
auf erforderliche Längen
geschnitten und als "U-förmige" Haarnadeln
mit dem/der geeigneten Wicklungsschritt/Spanne vorgeformt. Die U-förmigen Haarnadelleiter
werden in rechtwinklige Schlitze des Schichtungsstapels der elektrischen
Maschine eingesetzt. Nach Einsetzen der Haarnadeln eines kompletten
Wicklungssatzes werden die offenen Schluß- bzw. Endwindungen in Vorbereitung auf
eine Wellenwicklungsverbindung gebogen. Die gleiche Prozedur wird
wiederholt, bis alle Wicklungssätze
installiert sind. Schließlich
werden die Verbindungspunkte zwischen "Haarnadeln" in Wellenwicklungen
mit einem der zwei parallelen Wegen pro Phase je nach dem Wicklungsentwurf
geschweißt.
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Demgemäß werden Wicklungen aus rechtwinkligen
Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen
geschaffen, die das Schlitzfüllverhältnis auf
bis zu 75% in der elektrischen Maschine mit halbgeschlossenen oder
geschlossenen Schlitzen erhöhen.
Dies ist für
Anwendungen bei Hybridfahrzeugen be sonders nützlich. Kombinieren von halbgeschlossenen
Schlitzen mit geringer Dicke rechtwinkliger Drähte (aufgrund eines Einführens von
Wicklungen mehrerer Sätze)
reduziert den Skineffekt, was einen Betrieb mit hohem Wirkungsgrad
sogar bei hoher Geschwindigkeit erlaubt. Überdies schaffen die Wicklungen
aus rechtwinkligen Haarnadeln in mehreren Sätzen eine elektrische Maschine
mit nebeneinanderliegenden Wicklungen, die für geringe Herstellungskosten
und geringe Wartungskosten sorgen. Die nebeneinanderliegenden Wicklungssätze sorgen
auch für Wicklungsanordnungen,
die Skineffekte weiter reduzieren. Diese Technologie kann erweitert
und für
andere elektrische Maschinen im Wechselstrombetrieb mit mehreren
Phasen (z.B. drei Phasen) verwendet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1(a) und 1(b) zeigen einen Vergleich rechtwinkliger
Drähte
(1(a)) und runder Drähte (1(b)) im Schlitz einer elektrischen Maschine
ist;
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2 zeigt
mit Übergängen versehene
Wicklungsstäbe,
wie sie in den Schlitzen großer
elektrischer Maschinen verwendet werden;
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3(a) zeigt
den Dreh- bzw. Verwindungsübergang
einer Endwicklung, die in gewissen großen elektrischen Maschinen
genutzt wird;
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3(b) zeigt
den Stator einer elektrischen Maschine, die eine "Haarnadel"-Wicklungstechnologie
mit Doppelschichtwicklungen und einer Ader pro Leiter/Schicht nutzt;
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4(a) zeigt
eine Haarnadelwicklung mit mehreren Adern, die in einigen elektrischen
Maschinen verwendet wird;
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4(b) zeigt
einen Prototyp einer elektrischen Maschine, die die Wicklung von 4(a) nutzt;
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5(a) zeigt
eine überlappende
Haarnadelwicklungsanordnung mit zwei Sätzen Wicklungen;
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5(b) zeigt
einen Stator, der mit der überlappenden
Wicklungsanordnung von 5(a) gewickelt ist;
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6(a), 6(b) und 6(c) zeigen
die Skineffektsequenz von hoch (6(a))
nach niedrig ((6(c)), in Abhängigkeit
von Leiteranordnungen in einem Schlitz;
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7(a), 7(b) und 7(c) zeigen
die Abfolge eines einzelnen Elements einer Wicklung aus rechtwinkligen
Kupferhaarnadeln von ihrer Gestalt vor einem Einsatz in einen Schlitz
(7(a)) zu ihrer Gestalt nach einem
Einsatz in einen Schlitz (7(c));
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8(a) zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Stators, der mit Wicklungen aus
rechtwinkligen Kupferhaarnadeln gewickelt ist, die aus zwei Wicklungssätzen bestehen,
wie man vom Einsatzende des Stators aus erkennt;
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8(b) zeigt
eine perspektivische Ansicht des Stators von 8(a),
vom Verbindungsende des Stators aus betrachtet;
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9 zeigt
die Endwindungsverbindungen einer Wicklungsphase für einen
Doppelwicklungssatz mit Haarnadelbeinen ungleicher Länge;
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10 zeigt
eine verteilte graphische Darstellung zweier Sätze Wicklungen aus rechtwinkligen
Kupferhaarnadeln für
den Doppelwicklungssatz von 9;
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11 zeigt
die Schluß-
bzw. Endwindungsverbindungen einer Wicklungsphase für einen
Doppelwicklungssatz mit Haarnadelbeinen gleicher Länge;
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12 zeigt
eine verteilte graphische Darstellung zweier Sätze Wicklungen aus rechtwinkligen
Kupferhaarnadeln für
den Doppelwicklungssatz von 11;
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13 zeigt
die Haarnadelverbindungspunkte und Phasenklemmanordnungen der 11 und 12;
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14 zeigt
einen Vergleich von Erzeugungskennlinien zwischen elektrischen Maschinen,
die Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen nutzen,
und einer elektrischen Maschine, die herkömmliche Wicklungen aus runden
Drähten
nutzt;
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15 zeigt
einen Vergleich von Wechselstrom-Phasenwiderständen zwischen elektrischen
Maschinen, die Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in
mehreren Sätzen
nutzen, und einer elektrischen Maschine, die herkömmliche
Wicklungen aus runden Drähten
nutzt;
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16 zeigt
einen Vergleich von Motorwirkungsgraden zwischen elektrischen Maschinen,
die Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen nutzen,
und einer elektrischen Maschine, die herkömmliche Wicklungen aus runden
Drähten
nutzt;
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17 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
benachbarter Beinenden, vom Verbindungsende des Stators aus betrachtet;
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18(a) zeigt
eine vergrößerte perspektivische
Ansicht der U-förmigen
Endwindungen nebeneinanderliegender Wicklungssätze, vom Einsatzende des Stators
aus betrachtet;
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18(b) zeigt
eine vergrößerte Draufsicht
der U-förmigen
Endwindungen von 18(a);
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19(a) – 19(c) zeigen ein Wicklungsschema für eine elektrische
Maschine mit Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren
Sätzen
mit Beinen ungleicher Längen;
und
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20(a) – 20(c) zeigen ein Wicklungsschema für eine elektrische
Maschine mit Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren
Sätzen
mit Beinen gleicher Längen.
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BESCHREIBUNG
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Wicklungsübersicht
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In 8(a) und 8(b) ist eine elektrische Maschine mit
darauf ausgebildeten Wicklungen aus rechtwinkligen Haarnadeln in
mehreren Sätzen
dargestellt. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator mit mehreren zum
Teil geschlossenen Schlitzen. Innerhalb der Schlitze des Stators
sind mehrere Leitersegmente angeordnet und bilden eine Mehrzahl
Wicklungssätze
auf dem Stator. Jeder der Wicklungssätze enthält eine Wicklung für Phase
A, eine Wicklung für
Phase B, und eine Wicklung für
Phase C. Die Wicklungssätze
sind auf dem Stator jeweils einander benachbart, wobei einer der
Wicklungssätze
einen inneren Wicklungssatz 50 bildet und der andere der
Wicklungssätze
einen äußeren Wicklungssatz 52 bildet.
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Jeder Wicklungssatz besteht aus mehreren,
hierin auch als "Haarnadeln" bezeichneten Leitersegmenten, die innerhalb
der Schlitze des Stators angeordnet sind. Mit Verweis auf 7 umfasst jede der mehreren Haarnadeln 30 eine
"U"-förmige
Schluß-
bzw. Endwindung 32 und zwei Beine 34. Jede der
mehreren Haarnadeln hat eine rechtwinkligen Querschnittform. Die
Beine der Haarnadeln werden in den Schlitzen des Stators mit je
einem Bein der Haarnadel in einem verschiedenen Statorschlitz angeordnet,
so dass die U-förmige Schluß- bzw.
Endwindung der Haarnadel sich über
mehrere Statorschlitze erstreckt (z.B. jede U-förmige Endwindung kann sich über sechs
Statorschlitze erstrecken). Jede in einen Statorschlitz eingesetzte
Haarnadel ist bezüglich
benachbarter Haarnadeln versetzt oder "verschachtelt". Wenn eine
Haarnadel vollständig
in die Schlitze des Stators eingesetzt ist, erstreckt sich die U-förmige Endwin dung 32 aus
einem Ende des Stators (dem Einsatzende), und die Beine erstrecken
sich aus dem gegenüberliegenden
Ende des Stators (d.h. dem Verbindungsende). Jeder gegebene Statorschlitz
enthält
mehrere Haarnadelbeine (z.B. 4), und jedes Haarnadelbein
wird als eine "Lage bzw. Schicht" innerhalb des Statorschlitzes
verwiesen. 6(a) zeigt einen Querschnitt
eines Statorschlitzes mit vier Schichten Leiter (d.h. Beinen) im
Statorschlitz. Auf die Schichten wird hierin als die innerste Schicht
(d.h. die dem Hals des Schlitzes nächstgelegene Schicht) verwiesen,
die Schicht 1 ist, und die äußerste Schicht (d.h. die vom
Hals des Schlitzes am weitesten entfernte Schicht), die Schicht 4 ist.
Auf dem Abschnitt jedes innerhalb eines Statorschlitzes befindlichen
Beines ist eine Isolierung 38 vorgesehen, um eine elektrische
Verbindung zwischen den Beinen in verschiedenen Schichten des gleichen
Statorschlitzes zu verhindern. Die Isolierung 38 kann alternativ
dazu die Form einer Schlitzisolierung aufweisen, die innerhalb jedes
Schlitzes und zwischen Leitern vorgesehen ist.
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Der Abschnitt der Haarnadelbeine,
der sich aus den Statorschlitzen erstreckt, wird in eine gewünschte Konfiguration
gebogen. Um eine Wicklungshöhe
zu reduzieren, werden die Beine auf alternierenden Schichten in
entgegengesetzte Richtungen gebogen (d.h. die Beine auf Schicht
Eins werden in der gleichen Richtung im Gegenuhrzeigersinn gebogen,
und die Beine auf Schicht Zwei werden in der entgegengesetzten Richtung
im Uhrzeigersinn gebogen). Die Anzahl Statorschlitze, über die
jedes Bein gebogen ist, wird von der Konstruktion der elektrischen
Maschine bestimmt (z.B. kann jedes Bein über drei Schlitze gebogen sein,
so dass die Haarnadel von Ende zu Ende in Wellenwicklungen über insgesamt
zwölf Schlitze
verläuft,
falls die Endwindung jeder Seite sich über sechs Schlitze erstreckt). 17 zeigt eine Nahaufnahme
einer typischen Anordnung der Enden der Haarnadelbeine, die sich
aus den Statorschlitzen erstrecken. Wie in 17 gezeigt ist, sind die Beine so gebogen,
dass jedes Beinende 36 einem anderen Beinende benachbart
angeordnet ist. Dies erlaubt, dass eine elektrische Verbindung zwischen
jedem benachbarten Haarnadelbein einfach eingerichtet wird. Insbesondere
wird, wenn alle Haarnadelbeine einmal in den Stator eingesetzt und
gebogen sind, eine automatisierte Verbindungsvorrichtung genutzt,
um Beine zusammenzuschweißen.
Zum Beispiel können
benachbarte Beine 36(a) und 36(b) zusammengeschweißt werden,
und benachbarte Beine 36(c) und 36(d) können zusammengeschweißt werden. Ähnliche
Schweißungen
können
für andere
benachbarte Beine um den Stator herum vorgenommen werden. Die automatische
Verbindungsvorrichtung kann auch eine Isolierung liefern, die die
Enden der Beine bedeckt, um elektrische Kurzschlüsse zwischen zwei nahegelegenen
Beinen zu verhindern, die nicht verbunden werden sollen. Der Ausdruck
"benachbarte Beinenden" wird hierin verwendet, um auf zwei Haarnadelbeinenden
von verschiedenen Haarnadeln zu verweisen; die einander unmittelbar
benachbart sind (wie z.B. die Beinenden 36(a) und 36(b)
und die Beinenden 36(c) und 36(d) von 17), wenn die Beine in die korrekte Anordnung
im Statorkern gebogen sind. Nicht benachbarte Beinenden sind alle
Beinenden, die nicht benachbarte Beinenden sind (z.B. Beinenden,
die einander diagonal gegenüberliegen,
wie z.B. die Beinenden 37(c) und 36(d) von 17, und Beinenden, die mehrere
Positionen entfernt sind, wie z.B. Beinenden 36(d) und 39(d) von 17). Dieser Abschnitt der
Statorwicklung, der sich über
den Statorkern erstreckt, bildet den Wicklungskopf 44.
-
Auf der gegenüberliegenden Seite des Stators
von den Beinenden der Haarnadeln erstrecken sich die U-förmigen Endwindungen
der Haarna deln aus den Statorschlitzen. 18 zeigt
eine Nahaufnahme der U-förmigen Endwindungen
der Haarnadeln, die sich aus den Statorschlitzen erstrecken. Wie
in 18 gezeigt ist, bilden die U-förmigen Endwindungen
(i) einen inneren Wicklungssatz 50, der eine erste Gruppe
Endwindungen umfasst, und (ii) einen äußeren zweiten Wicklungssatz 52,
der eine zweite Gruppe Endwindungen umfasst, die auf der Außenseite
der Statorschlitze angeordnet ist. Die Wicklungssätze überlappen
einander nicht (d.h. die U-förmigen Endwindungen
von verschiedenen Wicklungssätzen überlappen
einander nicht), aber stattdessen liegen die Wicklungssätze "nebeneinander"
(d.h. sind konzentrisch zueinander so angeordnet, dass die U-förmigen Endwindungen nicht überlappen).
Die nicht überlappenden
U-förmigen Endwindungen des
inneren Wicklungssatzes und des äußeren Wicklungssatzes
ermöglichen,
dass die in 19 und 20 dargestellten
Wicklungsschemata realisiert werden. Wie im folgenden ausführlicherbeschrieben
wird, sorgt jedes dieser Wicklungsschemata für Wicklungen der elektrischen
Maschine mit hohem Schlitzfüllverhältnis, geringen Skineffekten,
geringen Herstellungskosten und geringen Wartungskosten.
-
Wickiungsentwurf
zum Berücksichtigen
des Skineffekts
-
Wie oben beschrieben wurde, sind
zwei oder mehr doppellagige Wicklungssätze nebeneinander in Ankerschlitzen
eingebettet (was zumindest einen inneren und einen äußeren Wicklungssatz
erzeugt). Die Wicklungsspulen sind mit rechtwinkligen Kupferhaarnadelleitern
hergestellt. Die Anzahl Wicklungssätze hängt von der erforderlichen
Dicke des rechtwinkligen Leiters ab, um den Anforderungen der Systemspannung
und des geringen Skineffekts zu genügen. Eine konservative Daumenregel,
um die Dicke h jedes Leiters in einem Schlitz zu bestimmen, ist:
wo m die Anzahl Leiter in
der Richtung der Schlitzhöhe
ist (d.h. Distanz vom äußeren Umfang
eines Schlitzes zum inneren Umfang eines Schlitzes, wo die Öffnung beginnt);
d die Eindringtiefe einer elektromagnetischen Welle ist, gegeben
in Gleichung (1); und die anderen Variablen und Konstanten die gleichen
wie oben für
Gleichung (1) vorgesehen sind. Betrachtet man die Herstellungskosten
und Komplexität
sind
2 bis
3 Sätze
Wicklungen (mit einem Maximum von
4 Wicklungssätzen trotz
einer theoretisch unbegrenzten Anzahl Wicklungssätze) bei der Herstellung von
Wechselstromwicklungen praktischer.
-
Es wurde bestimmt, dass Leiter in
einem verschiedene Phasenströme
führenden
Schlitz geringere Skineffekte in doppellagigen Wicklungen als diejenigen
Leiter in einem Schlitz erzeugen, die alle die gleichen Phasenströme führen. 6 zeigt mehrere verschiedene Konfigurationen
von Leiteranordnungen/Phasenströmen
für einen
zwei Wicklungssätze
aufnehmenden Schlitz. Die Sequenz von Skineffekten in der Reihenfolge
von Hoch nach Niedrig in 6 verläuft von 6(a) nach 6(c).
Mit anderen Worten erzeugt die in 6(a) dargestellte
Anordnung stärkere
Skineffekte als die Anordnung von 6(b),
und die Anordnung von 6(b) erzeugt
stärkere
Skineffekte als 6(c). Folglich ist
es vorteilhaft, eine Wicklungskonfiguration herzustellen, bei der
möglichst
viele Schlitze der Anordnung von 6(b) oder 6(c) ähneln,
wobei 6(c) die vorteilhafteste Anordnung
ist.
-
Basierend auf 6 läge der Wicklungsschritt
Y1 in der Wechselspannungswicklung mit drei
Phasen besser innerhalb von (1/3)τ < Y1 ≤ (2/3)τ, wo τ der Polabstand
in den Schlitzen ist. Unglücklicherweise
ist die Kupferausnutzung von Wechselstromwicklungen bei einem Wicklungsschritt
wie z.B. Y1 < (2/3)τ sehr niedrig. Aus praktischen
Gründen
wird der Wicklungsschritt (2/3)τ < Y1 < 1 in den meisten
hocheffizienten elektrischen Maschinen genutzt. Wie in 19 und 20 gezeigt
ist, wird hierin gleichfalls ein Wicklungsschritt von Y1 < (2/3)τ verwendet,
um die beispielhaften Wicklungskonfigurationen zu beschreiben, die
Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen nutzen,
während
für einen
geringeren Skineffekt gesorgt wird.
-
Verfahren zum Herstellen
von Wicklungen
-
Die folgenden Verfahrensschritte
werden bei der Herstellung von in 19 und 20 dargestellten Wicklungen genutzt, die
Wicklungen aus rechtwinkeligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen mit
geringeren Skineffekten liefern.
-
- (A) Zunächst
wird der rechtwinklige Kupferdraht in Elemente geschnitten. Es sollte
besonders erwähnt
werden, dass aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser der Anordnungen
von Wicklungssätzen
die Länge
von Elementen des inneren Wicklungssatzes von der Länge der
Elemente des äußeren Wicklungssatzes
geringfügig verschieden
ist. Es gibt auch zwei Elemente mit kürzeren Wickelschritten (ein
Schlitz kürzer,
verglichen mit den anderen) pro Phase pro Wicklungssatz, falls die
Wicklungen in Wellenwicklungen verbunden werden.
- (B) Je nach den Wickelschrittanforderungen werden die rechtwinkeligen
Drähte
in U-Formen gebogen, wie in 7(a) dargestellt
ist. Da die Dicke jedes Drahtes in Richtung der Schlitzhöhe durch
Erhöhen
der Anzahl von Wicklungssätzen
reduziert ist, kann die verdrehte Schluß- bzw. Endwindung in 7(a) durch eine flache gebogene Endwindung
ersetzt werden, was die Fertigungskomplexität reduzieren kann. Tatsächlich kann,
wie unten beschrieben wird, die Länge der U-förmigen Haarnadelbeine je nach
praktischen Anforderungen gleich oder ungleich sein.
- (C) Der U-förmige
rechtwinklige Draht ist durch ein rechtwinkliges Isolierungsrohr
oder einhüllende
Isolierung (engl. bounding insulation) isoliert, wie in 7(b) dargestellt ist. Die Rohrisolierung
kann jedoch eliminiert werden, falls eine herkömmliche Schlitzisolierung genutzt
wird (z.B. Schlitzverkleidungen und/oder ein vorhandenes Drahtemaille,
das die geeignete Isolierung für
den Spannungskennwert der elektrischen Maschine schafft).
- (D) Alle Leiterelemente eines kompletten Wicklungssatzes werden
in die Statorschlitze eingesetzt. Im allgemeinen wird der innere
Satz oder oberste Satz (d.h. ein Satz am oberen Ende des Schlitzes)
zuerst eingesetzt.
- (E) Die Beine aller U-förmigen
Haarnadeln werden mit einer automatischen Biegemaschine in eine
"Froschform" (engl. frog-shape) gebogen. Typischerweise wird eine
Schicht Beine in Richtung des Uhrzeigersinns gebogen, und die benachbarte
Schicht wird in Richtung des Gegenuhrzeigersinns gebogen. Ein aus
den Schlitzen entferntes gebogenes Haarnadelelement ist in 7(c) dargestellt.
- (F) Die obigen Verfahren (D) und (E) werden für den Rest
der Sätze
wiederholt, bis die Wicklungssätze
alle auf dem Stator angeordnet sind. In 8 ist
eine Haarnadelwicklung mit zwei Sätzen dargestellt.
- (G) Schließlich
werden Verbindungen zwischen den Beinenden hergestellt, um die Endwindungen
der Wicklungen zu vervollständigen
und die Verbindungen gemäß dem Wicklungsschema
herzustellen. Die meisten der erforderlichen Verbindungen liegen
zwischen benachbarten Beinenden vor. Einige der Verbindungen erfordern jedoch
Jumper.
-
Verbindungen
von Endwindungen
-
Schluß- bzw. Endwindungen werden
genutzt, um die effektiven Segmente von Elementen in Schlitzen zu
verbinden. Um Widerstandsverluste und Streuverlust zu reduzieren,
ist es erforderlich, dass die Endwindungen möglichst kurz gehalten werden.
Der verfügbare
Montagerahmen am Fahrzeug begrenzt ebenfalls die Gesamtlänge der
elektrischen Maschine, so dass kürzere
Endwindungen bevorzugt werden. Verglichen mit einem aus Adern bestehenden
Leiter, wie z.B. dem in 4 dargestellten,
ist die Wicklung aus rechtwinkeligen Haarnadeln in mehreren Sätzen beim
Verkürzen
der Endwindungen vorteilhaft. Ein zusätzlicher Vorteil ist die Wärmeableitung
durch den Statorstapel (z.B. geschlossene Luftkühlung, indirekte Flüssigkeitskühlung etc.). Umgekehrt
werden Schluß-
bzw. Endwindungen verwendet, um Wärme in der Wicklung abzuführen, falls
eine direkte Ölkühlung oder
ein offen zirkulierendes Luftkühlungssystem
verwendet wird. Die Endwindungen müssen für die erwünschte Wärmeabführung genug Oberfläche und
Zwischenraum zwischen Leitern haben. Eine vernünftige Länge einer Endwindung wird gemäß elektrischen
und thermischen Anforderungen sowie physikalischen Beschränkungen
der Endwindungslänge
gewählt.
-
Im Gegensatz zur Endwindungslänge tragen
die Jumper oder Verbindungen zwischen Polen, Wicklungssätzen, Phasen,
Wegen etc. nicht viel zur Maschinenkühlung bei, so dass die Länge möglichst
kurz gehalten wird. Um die Anzahl derartiger Verbindungen zu reduzieren,
ist eine wellenförmige
Wicklung besser als eine schleifenförmige. Die folgenden Verfahren
zur Verbindung von Endwindungen liefern signifikante Vorteile.
-
(i) Rechtwinkelige Haarnadeln
mit ungleichen Beinen
-
Gemäß der Wechselstrom-Wicklungstheorie
sollte, um MMF-Harmonische mit niedriger Ordnung (hauptsächlich 5.
und 7.) zu reduzieren, der "erste Wickelschritt" der Wicklungen
(z.B. Y1, die Anzahl Schlitze zwischen Beinen,
die durch die U-förmige
Schluß-
bzw. Endwindung verbunden sind, der "Wicklungsschritt") möglichst
nahe bei (5/6)τ liegen
(wobei τ der
Polschritt in Schlitzen ist). Dies bewirkt, dass der Abstand bzw. Schritt
von Verbindungen zwischen Wicklungssätzen nahe bei (4/3)τ liegt, während der
"zweite Wickelschritt" (d.h. Y2, der zweite
Schritt von Wicklungen und insbesondere die Anzahl Schlitze zwischen
Leitern, die an ihren Beinenden verbunden sind, der "Verbindungsschritt")
innerhalb eines Wicklungssatzes nahe bei (7/6)τ liegt. Um die obige Wickelschrittanordnung
unter Verwendung von Haarnadeln mit Beinen gleicher Länge zu erreichen,
müssen
die Verbindungen zwischen Wicklungssätzen in einer axialen Richtung
erweitert werden, wodurch die Gesamtlänge der Maschine vergrößert wird.
Mit anderen Worten erfordern die Verbindungen zwischen Wicklungssätzen eine
Verbindung zwischen nicht benachbarten Beinen den, und solche Verbindungen erfordern
ein Verbinden mit Jumper, das die Höhe des Wicklungskopfes erhöht. Die
Verwendung von Haarnadeln mit Beinen ungleicher Länge kann
jedoch vermeiden, daß die
Verbindungen zwischen Wicklungssätzen in
der axialen Richtung verlängert
werden müssen.
-
Als ein Beispiel des obigen Sachverhaltes
betrachte man eine Dreiphasen-Wechselstromwicklung
mit zwei Sätzen
mit 10 Polen und 60 Schlitzen, wie z.B. die in 19 dargestellte. Ein detaillierter Blick
auf die Jumper der Schlußwindungen
und einige Verbindungen, die für
Phase A dieser Anordnung erforderlich sind, ist in 9 gezeigt. In diesem Beispiel sind die
Schichten vom oberen Ende zum Boden eines Schlitzes als die 1. bis
4. definiert. Die 1. und 2. Schichten bestehen aus einem Wicklungssatz 1,
während
die 3. und 4. Schichten aus einem Wicklungssatz 2 bestehen.
Die über
den Leiterschichten übereinander
gelegten Linien zeigen die Verbindungen zwischen Beinenden von Haarnadeln
auf dem Verbindungsende des Stators. Die leeren Rechtecke repräsentieren
Phase A, die geschwärzten
Rechtecke repräsentieren
Phase B, und die gestreiften Rechtecke repräsentieren Phase C. Natürlich werden
auch die Leiterschichten durch die U-förmigen Schlußwindungen
am Einsatzende des Stators verbunden, aber diese Verbindungen sind
der Klarheit halber in 9 nicht
vorgesehen. Der erste Schritt Y1 der Wicklungen
(Haarnadelschritt) beträgt 5 (dies
ist die Anzahl Schlitze, die die U-förmigen Schlußwindungen überspannen).
Beispielsweise bei Schicht 4 in Schlitz 4 beginnend
und der gepunkteten Referenzlinie 100 zur Schicht 3 von
Schlitz 9 folgend kann man erkennen, dass sich diese Verbindung über 5 Schlitze
erstreckt. Der zweite Schritt Y2 der Wicklungen
(Haarnadelverbindung innerhalb eines Satzes) beträgt 7.
Beginnend bei Schicht 3 in Schlitz 9 beispielsweise
und der Referenzlinie 102 zur Schicht 4 von Schlitz 16 folgend
kann man erkennen, dass diese Verbindung sich über 7 Schlitze erstreckt.
Es sollte auch besonders erwähnt
werden, dass es 2 Verbindungen pro Satz pro Phase gibt, die einen
um einen Schlitz kürzeren
Y2 aufweisen (z.B. beginnend bei Schicht 3 in
Schlitz 57 und endend bei Schicht 4 in Schlitz 3,
wie durch Referenzlinie 104 dargestellt ist, beträgt der zweite
Wicklungsschritt statt 7 nur 6). Der Verbindungsschritt
zwischen Wicklungssätzen 1 & 2 beträgt 8 (z.B.
wie durch Referenzlinie 108 dargestellt ist, beginnend
bei Schicht 3 in Schlitz 4 und endend bei Schicht 2 in
Schlitz 10).
-
Um alle rechtwinkeligen Haarnadeln
in einer Ebene der axialen Länge
zu verbinden, müssen
die Enden von zwischen Wicklungssätzen zu verbindenden Haarnadelbeinen
miteinander ausgerichtet werden (d.h. benachbarte Beinenden). Um
benachbarte Beinenden gemäß dem Wicklungsschema
der 9 und 19 zu erreichen, sind Haarnadelbeine mit
ungleicher Länge
erforderlich. Demgemäß werden
alle Beine in der 1. Schicht in 9 und 19 (d.h. die innerste Schicht bezüglich 8(b)) über 3 Schlitze
im Gegenuhrzeigersinn gebogen, während
Beine bei der 2. Schicht (Ausnahme eines kürzeren Y2 zwischen
Haarnadeln) im Uhrzeigersinn über 4 Schlitze
gebogen werden. Für
den Wicklungssatz 2 werden Beine bei Schicht 3 (außer kürzerer Y2 zwischen Haarnadeln) über 4 Schlitze im
Gegenuhrzeigersinn gebogen, während
alle Beine bei Schicht 4 über 3 Schlitze im
Uhrzeigersinn gebogen werden. Auf diese Weise liegen alle wie in 19 dargestellt herzustellenden Verbindungen
von Schlußwindungen
zwischen benachbarten Beinenden (mit Ausnahme der einen Jumper-Verbindung
zwischen FA3 und FA4),
einschließlich
der Verbindungen zwischen Wicklungssätzen von Schicht 2 zu
Schicht 3 (d.h. der Ver bindungen zwischen FA2 und
SA4, bezeichnet durch Referenzlinie 106, und
der Verbindung FA1 und SA
3, bezeichnet durch die Referenzlinie 108).
Da die Verbindungen zwischen benachbarten Beinenden durch eine automatische
Verbindungsmaschine hergestellt werden können und Jumper oder andere
verlängerte
Verbindungen nicht erforderlich sind, können die erforderlichen Verbindungen
zwischen den Haarnadeln ohne Vergrößern der Gesamtlänge der
elektrischen Maschine hergestellt werden.
-
Das Biegen und Verbinden ist als
verteilte graphische Darstellung in 10 gezeigt,
die das Wicklungsschema für
Phase A für
die Schlitze 52-16 zeigt. Wie oben bemerkt wurde, entspricht
ein Verbinden von FA2 mit Sao in 10 der Verbindung zwischen
Wicklungssätzen,
die bei Schicht 3 in Schicht 56 beginnen und bei
Schicht 2 in Schlitz 4 enden. Ein Verbinden von
FA1 mit SA
3 in 10 entspricht
der Verbindung zwischen Wicklungssätzen, die bei Schicht 3 in
Schlitz 2 beginnen und bei Schicht 2 in Schlitz 10 enden.
Um den Wicklungssatz zu vervollständigen, wird die gleiche Prozedur
zum Verbinden von Haarnadeln in Phasen B und C wie in Phase A wiederholt.
Die beiden Sätze
von Wicklungen aus rechtwinkeligen Haarnadeln werden schließlich in
einen Weg pro Phase und eine Y-Verbindung von drei Phasen verbunden.
Die in 19 gezeigte Wicklungsanordnung
liefert nicht nur die Vorteile reduzierter Harmonischer, die mit
der Wicklung mit kurzem Wickelschritt verbunden sind, sondern sorgt
auch für
eine Verbindung zwischen nebeneinanderliegenden Wicklungssätzen unter
Verwendung benachbarter Beinenden. Indem für eine einfache Verbindung
zwischen Haarnadeln einschließlich
einer einfachen Verbindung zwischen Wicklungssätzen über benachbarte Beinenden gesorgt wird,
muß die
Gesamtlänge
der elektrischen Maschine nicht vergrößert werden.
-
Außerdem sind nur drei Jumper
für den
kompletten, in 19 dargestellten Wicklungssatz
erforderlich.
-
Ein anderer signifikanter Vorteil
der in 19 gezeigten Wicklungsanordnung
(Haarnadelverbindungen unter Verwendung von Haarnadeln mit ungleichen
Beinen) ist eine Anzahl Schlitze mit unterschiedlichen Phasenströmen. Wie
vorher diskutiert wurde, wird aufgrund der Anordnung der Phasenleiter
ein geringer Skineffekt in Schlitzen mit unterschiedlichen Phasenströmen verwirklicht.
Zum Beispiel reduzieren die Leiter, die Ströme der Phasen A, B, A, B in
Schlitz 8 von 9 führen, die
Skineffekte, wie oben mit Verweis auf 6(c) erläutert wurde.
Wie am besten in 9 dargestellt
ist, liefert die Wicklungsanordnung von 19 reduzierte Skineffekte,
da die Leiteranordnungen in allen ungeradzahligen Schlitzen diejeinige
von 6(c) ist. Insbesondere die erste
und zweite Schicht (d.h. die im ersten Wicklungssatz enthaltenen
Leiter) in allen geradzahligen Schlitzen führen unterschiedliche Phasenströme, und
die dritte und vierte Schicht (d.h. die im zweiten Wicklungssatz
enthaltenen Leiter) in allen geradzahligen Schlitzen führen ebenfalls
unterschiedliche Phasenströme,
wobei das Muster der Phasenströme
in den Schichten Eins und Zwei das gleiche wie das Muster von Phasenströmen in den
Schichten Drei und Vier ist. Gleichzeitig führen alle Schichten in den
ungeradzahligen Schlitzen den gleichen Phasenstrom (die Ausdrücke "geradzahlige
Schlitze" und "ungeradzahlige Schlitze " werden hierin verwendet,
um auf alternierende Schlitze zu verweisen. Die Wahl der Schlitznummerierung
ist eine Konstruktionswahl, und die Ausdrücke "geradzahlige Schlitze"
und "ungeradzahlige Schlitze" sollen keinen anderen beschränkenden
Zweck haben, als auf alternierende Schlitze zu verweisen). Demgemäß wechselt
die Leiteranordnung in jedem Schlitz des in 19 gezeigten
Wicklungsschemas zwischen der in 6(a) gezeigten
Konfiguration und der in 6(c) gezeigten
Konfiguration. Der verbesserte Skineffekt in den geradzahligen Schlitzen
minimiert den Skineffekt in den Wicklungen, wie vorher bezüglich 6(c) beschrieben wurde.
-
(ii) Haarnadeln mit gleichen
Beinen für
eine gerade Anzahl Wicklungssätze
-
Falls die Anzahl von Wicklungssätzen gerade
ist, wie z.B. 2 oder 4 etc. (und besonders für 2 Sätze), kann
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung implementiert werden, bei der der kurze Wickelschritt
zur Reduzierung von Harmonischen umgesetzt wird, indem die geeignete
Anzahl Schlitze zwischen Sätzen
der Wicklungen mit vollem Wickelschritt verschoben bzw. geshifted
wird. Dies bietet eine Möglichkeit,
Haarnadeln mit gleichen Beinen herzustellen, während die Harmonischen noch
unterdrückt
werden. In dieser Ausführungsform
sind alle rechtwinkeligen Haarnadeln mit Beinen gleicher Länge und
vollen Wickelschritten bzw. Durchmesserwicklungen (engt. full pitches)
innerhalb jedes Wicklungssatzes, außer 2 Haarnadeln/Spulen pro
Phase, mit einem kurzen Wickelschritt (d.h. τ – 1) in jedem Wicklungssatz
aufgrund der Merkmale einer Wellenwicklung ausgebildet. Die Verschiebung
bzw. der Shift der Ausrichtungslage zwischen Wicklungssätzen wird als
etwa (1/6)τ genommen,
um die 5. und 7. Harmonischen zu unterdrücken, oder (1/ν)τ, um die ν-te Harmonische
zu eliminieren.
-
Als ein Beispiel betrachtet man wieder
eine Dreiphasen-Wechselstromwicklung in zwei Sätzen mit 10 Polen und 60 Schlitzen,
wie z.B. die in 20 gezeigte. Ein detaillierter
Blick auf die Jumper der Schlußwindungen
und einige Verbindungen, die für
Phase A dieser Anordnung erforderlich sind, ist in 11 und 12 dargestellt.
In diesem Beispiel sind die Schichten vom oberen Ende bis zum Boden
eines Schlitzes als die 1. bis 4. definiert. Die 1. und 2. Schicht
bestehen aus einem Wicklungssatz 1, während die 3. und 4. Schicht
aus einem Wicklungssatz 2 bestehen. Alle Haarnadeln haben
gleiche Beinlängen
(mit Ausnahme der Beine von zwei Haarnadeln pro Phase pro Satz,
wie oben erwähnt
wurde), und jedes Bein ist über
drei Schlitze gebogen. Der zweite Schritt Y2 (Verbindungsschritt
innerhalb eines Satzes) beträgt
sechs Schlitze, wie mit Schicht 1 von Schlitz 9 beginnend
und Referenznummer 114 zu Schicht 2 von Schlitz 15 folgend
dargestellt ist. Der erste Schritt (Haarnadelschritt) beträgt ebenfalls 6 Schlitze.
Es sollte auch besonders erwähnt
werden, dass es 2 Verbindungen pro Satz pro Phase gibt, die einen
um einen Schlitz kürzeren
Y2 aufweisen (z.B. beginnend bei Schicht 3 in
Schlitz 58 und endend bei Schicht 4 in Schlitz 3,
wie durch eine Referenzlinie 116 dargestellt ist, beträgt der zweite
Wicklungsschritt statt 6 nur 5). Der Verbindungsschritt
bzw. -abstand zwischen Wicklungssätzen 1 & 2 beträgt 6 (z.B.
wie durch Referenzlinie 110 dargestellt ist, beginnend
bei Schicht 3 in Schlitz 57 und endend bei Schicht 2 im
Schlitz 3). Verbindungen zwischen FA2 & SA4 110 und
FA
1 & SA3 112 in 12 und 20 werden
einfach hergestellt, weil die Verbindung zwischen benachbarten Beinenden
zwischen der zweiten und dritten Schicht hergestellt wird. Der Reihenweg
unter Nordpolen und der Weg unter Südpolen sind je nach Entwurf
in einem oder zwei Wegen verbunden. In diesem Beispiel ergibt eine
Verbindung von FA4 & FA3 unter Verwendung
von Jumpern einen Reihenweg pro Phase.
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Vergleicht man 11 und 12 mit 9 und 10, zeigt die Kombination von zwei Wicklungssätzen mit Haarnadelspulen
mit vollem Wickelschritt bzw. Durchmesserwicklung in 11 und 12 die gleichen Wicklungsfak toren für sowohl
Grund- als auch Oberschwingungen wie die Kombination von zwei Wicklungssätzen mit
Haarnadelspulen mit kurzem Wickelschritt in 9 und 10.
Bezüglich
entweder MFF oder einer Haupt-EMF sind die Haarnadelwicklungen mit
vollem Wickelschritt und gleichen Beinen nahezu äquivalent den Haarnadelwicklungen
mit kurzem Wickelschritt und ungleichen Beinen. Die Haarnadeln mit
gleichen Beinen haben die kürzere
Länge von
Schlußwindungen
als Haarnadeln mit ungleichen Beinen. Es sollte jedoch besonders
erwähnt
werden, dass dieser Vorteil einen Kompromiß mit einem geringfügig höheren Skineffekt
in Träger
unterschiedlicher Phasenströme
enthaltenden Schlitzen darstellt, da die Kombination von Phasenleitern
für die
Haarnadeln mit gleichen Beinen in Schlitzen mit Trägern unterschiedlicher
Phasenströme
zu dem in 6(b) gezeigten Typ gehört. Insbesondere
tragen die ersten zwei Schichten (d.h. die im ersten Wicklungssatz
enthaltenen Leiter) in allen geradzahligen Schlitzen einen ersten
Phasenstrom, der von dem in den Schichten Drei und Vier (d.h. den
im zweiten Wicklungssatz enthaltenen Leitern) getragenen Phasenstrom
verschieden ist. Gleichzeitig tragen alle Schichten in den ungeradzahligen
Schlitzen den gleichen Phasenstrom. Demgemäß alterniert die Leiteranordnung
zwischen der in 6(a) gezeigten Konfiguration
und der in 6(b) gezeigten Konfiguration.
Der verbesserte Skineffekt in den geradzahligen Schlitzen ist nahezu
gleich demjenigen, der in der obigen Ausführungsform mit ungleichen Beinlängen realisiert
wird.
-
Da kleine und mittelgroße elektrische
Maschinen typischerweise halb geschlossene Schlitze nutzen, werden
Haarnadelwicklungen verwendet, um die oben beschriebenen Wicklungskonfigurationen
zu erreichen (halb geschlossene Schlitze sind auch vorteilhaft,
wie vorher erwähnt
wurde). Der Einfachheit halber ist in 9-12 nur ein Abschnitt des
Wicklungs satzes für
Phase A dargestellt, aber die vollständige Wicklungsanordnung für Phasen
A, B und C wird in 19 und 20 geliefert.
-
Die Verwendung einer Kombination
eines Verschiebungs- bzw. Shift-Winkels/Schlitzes
zwischen Paaren von Wicklungssätzen
kann verschiedene äquivalente
kurze Wickelschritte erzeugen. Als ein Beispiel können 4 Sätze mit
Wicklungen mit vollen Wickelschritt bzw. Durchmesserwicklung in
zwei Gruppen Wicklungen mit zwei Sätzen zerlegt werden. Falls
der Shift-Winkel zwischen den beiden Sätzen in der ersten Gruppe (1/9)τ beträgt, während der
Shift-Winkel zwischen zwei Sätzen
in der zweiten Gruppe (2/9)τ beträgt, beträgt der äquivalente
Wicklungsschritt der Wicklungen mit 4 Sätzen (7,5/9)τ, was eine
Unterdrückung
sowohl der 5. als auch 7. Harmonischen bzw. Oberschwingungen liefert,
was besser ist als die Verwendung eines Wicklungsschrittes von (7/9)τ oder (8/9)τ. Dieses
Verfahren liefert mehr Flexibilität beim Wählen von Wicklungsschritten,
was bei traditionellen doppellagigen Wicklungen nicht erreichen
werden kann.
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Die obigen Beschreibungen mit Verweis
auf 9-12 und 19 und 20 haben nur zwei Sätze von Wicklungen aus rechtwinkeligen
Kupferhaarnadeln einbezogen, um die Beschreibung zu vereinfachen.
Alternative Ausführungsformen
können
jedoch natürlich
mehr als zwei Sätze
von Wicklungen enthalten.
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(iii) Trennung von Haarnadelverbindungen
mit Phasenklemmverbindungen
-
Die Phasenklemmverbindungen und die
Haarnadelverbindungen liegen herkömmlicherweise am gleiche Ende
des Ankerstapels, wie in 3(b) und 8(b) dargestellt ist. Diese Anordnungen
beeinflussen nicht die Herstellungsprozeduren beim Herstellen manueller
Schweißverbindungen.
Es ist jedoch schwierig, alle Verbindungspunkte bei einem automatischen
Schweißen
durch mechanische Arme zu schweißen, weil die längeren Phasenklemmdrähte im Weg
sind. Folglich ist es hilfreich, die Haarnadelverbindungen von Phasenklemmverbindungen
zu trennen, d.h. die Haarnadelverbindungen sind an einem Ende des
Ankerstapels angeordnet, und alle Phasenklemmverbindungen befinden
sich auf dem anderen Ende des Ankerstapels. Als Folge werden alle
Verbindungspunkte gleichmäßig und
geschickt bei der gleichen axialen Ebene auf dem Haarnadelverbindungsende
des Ankers platziert, was den Schweißprozeß durch mechanische Arme automatisch
einfacher durchführen
lässt.
Gleichzeitig sind die Verbindungspunkte in der radialen Richtung
auf dem anderen Ende des Ankers nicht übereinander ausgerichtet bzw.
justiert, so dass die möglichen
Kurzschlüsse
zwischen Schweißpunkten
vermieden werden. Im Gegensatz zu den Phasenklemmanschlüssen, die
zwischen Haarnadeln wie in 5(b) gezeigt
herauskommen, kommen die Phasenklemmanschlüsse entweder aus dem Innendurchmesser
oder dem Außendurchmesser
der gesamten Schlußwindungen
heraus.
-
Um die Anordnung von Haarnadelverbindungen
und Phasenklemmanschlüssen
deutlicher zu zeigen, sind die Wicklungen in den Beispielen der
11 und
12 in
13 erneut
gezeichnet, wobei alle Phasen dargestellt sind. Die rechtwinkeligen
Kupferhaarnadeln sind von einem Ende des Ankers aus in den Schlitz
eingesetzt, während
die Verbindungspunkte, die aus gebogenen rechtwinkeligen Haarnadelbeinen
bestehen, an der Oberseite der geteilten Wicklungszeichnung jedes
Satzes in
13 liegen.
Die Phasenklemmanschlüsse und
Verbindungen der beiden Sätze
(
4 Schich ten Spulenseiten auf jedem Schlitz) in den Wicklungen
aus rechtwinkeligen Kupferhaarnadeln werden wie folgt beschrieben:
Phase A: | (I) Verbinde FA1 der
Schicht 3 mit SA3 der Schicht 2 (II) Verbinde
FA2 der Schicht 3 mit SA4 der
Schicht 2 |
Phase B: | (I) Verbinde FB1 der
Schicht 3 mit SB3 der Schicht 2 (II) Verbinde
FB
2 der Schicht
3 mit SB4 der Schicht 2 |
Phase C: | (I) Verbinde FC1 der
Schicht 3 mit SC3 der Schicht 2 (II) Verbinde
FC2 der Schicht 3 mit SC4 der
Schicht 2 |
-
In diesem Beispiel sind drei Phasenwicklungen
in einem Reihenweg pro Phase mit einer Y-Verbindung der drei Phasen
verbunden. FA3 & FA4 von
Phase A, FB3 & FB4 von
Phase 4 und FC2 & FC4 von
Phase C sind jeweils in Reihe geschaltet. SA1,
SB2 und SC2 sind
mit dem Mittelleiter verbunden. SA2, SB
1 und SC1 sind
für drei Phasenklemmanschlüsse A, B
und C übrig.
-
Ergebnisse von
Beispielsimulationen
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Die folgenden Daten sind eine Beispielsimulation,
um die Verbesserung der Leistung und Maschinengröße mit der offenbarten Wicklungstechnologie
zu zeigen.
-
Eine Dreiphasen-Induktionsmaschine
(Maschine I) ist wie folgt vorgesehen: 2P = 10 Pole; Stator/Rotorschlitze
Z1/Z2 = 90/112;
q = 3 Schlitze pro Phase pro Pol; Spulen- bzw. Wicklungsschritt
Y1 = 8 Schlitze; Nc =
13 Windungen pro Spule bzw. Wicklung; a = 10 parallele Wege; Drahtgröße 2 × AWG# 18½;
Schlitzfüllverhältnis =
42%; Doppelschicht-Schleifenwick- Lungen;
Y-Verbindung; Stator ID/OD = 293,52/369,56 mm; Statorlänge L =
127,5mm, Schlußwindungslänge (zwei
Seiten) Le = 58 + 34 = 92.
-
Eine Wicklung aus rechtwinkeligen
Kupferhaarnadeln (Maschine II) ist wie folgt vorgesehen: Wicklungen
S = 2 Sätze;
2p = 10 Pole; Stator/Rotor Schlitze Z1/Z2 = 60/64; q = 2 Schlitze pro Phase pro Pol;
Spulen bzw. Wicklungsschritt Y1 = 5 Schlitze;
Nc = 1 Windung pro Spule bzw. Wicklung;
a = 1 parallel Wege; Drahtgröße W6,7mm × H 3,35mm;
Schlitzfüllverhältnis 67%;
pro Satz Doppelschicht-Wellenwicklungen; Y-Verbindung-Stator ID/OD
= 293,52/369.56mm; Statorlänge
L = 127,5mm; Schlußwindungslänge (zwei
Seiten) Le = 40 + 32 = 72mm.
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Nachdem die Statorwicklungen von
einem runden Draht zu Wicklungen mit rechtwinkeligen Haarnadeln
in zwei Sätzen
geändert
wurden, nimmt die Ausgangsleistung der Maschine bei einem niedrigen
Drehzahlbereich unter der gleichen Beschränkung des Wechselstroms oder
dem gleichen Volt-Ampere-(VA)-Potential des elektronischen Leistungswandlers
zu, was in 14 dargestellt
ist. Falls die thermische Last oder der Gesamtverlust der Maschine
als Kriterium genutzt wird, vergrößert sich der Unterschied der
Ausgangsleistung zwischen der patentierten Maschine und der herkömmlichen
Maschine mit runden Drähten
wegen des hohen Schlitzfüllverhältnisses
und des niedrigen Wechselspannungs-Phasenwiderstands im niedrigen
Drehzahlbereich weiter. Die Verbesserung der Leistungserzeugung
bei niedriger Drehzahl ist für
HEVs sehr attraktiv.
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Wie vorher diskutiert wurde, gehen
die vorgesehenen Ausführungsformen
der Wicklungen aus rechtwinkeligen Kupferhaarnadeln mit mehreren
Sätzen
den Skineffekt an oder erhöhen
Wechselstromwiderstände in
der elektrischen Maschine, falls die Leiterhöhe in Schlitzen nicht klein
genug ist. Die Wechselstromwiderstände werden für den schlimmsten
Fall berechnet (d.h. offene Schlitze, da der praktische Wechselstromwiderstand
in Wicklungen mit halb geschlossenen Schlitzen niedriger sein sollte).
Für zwei
Wicklungssätze
(4 Schichten eines rechtwinkeligen Leiters mit der Dicke
von etwa 3,5mm) zeigt 15,
daß der
Wechselstrom-Phasenwiderstand in der patentierten Wicklung bis ungefähr 3500
UpM niedriger als derjenige in herkömmlichen Wicklungen mit runden
Drähten.
Tatsächlich
arbeitet die elektrische Maschine im allgemeinen unterhalb von 3500
UpM und läuft
selten nahe der Linie für
den roten Drehzahlbereich von 5500 UpM bei einer Konfiguration für Direktantriebe.
Ein Erhöhen
der Anzahl von Wicklungssätzen
wird den Skineffekt und folglich den Wechselstromwiderstand verringern.
Kombiniert man Herstellungskosten mit Maschinenleistung genügen jedoch
Wicklungen aus rechtwinkeligen Kupferhaarnadeln in zwei Sätzen dieser
Anwendung schon sehr gut. Die Kurve des Wirkungsgrades bei Vollast
und Anlaufbetrieb der patentierten Maschine ist in 16 dargestellt,
in der die Skineffekte enthalten sind. Die Leistungskurven zeigen
eine große
Verbesserung bei niedriger Drehzahl; im roten Drehzahlbereich Leistung
geringfügig
geopfert wird.
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Der hierin offenbarte Wicklungsentwurf
demonstriert Verbesserungen für
direkte Oberflächenölkühlsysteme.
Auf den Wicklungen ist wegen der Existenz eines Raums (Zwischenraums)
zwischen Leitungen von Schlußwindungen
keine Isolierung der Schlußwindungen
erforderlich. Folglich werden das Wärmeübertragungsvermögen und
die Herstellungskosten verbessert. Überdies liefert die Anordnung
der Wicklungen nebeneinander mehr Ölfluß über die Schluß- bzw.
Endwindungen als bei Entwürfen
mit überlappenden
Spulenwicklungen.
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Zusätzlich zum obigen Sachverhalt
sorgt der hierin offenbarte Wicklungsentwurf für eine reduzierte Gesamtlänge der
elektrischen Maschine. Insbesondere werden die Schlußwindungslänge und
die Gesamtlänge
der Maschine verglichen mit Entwürfen
mit überlappender
Wicklung um etwa 20mm reduziert. Dies wird wegen der kurzen Schlußwindungen
und des Fehlens eines Wechselstrombusses beim Schlußwindungsbereich erreicht.
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Zusätzlich zu den obigen Vorteilen
sorgt der hierin offenbarte Wicklungsentwurf für eine elektrische Maschine
mit einem hohen Schlitzfüllverhältnis (z.B.
bis zu 75% des Flächenverhältnisses
blanker Drähte
zur gesamten Querschnittfläche
eines Schlitzes), hohen Wirkungsgrad bei niedrigen UpM, niedrigeren
Herstellungskosten, großer
Wärmeabführfläche bei
Schlußwindungen,
hoher Wärmeleitfähigkeit
in den Schlitzen und einfacher Wartung und Reparatur der Wicklung
(verglichen mit Anordnungen mit überlappenden
Wicklungen).
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Die elektrische Maschine mit Haarnadelwicklungen
in mehreren Sätzen,
wie sie hierin beschrieben wurde, ist besonders für die Verwendung
bei Hybridfahrzeugen in der Automobil- und Lastwagenindustrie anwendbar.
Die haarnadelgewickelte elektrische Maschine mit Haarnadelwicklungen
in mehreren Sätzen,
die hierin beschrieben wurde, kann jedoch auch in jeder beliebigen
elektrischen Wechselstrommaschine mit drei Phasen (sowohl Motor
als auch Generator) verwendet werden, die über einen weiten Drehzahlbereich
effizient arbeiten soll. Wie oben beschrieben wurde, liefert die
elektrische Maschine ein hohes Schlitzfüllverhältnis (bis zu 75% Verhältnis blankes
Kupfer zu Schlitzfläche)
und reduziert die negativen Skineffekte von Wechselstromwicklungen,
was zu einem höheren Wirkungsgrad
der elektrischen Maschine und niedrigeren Kraftstoffverbrauch (Energie
einsparen) für
umweltfreundliche Hybridfahrzeuge führt.
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Obgleich die vorliegende Erfindung
sehr ausführlich
mit Verweis auf deren bestimmte bevorzugte Versionen beschrieben
wurde, sind andere Versionen möglich.
Zum Beispiel reduziert die oben beschriebene Verbindung mit Wellenwicklungen
Jumper-Drähte
zwischen Polen, so dass die Spulenwindungen pro Phase nicht flexibel
gewählt
werden können
und die parallelen Wege pro Phase nur Eins oder Zwei betragen können, um die
Verwendung eines Wechselstrombusses bei Schlußwindungen zu vermeiden. Um
die Flexibilität
bei der Auswahl der Reihenwindungen der Wicklung pro Phase zu erhöhen, können die
Schlitzzahl und die Anzahl von Wicklungssätzen geändert werden. Zum Beispiel
kann die Anzahl von Statorschlitzen 60, 90 und 120 für Wicklungen
einer Dreiphasenmaschine mit 10 Polen betragen, und die Wicklungssätze können als 2, 3 oder mehr
gewählt
werden. Um die Flexibilität
zu erhöhen,
können
Schlitzwicklungen in gewissen Bruchteilen eingeführt werden. Diese liefern mehr
Wahlmöglichkeiten
für Wicklungswindungen.
Gleichzeitig kann ein Ändern der
Länge des
Schichtungsstapels den Entwurf bei gegebener Anzahl Windungen pro
Phase an einen weiten Spannungsbereich anpassen. Dies wird möglich, weil
eine kürzere
Schlußwindung
in den erfundenen Wicklungen mehr Flexibilität beim Auswählen der Stapellänge liefert,
um die Gesamtlänge
der Maschine innerhalb des verfügbaren
Raums zu halten. Ein Ändern
der Polzahl im Maschinenentwurf kann sich überdies auch nach gewissen
verfügbaren
Wicklungswindungen richten, die durch die offenbarte Wicklungstechnologie
geliefert werden. Außerdem
kann eine Erhöhung
der Herstellungskosten aufgrund der Anzahl von Schweißpunkten durch
die Einführung
eines automatischen Schweißverfahrens
reduziert werden, da die benachbarten Schluß- bzw. Endwindungen für eine automatische
Fertigungsstraße
geeignet sind. Überdies
sollen der Geist und Umfang der beiliegenden Ansprüche nicht
auf die hierin enthaltene Beschreibung der bevorzugten Versionen
beschränkt
sein.