DE10335688A1

DE10335688A1 - Air-cored reactor for rotary electrical machines, has air-gap designed so that outer coil-sides of each coil continue as discrete conductors

Info

Publication number: DE10335688A1
Application number: DE10335688A
Authority: DE
Inventors: Joerg Bobzin
Original assignee: Bobzin Jorg Dipl-Ing
Current assignee: Bobzin Jorg Dipl-Ing
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-06-17
Also published as: DE10208564A1

Abstract

An air-cored reactor within an electrical rotary machine is wound as discrete coils of wire and its coil sides are grouped alternately with equal spacing around the axle or shaft, at right angles to the air-gap and are preferably axially magnetized. The air-gap is designed so that the outer coil sides of each coil continue at least as discrete conductors, at both their ends mainly radially or radially projected up to the outer axial-side and/or peripheral-sided edge region or up to the two outer axle-sided edge regions, of the available standing/stationary machine surface or a section of it. The adjacently positioned coil-sides of the coil extend in the peripheral direction as far as the coil sides enclosing them or a space within the angle (alpha), which should remain free from the coil-sides to allow that and form the boundary for their expansion/extension. An Independent claim is included for a method for winding air-cored reactors from conductor wire.

Description

Die Erfindung betrifft Luftspulen, innerhalb von rotierenden elektrischen Maschinen, deren Spulenseiten sich mindestens einseitig der Achse oder Welle nähern. Sie sind vor allem aus Maschinen mit einem Axialfeld in einem ebenen Luftspalt bekannt und sie werden als Scheibenmaschinen u.a. im Bereich der Antriebe für Diskettenlaufwerke elektronisch als kommutierte Gleichstrommotoren oder Mehrphasenmotoren und auch seit Kurzem als Generatoren z.B. für kleine Windkraftanlagen eingesetzt. Die Luftspulen verlaufen über beide Pole und haben mehrere Windungen, wobei sie auch Teile einer Wellenwicklung sein können.The invention relates to air coils, inside rotating electrical machines, their coil sides approach the axis or shaft at least on one side. They are mostly out Machines with an axial field in a flat air gap are known and They are used as disc machines, among others. in the field of drives for floppy drives electronically as commutated DC motors or multi-phase motors and also recently as generators e.g. used for small wind turbines. The air coils overflow both poles and have several turns, they are also parts of one Wave winding can be.

Luftspulen, die für Axialfeldbereiche ausgeführt sind, haben z.B. eine Kreissegmentform, eine Kreisform, eine ovale Form oder die Form eines Abschnittes dieser Formen. Sie liegen nebeneinander oder axial verdreht, sich gegenseitig teilweise überlappend, zueinander über einen Kreisumfang verteilt, und sind so Teil einer scheibenförmigen, ein oder mehrschichtigen oder treppenförmigen Wicklung. Sie werden als geschlossene oder offene Spulen mit Einfach- oder Mehrfachwindungen verwendet. Die Spulen werden entweder aus Leiterdraht hergestellt, der über einen Wickeldorn zu einer Spule mit Mehrfachwindungen aufgewickelt wird, wobei der Draht entweder direkt auf einen separaten Wickelkörper gewickelt oder mit Draht gewickelt und anschließend vergossen oder unter Verwendung von Backdraht zu einer selbsttragenden Spule verbacken wird.Air coils designed for axial field areas, have e.g. a circular segment shape, a circular shape, an oval shape or the shape of a section of these shapes. They are next to each other or axially twisted, partially overlapping each other, to each other over one Circumference distributed, and are part of a disc-shaped, single or multi-layer or stepped winding. you will be as closed or open coils with single or multiple turns used. The coils are either made from conductor wire, the over a winding mandrel wound into a coil with multiple turns the wire is either wound directly onto a separate winding body or wrapped with wire and then cast or using is baked by baking wire to form a self-supporting coil.

Definition Spulenseite: Eine Spulenseite ist der wirksame Leiter einer Spule, der im Polflächenbereich einer Polart verläuft, der schräge zur Bewegungsrichtung verlaufen kann, und der so eine wirksame Länge bzw. Leiterkomponente und eine unwirksame Länge bzw. Leiterkomponente enthalten kann.Definition coil side: A coil side is the effective conductor of a coil in the area of the pole face a polar species runs the weird can run to the direction of movement, and which thus has an effective length or Conductor component and an ineffective length or conductor component can contain.

Aus DE 3231966 A1 ist eine Flachspule bekannt, die segmentförmig in Spiralform oder die Teil von mehreren offenen segmentförmig verlaufenden Spulen einer meanderförmigen Wicklung, auf einer Leiterplatte verläuft. Bei diesen Spulen verlaufen die Spulenseiten zwar, den von M. Faraday erforschten Idealbedingungen entsprechend, rechtwinklig zur Bewegungsrichtung, wobei aber die Leiter die die Spulenseiten verbinden, außerhalb der Polflächen angebracht sind und keinen Beitrag zur Energieumwandlung bringen. Zudem verlaufen diese Leiter größtenteils außerhalb des Feldes. Daraus resultieren Effektivitätseinbußen, bezüglich der Maximierung der Drehmomente oder Spannungen, sowie der Leistung. Auch werden bei der Maschine die verkürzende Wirkung der Achsannäherung, der die Spulenseiten verbindenden Leiter, nicht voll ausgenutzt, so dass die verbindenden Leiter im achsnahen Bereich, mit ihrem großen Abstand zur Achse oder Welle relativ lang sind und damit die Kupferverluste innerhalb einer Spule groß sind.Out DE 3231966 A1 a flat coil is known, which runs segment-shaped in a spiral shape or the part of several open segment-shaped coils of a meandering winding on a printed circuit board. With these coils, the coil sides run at right angles to the direction of movement in accordance with the ideal conditions researched by M. Faraday, but the conductors that connect the coil sides are attached outside the pole faces and make no contribution to energy conversion. In addition, most of these ladders run outside the field. This results in a loss of effectiveness in terms of maximizing the torques or voltages, as well as the performance. Also, the shortening effect of the axis approach, the conductor connecting the coil sides, is not fully utilized in the machine, so that the connecting conductors in the area close to the axis, with their large distance to the axis or shaft, are relatively long and thus the copper losses within a coil are large ,

Aus DE 3217283 C2 sind eisenlose Einzelspulen für eine scheibenförmige Gleichstromkollektormaschine bekannt, die kreissegmentförmig oder rund in einer Ebene ausgeführt sind, wobei ein Teil der Leiter außerhalb des Feldes angebracht sind und die Spulenseiten nicht ideal, den Idealbedingungen für die Anwendung einer Teilwinkelnutzung der Spule entsprechend, zur Bewegungsrichtung liegen. Außerdem sind die Spulen als Einzelspulen stramm gewickelt mit großem Kupferfüllfaktor, was zum Nachteil hat, dass die Spulenseiten nicht die volle radiale Länge, die die Maschinen und Polfläche zulässt, nutzen, bevor sie mit in Bewegungsrichtung verlaufenden, die Spulenseiten verbindenden Leitern, verbunden sind oder in eine andere Spulenseite übergehen, die auf einem anderen Radius liegt und unter dem entgegengesetzten Pol verläuft. Außerdem sind die Spulen so ausgeführt, dass sie in dem aktiven Winkelbereich Drehmomentschwankungen aufweisen. So wird nicht die maximale Polfläche genutzt und auch nicht das maximale Drehmoment, die maximale Spannung und Leistung erreicht und die Maschineneigenschaften sind für die meisten Anwendungen nicht geeignet.Out DE 3217283 C2 ironless individual coils for a disc-shaped direct current collector machine are known, which are designed in the form of a segment of a circle or round in one plane, with some of the conductors being arranged outside the field and the coil sides not being ideal with respect to the direction of movement, in accordance with the ideal conditions for the use of a partial angle of the coil. In addition, the coils are tightly wound as individual coils with a large copper fill factor, which has the disadvantage that the coil sides do not use the full radial length that the machines and pole face allow, before they are connected to conductors that run in the direction of movement and connect the coil sides change to another side of the coil, which is on a different radius and runs under the opposite pole. In addition, the coils are designed so that they have torque fluctuations in the active angular range. This means that the maximum pole area is not used, nor is the maximum torque, the maximum voltage and power achieved and the machine properties are not suitable for most applications.

Aus PCT WO 00/30238 sind Luftspulen bekannt, die im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung gebogen oder gefaltet sind und sich dabei der Achse oder Welle ein- oder beidseitig mit dem jwweiligen Wickelkopf nähern. Dies sind zwar hochwirksame Spulen, da bei ihnen der Wickelkopf im Umfangsbereich entfällt, aber im achsnahen Bereich der Spulenwindungen ist die Effizienz noch zu verbessern. Wird die Breite der Spulenbündel in Bewegungsrichtung groß gewählt, ist keine Achsnähe zu erreichen, ähnlich wie bei der Maschine in dem zuvor beschriebenen Patent. Die Maschinenflächennutzung in Achsnähe bleibt so auch hier begrenzt. Luftspulen, die sich einseitig der Achse oder Welle nähern, verlaufen im axialen Schnitt in einem rechtwinklig oder gebogenen oder schräg zur Achse liegenden Luftspalt oder Luftspaltbereich. Alle Betrachtungen der Luftspulen eines rechtwinklig zur Achse liegenden Luftspaltes also eines Axialfeldbereiches im ebenen Luftspalt, können auf solche schräg oder bogenförmig verlaufenden Spulen, mit ein oder beidseitiger Achsannäherung, im nicht ebenen Luftspalt übertragen werden.Air coils are from PCT WO 00/30238 known, which is bent in cross section to the direction of movement or are folded and the axis or shaft on one or both sides approach with the temporary winding head. Although these are highly effective coils, they have the winding head omitted in the peripheral area, but in the area of the coil turns close to the axis is the efficiency still improve. If the width of the coil bundle is chosen to be large in the direction of movement, no axis proximity to achieve similar as with the machine in the previously described patent. The use of machine space near the axis remains limited here too. Air coils that are one-sided Approach axis or shaft, run in an axial section in a right angle or curved or oblique air gap or air gap area to the axis. All considerations the air coils of an air gap perpendicular to the axis of an axial field area in the flat air gap can extend obliquely or in an arc shape Coils, with one or both-sided axis approach, transmitted in the non-flat air gap become.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich in jüngster Zeit die Einsatzgebiete der Luftspulenmaschinen aufgrund ihrer guten Eigenschaften, die die Anforderungen an moderne elektrische Maschinen in einem hohen Maße erfüllen, immer mehr ausweiten. Die Effizienz der eingesetzten elektrischen Maschinen wird immer wichtiger. Es werden Antriebe mit hoher Leistung, geringem Durchmesser, mit hoher Dynamik, geringem Gewicht, großem Leistungsgewicht und Leistungsvolumen, sowie hohem Wirkungsgrad verlangt. Im Bereich der Generatoren hat der Durchmesser, das Leistungsvolumen, das Anlaufverhalten und der Wirkungsgrad eine immer größere Bedeutung.The invention is based on the knowledge underlying that in recent Time the fields of application of air coil machines due to their good Properties that meet the requirements of modern electrical machines to a high degree fulfill, expand more and more. The efficiency of the electrical used Machines are becoming more and more important. There are drives with high performance, small diameter, with high dynamics, low weight, high power-to-weight ratio and performance volume, as well as high efficiency. In the area of the generators has the diameter, the power volume, the start-up behavior and efficiency is becoming increasingly important.

Ein Problem dieser bekannten scheibenförmigen Luftspulenmaschinen und Luftspulenmaschinen mit ein- oder beidseitiger Achsannäherung besteht allerdings darin, dass die Leistung, das Drehmoment und die Spannung nicht beliebig erhöht werden können, weil dies zu unpraktischen Maschinendurchmessern und Fliehkraftproblemen führt. Deshalb müssen andere Wege gefunden werden eine Steigerung diesbezüglich für diese Maschinen zu erreichen.A problem with these known disc-shaped air coil machines and air coil machines with one-sided or double-sided axis approach however, in that the power, the torque and the tension not increased arbitrarily can be because this leads to impractical machine diameters and centrifugal problems leads. Therefore have to other ways are found to increase this for this To reach machines.

Außerdem ergaben neuere Untersuchungen, dass die Anschaffungskosten nur wenige Prozent der Betriebskosten einer elektrischen Maschine ausmachen und 70% des industriellen Stromverbrauches durch elektrische Antriebe entstehen. Dadurch hat ein hoher Wirkungsgrad der Maschinen eine große betriebswirtschaftliche, volkswirtschaftliche und umwelterhaltende Bedeutung. Die Anschaffungs- und Konstruktionskosten der Antriebe spielen in Zukunft kaum mehr eine Rolle. so dass nun auch aufwendigere Konstruktionen und Herstellungsverfahren möglich sind, wenn sie zu energiesparenden Maschinen führen. Hohe Wirkungsgrade werden erreicht durch optimale Energieumsetzung, was eine effiziente Nutzung der eingesetzten Maschinenmittel voraussetzt.In addition, recent studies have shown that the acquisition cost is only a few percent of the operating cost of an electrical machine and 70% of the industrial Electricity consumption arises from electric drives. This has a high efficiency of the machines a large business, economic and environmental importance. The acquisition and The construction costs of the drives will hardly play a role in the future Role. so that now also more complex constructions and manufacturing processes possible if they lead to energy-saving machines. High levels of efficiency achieved through optimal energy conversion, what an efficient use of the machine tools used.

Um allen diesen Anforderungen gerecht zu werden, muss die zur Verfügung stehende Maschinen- und Polfäche und das eingesetzte Leitermaterial optimal genutzt werden. Dies geschieht bei den bekannten segmentförmigen Spulen oder Spulenabschnitten, die in Luftspaltbereichen oder Luftspalten verlaufen, die sich ein- oder beidseitig der Achse nähern, nur unzureichend. Oft werden sogar nur, wie bei Scheibenläufern, die im mittleren radialen Bereich liegenden Abschnitte der Kreissegmentflächen der Maschinen genutzt.To meet all of these requirements to become available standing machine and pole faces and the conductor material used can be used optimally. This happens with the known segment-shaped coils or coil sections, that run in air gap areas or air gaps that converge or approach the axis on both sides, insufficient. Often only, as with disc rotors, the sections of the circular segment surfaces in the central radial region Machines used.

Die Spulen werden aus Leitern, die dicht nebeneinander liegen und/oder zu Bündeln aufgewickelt sind, ausgeführt. Dabei wird nicht die maximal mögliche Maschinenfläche genutzt und nicht möglichst viel Leiter innerhalb jeder Spule wirksam ins Feld maximalen Ausmaßes gelegt. Insbesondere im Umfangsbereich und/oder im achsnahen Bereich der Maschine, je nach Ausführung, wird Maschinenfläche, die mit magnetischen Polen und wirksamen Leitern gefüllt sein könnte, verschenkt. Auch in den Ecken der jeweiligen Leiterlage der kreissegmentförmigen Maschinenflächenabschnitte geht wertvolle Maschinenfläche ungenutzt verloren, sowie wertvolle, hocheffektive Leiterlänge.The coils are made of conductors that lie close together and / or are wound into bundles. there will not be the maximum possible machine surface used and not as possible many conductors within each coil are effectively placed in the field of maximum size. In particular in the peripheral area and / or in the area of the machine near the axis, depending on the version, becomes machine area, which are filled with magnetic poles and effective conductors could, given away. Also in the corners of the respective conductor position of the circular segment-shaped machine surface sections goes valuable machine space lost unused, as well as valuable, highly effective conductor length.

Im Bereich der Luftspulenmotoren, in dem derzeit kaum drahtgewickelte Einzelspulen eingesetzt werden, besteht erhöhter Entwicklungsbedarf in anbetracht der unvergleichlich hohen Wirkungsgrade von Luftspulenmaschinen und der nötigen Energieeinsparungen für die Zukunft. Bisher geleistete Entwicklungsarbeit von 1975 bis 1990 galt vor allem Gleichstromscheibenläufermotoren für Stellantriebe und Motoren mit Einzelspulen in Mehrphasenwicklungen für den Einsatz in Diskettenlaufwerken.In the field of air coil motors, in which hardly any wire-wound individual coils are currently used, exists more elevated Development needs in view of the incomparably high efficiency of Air coil machines and the necessary Energy savings for the future. Development work done so far from 1975 to 1990 was especially valid for DC disc motors for actuators and Motors with single coils in multi-phase windings for use in floppy drives.

Bei den Luftspulen dieser Motoren liegen bestenfalls die mittigen (Erweiterte Patentanmeldung v. 26.2.03, 3, Spule 16) und schlechtestenfalls nur die äußeren Spulenseiten (Erweiterte Patentanmeldung v. 26.2.03, 1, Spule 1) des Bündels der Spulenseiten auf dem Radius. Dies hat den Nachteil von hohen Kupferverlusten, da bei reinen Mehrphasenmotoranwendungen die Spulen nur im Arbeitswinkel α genutzt werden.At best, the air coils of these motors are in the middle (extended patent application of February 26, 2003, 3 , Kitchen sink 16 ) and at worst only the outer side of the coil (extended patent application dated February 26, 2003, 1 , Kitchen sink 1 ) of the bundle of coil sides on the radius. This has the disadvantage of high copper losses, since in pure multi-phase motor applications the coils are only used in the working angle α.

Bei der Entwicklung herkömmlicher Kreissegmentspulen ist man wahrscheinlich vom allgemeinen Induktionsgesetz ausgegangen und hat die Flussänderung pro Zeit durch eine Fläche optimiert, wobei die Fläche entweder die volle Kreissegmentfläche in dem die Spule liegt und/oder die Fläche, die die Spule umspannt hat und diese zur Berechnung herangezogen, was in beiden Fällen nicht zum optimalen Ergebnis führt.When developing more conventional Circular segment coils are probably from the general law of induction went out and did the river change per time through an area optimized, taking up the area either the full circle segment area in which the coil lies and / or the area which has spanned the coil and used it for the calculation, what in both cases does not lead to the optimal result.

Beim gängigen Verfahren zur Wicklung von Spulen, mit Hilfe eines Wickeldornes, wird der Draht um einen kantigen Wickelkörper, in der Regel für kreissegmentförmige Spulen mit dreieckigem Querschnitt. der die Spulenform vorgibt, gewickelt. Bei diesem Verfahren schleift sich die Form der Spule ab, je mehe Leiterlagen übereinanderliegen, was sich beim Zusammensetzen in eine kreisförmige Scheibenwicklung zusätzlich nachteilig in der mangelhaften Maschinenflächenausnutzung im achsnahen Bereich und im Umfangsbereich der Segmentform bemerkbar macht. Für im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung gefaltete Spulen besteht das Problem in ähnlicher Weise.In the usual winding process of coils, with the help of a winding mandrel, the wire is wound around you angular winding body, usually for coils in the shape of a segment of a circle with triangular cross section. which specifies the coil shape, wound. With this method, the shape of the coil grinds, depending on Conductor layers are on top of each other, which is also disadvantageous when assembled in a circular disk winding in the insufficient use of machine space noticeable in the area close to the axis and in the peripheral area of the segment shape makes. For on average, spools folded across the direction of movement Problem in similar Wise.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit und Spulenformen zu finden, die die Maschinenfläche und die darin enthaltene maximal mögliche magnetische Polfläche, bezogen auf die Leistungs-, Spannungs-, Drehmoment, Wirkungsgradmaximierung und der Maximierung der Kupfernutzung innerhalb jeder Spule, optimal anwendungsbezogen nutzt und die beschriebenen Grenzen der Maschineneigenschaften ausweitet und die genannten Nachteile beseitigt.The object of the invention is in being a possibility and to find coil forms that contain the machine surface and the one contained therein maximum possible magnetic pole face, related to the power, voltage, torque, efficiency maximization and maximizing copper usage within each coil, optimal uses and the described limits of the machine properties extends and eliminates the disadvantages mentioned.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass die Leiter so gelegt oder gewickelt werden, dass sie die kreissegmentförmigen Teile der Maschinenfläche, in denen die segmentförmigen Spulen oder Spulenabschnitte liegen, aber von ihnen nur teilweise oder unvorteilhaft ausgenutzt werden, im Sinne der Idealbedingungen, die M. Faraday von 1821 bis 1851 erforschte, die sich aus der Faraday'schen Anschauung und seiner exakten Beschreibung ergeben und die mathematisch ausgedrückt in der Rechtwinkligkeit der Vektoren B ,l,ν zueinander bestehen und sich in der Maximierung der Induktion der Ruhe (Motorbedingung)

und der Induktion der Bewegung (Generatorbedingung)

für die Relativbewegung von freien Leitern gegenüber einem sie durchdringenden Magnetfeld ausdrücken, anwendungsbezogen optimal ausgenutzt werden und damit eine sich lohnende Maximierung der Polflächen ermöglichen.The solution to the problem is that the conductors are laid or wound in such a way that they use the circular segment-shaped parts of the machine surface in which the segment-shaped coils or coil sections lie, but only partially or disadvantageously, in the sense of the ideal conditions that M Faraday from 1821 to 1851 researched, which result from Faraday's view and its exact description and which, in mathematical terms, consist of the perpendicularity of the vectors B, l, ν to one another and are aimed at maximizing the induction of rest (engine condition).

and the induction of movement (generator condition supply)

for the relative movement of free conductors in relation to a magnetic field penetrating them, can be optimally used in relation to the application and thus enable a profitable maximization of the pole faces.

Die Faraday'schen Anschauungen werden nicht in ihrer Gesamtheit gesehen, so dass sich die daraus ergebenen Idealbedingungen nicht, unter diesem Namen mit dieser Bewertung, bekannt sind und deshalb hier als solche definiert sind, und es bis jetzt nicht Ziel war sie in ihrer Gesamtheit umzusetzen. Mathematisch gesehen ist die dargestellte Ausdrucksform des Induktionsgesetzes zwar bekannt, aber sie findet in ihrer Gesamtheit keine Beachtung in der Maschinenentwicklung, weil sich die Wissenschaft und Maschinenentwicklung auf andere Ausdrucksformen des Induktionsgesetzes, die die Funktion von Eisenmaschinen (mit Spulen mit Eisenkern) erklären und durch die sich deren Anwender vor allem auf die Maximierung der Flußänderung dΦ pro Zeit dt innerhalb einer Spulenfläche A sowie auf die Verkürzung des Luftspaltes und einer Maschinenverstärkung durch Einsatz von Eisen konzentrieren.The Faraday views are not in theirs Seen as a whole, so that the resulting ideal conditions are not known under this name with this rating, and therefore are defined here as such, and it has not been the goal so far to implement them in their entirety. Mathematically speaking, it is shown form of expression of the induction law is known, but in its entirety it receives no attention in machine development, because science and machine development relate to other forms of expression of the induction law, which affects the function of iron machines (with Explain coils with iron core) and by which their users mainly focus on maximizing the river change dΦ per time dt within a coil area A as well as the shortening of the air gap and a machine reinforcement through the use of iron focus.

Ein hilfreiches Maß, um den Grad der Umsetzung der Idealbedingungen die M. Faraday erforschte zu messen, ist der Spulenausnutzungsgrad ξ_Sp, der hier folgendermaßen definiert wird:

l_w wirksame Länge der Spule, l Gesamtleiterlänge der Spule Er besagt, wie viel Leiter innerhalb der Spule ideal, den Idealbedingungen entsprechend, bezogen auf den Gesamtleiter der Spule, im Feld liegt.A helpful measure to measure the degree of implementation of the ideal conditions that M. Faraday researched is the coil utilization rate ξ _Sp , which is defined here as follows:

l _w effective length of the coil, l total conductor length of the coil It indicates how many conductors within the coil are ideal in the field, according to the ideal conditions, based on the total conductor of the coil.

Hinzu kommen für optimale Umsetzung der Idealbedingungen die Berücksichtigung der anwendungsbezogenen Randbedingungen, wie, welche Maschinenfläche für die Spule zur Verfügung steht und ob die Spannung (Generator) oder das Drehmoment (Motor) innerhalb eines Winkels α konstant bleiben soll.Added to this are optimal implementation of the ideal conditions the consideration the application-related boundary conditions, such as which machine area for the coil to disposal and whether the voltage (generator) or the torque (motor) constant within an angle α should stay.

So muss zwischen verschiedenen Anwendungen unterschieden werden.So must be between different applications be distinguished.

1. Machines in which each coil is limited Angular range α active in which e.g. the voltage and current values or power and Torque values for maximize this limited angle and above all be constant, like with multi-phase motors.
2. Machines in which each coil extends over the full angle γ of the segment of a circle, in which the coil lies, is active and where it matters the machine and pole face in terms of work ability optimal use of the machine, e.g. for single-phase motors and generators.
3. Machines that alternate multi-phase motor and generator work and / or machines that alternate between full angle use and switch partial angle usage. This includes motors that use energy recovery when braking feature and switch from partial angle use to full angle use, such as. with an energy-saving drive for electric vehicles.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin möglichst die Maschinenfläche und die eingesetzten Materialien den Idealbedingungen entsprechend anwendungsbezogen optimal zu nutzen. Dies geschieht für Spulen, die nur in einem Teilwinkel α genutzt werden in unterschiedlicher Weise zu denen, die den vollen Kreissegmentwinkel γ nutzen.The solution to the problem is this preferably the machine area and the materials used correspond to the ideal conditions to make optimal use of the application. This happens for coils, which are used only at a partial angle α become in different ways to those who use the full circle segment angle γ.

Die folgenden Betrachtungen der unterschiedlichen Spulen und Lösungsmöglichkeiten unterliegen der Annahme, dass das Magnetfeld, in dem die Spulen in der Maschine verlaufen, bei allen gezeigten Spulen gleich stark ist und die Spulen alle die gleiche Windungszahl, so wie den gleichen Leiterdurchmesser haben und die Relativgeschwindigkeit zwischen Leiter und Magnetfeld bei allen Spulen gleich groß ist.The following considerations of the different Coils and possible solutions subject to the assumption that the magnetic field in which the coils run in the machine, with all coils shown equally strong and the coils are all the same number of turns as the same Have conductor diameter and the relative speed between Conductor and magnetic field is the same for all coils.

Bei der ersten Anwendung soll bei der Spule innerhalb des Winkels α kein wirksamer Leiteranteil liegen. Da, während der Polübergang des magnetischen Feldes den Winkel α überstreicht, das Feld welches die Spulenseiten im Winkelbereich β durchdringt, konstant bleibt, ist es für diese Anwendung nur wichtig, dass die Spulenseiten der Spule die mögliche volle radiale Ausdehnung im Winkelbereich β ausschöpfen und somit die wirksame Leiterlänge innerhalb dieses Winkels β maximal ist. Dies ist für diese Anwendung von Mehrphasenmotoren besonders effektiv, wenn dafür möglichst wenig Leiterlänge verbraucht wird.When using for the first time the coil within the angle α no effective conductor share. There, during the pole transition of the magnetic field sweeps the angle α, the field which penetrates the coil sides in the angular range β, remains constant, is it for this application only important that the coil sides of the coil the possible Use the full radial expansion in the angle range β and thus the effective one conductor length maximum within this angle β is. This is for this application of multi-phase motors is particularly effective, if possible little conductor length is consumed.

Dies ist der Fall, wenn der Innenleiter und/oder die Innenleiterlage 40 des Spulenbündels der Spulenseiten auf dem Radius der Scheibe liegt und alle anderen dazu äußeren Leiter und/oder Leiterlagen so eng wie möglich an dem Leiter oder der Leiterlage 40 herangewickelt werden und die Spulenseiten sich auf den Winkel β begrenzen, d.h. keine wirksamen Leiteranteile außerhalb des Winkels β vorhanden sind (Spule 9). So verlaufen zwar die Spulenseiten im achsnahen und im Umfangsbereich außerhalb des Winkels α bogenförmig, welches aber die wirksame Länge der Spulenseiten während des aktiven Winkels α nicht ändert. Auf diese Weise werden für den aktiven Winkelbereich α des Motors konstante und maximale Werte der mechanischen Leistung, der Arbeit und des Drehmoments erreicht.This is the case if the inner conductor and / or the inner conductor layer 40 of the coil bundle of the coil sides lies on the radius of the disk and all other external conductors and / or conductor layers are as close as possible to the conductor or the conductor layer 40 be wound up and the coil sides are limited to the angle β, ie there are no effective conductor components outside the angle β (coil 9 ). So the coil sides run in the near-axis and in the peripheral area outside the angle α, but this does not change the effective length of the coil sides during the active angle α. In this way, constant and maximum values of mechanical power, work and torque are achieved for the active angular range α of the motor.

Für eine Generatornutzung oder für die Nutzung in einem Einphasenmotor, bei denen die Spule über den vollen Kreissegmentwinkel γ aktiviert ist, währe diese Spule relativ leistungsschwach und würde zu hohen Drehmoment- und Spannungsschwankungen führen, da sie im Winkelbereich β nur eine kleine und zum Winkelbereich α hin eine steil ansteigende Drehmoment- oder Spannungsbildung bewirkt.For generator use or for use in a single-phase motor, in which the coil is activated over the full circle segment angle γ, this coil would be relatively weak and would lead to high torque and voltage fluctuations, since in the angular range β it produces only a small and to the angular range α a steep increase in torque or voltage.

Eine verbesserte Umsetzung der Idealbedingungen innerhalb einer Spule und damit ein erhöhter Spulenausnutzungsgrad und eine effizientere Maschinenflächennutzung über den vollen Kreissegmentwinkel γ wird erreicht, indem die Spulenseiten der äußeren Windung und/oder Windungslage die reale oder radial projizierte Kreissegmentform der Maschinenfläche einer Spulenweite voll ausnutzen. So verlaufen sie entweder bis nahe der Umfangs- und der Achsgrenze im wesentlichen radial. bis sie abknicken und um einen sehr kleinen Radius verlaufend, ihre Richtung wechseln, und dabei in Leiter, die im wesentlichen in Bewegungsrichtung verlaufen oder eine andere Spulenseite sind, übergehen, oder die Spulenseiten verlaufen im wesentlichen radial oder radial projiziert von einem axialen Bereich zum Umfangsbereich und darüber hinaus vorzugsweise zum zweiten axialen Bereich und sie in jedem axialen Bereich entsprechend abknicken und um einen sehr kleinen Radius verlaufend, ihre Richtung wechseln, und dabei in Leiter, die im wesentlichen in Bewegungsrichtung verlaufen oder die eine andere Spulenseite sind, übergehen. Die innenliegenden Spulenwindungen oder axialen Spulenlagen, als Einzelleiter oder als Leiterbündel der Spule, werden im Bereich der Spulenseiten vorzugsweise parallel zu den äußeren Spulenseiten nach innen versetzt ausgeführt und folgen diesem, im wesentlichen radialen, Verlauf, so weit, wie die sie umgebende axiale Spulenlage dies zulässt, um dann ebenfalls in gleicher Weise abzuknicken, oder um einen sehr kleinen Radius zu verlaufen und dabei in die, die Spulenseiten verbindenden, Leiter oder direkt in eine andere Spulenseite überzugehen.An improved implementation of the ideal conditions within a coil and thus an increased degree of coil utilization and more efficient use of machine space via the full circle segment angle γ achieved by the coil sides of the outer turn and / or turn position the real or radially projected circular segment shape of the machine surface Make full use of the coil width. So they either run close to the The circumferential and axial limits are essentially radial. until they snap and going around a very small radius, changing direction, and thereby in conductors that run essentially in the direction of movement or another coil side, pass over, or the coil sides run essentially radially or radially projected from one axial area to the peripheral area and moreover preferably to the second axial area and bend them accordingly in each axial area and going around a very small radius, changing direction, and thereby in conductors that run essentially in the direction of movement or that are another side of the coil. The inside Coil turns or axial coil layers, as single conductors or as a bundle of conductors the coil, are preferably parallel in the area of the coil sides to the outer coil sides executed inwards and follow this, essentially radial, course as far as the surrounding axial coil position allows this, then also in the same way to bend, or to run a very small radius and thereby into the conductor connecting the coil sides or directly to change to another side of the coil.

Bei einer Ausgestaltung, mit von Draht gewickelten Spulen, sind die Spulen vorzugsweise so aufgebaut, dass nicht jeder einzelne Leiter soweit wie möglich in den Kreissegmentecken verläuft, sondern ein ganzes Leitungsbündel, genau gesagt, mehrere radial (die Spulenachse betreffend) zueinander versetzte Windungen und/oder Windungslagen. So entstehen zwischen den einzelnen Windungsbündeln oder den einzelnen Lagen solcher Leiterbündel in den Segmentecken der Spulenlage Freiräume, die auch für ein Wickelverfahren mit Wickelstiften notwendig sind, um diese Wickelpfosten oder Stifte aufzunehmen und den Wickelvorgang in dieser Weise zu ermöglichen, ohne Maschinenflächenverluste zwischen den im wesentlichen radial, verlaufenden axialen Wicklungslagen in Kauf nehmen zu müssen. Anders gesagt, wird bei gewickelten Spulen die optimale Nutzung erreicht, indem die Leiter um Pfosten, Stifte, Wickelpilze oder ähnliches gewickelt werden, die in kurzen Abständen in den Eckbereichen der jeweiligen Spulenlage stehen. Damit die Anzahl der Pfosten nicht zu groß wird und sie auch einen ausreichend stabilen Durchmesser haben müssen, ist es für dieses Wickelverfahren zu bevorzugen nur nach mehreren Wicklungslagen oder nach mehreren radial (die Spulenachse betreffend) zueinander versetzten Windungen Pfosten in den Ecken zu platzieren, um die die Leiter gewickelt werden. Ein Wickelverfahren um Pfosten ist grundsätzlich zur Herstellung von Wellenwicklungen bekannt. und für die Wicklung von Einzelspulen in besonderer Weise weiterentwickelt. Neben der besseren Flächen-, Magnetpol- und Kupfernutzung wird hier das beschriebene Abschleifen der Spulenform vermieden, weil die Spule nur nach wenigen axialen Lagen um neue Stifte gewickelt wird, die den Verlauf der Leiter erneut ideal ausrichten.In one configuration, with from Wire wound coils, the coils are preferably constructed so that not every single conductor as far as possible in the circle segment corners runs, but a whole line bundle, to be precise, several radially (regarding the coil axis) to each other offset turns and / or turns positions. So arise between the individual coil bundles or the individual layers of such conductor bundles in the segment corners of the Spool position clearances, who also for a winding process with winding pins are necessary to these winding posts or pens and the winding process in this way enable, without loss of machine space between the essentially radial axial winding layers to have to put up with. In other words, optimal use is made with wound coils achieved by placing the ladder around posts, pins, wrap mushrooms or the like be wrapped at short intervals in the corner areas of the the respective coil position. So the number of posts does not gets too big and they also have to have a sufficiently stable diameter it for this winding method is preferred only after several winding layers or after several radially (regarding the coil axis) to each other offset turns to place posts in the corners the ladder is wrapped. There is a wrapping process around posts in principle known for the production of shaft windings. and for the winding developed in a special way by individual coils. In addition to the better area, Magnetic pole and copper use will be the grinding described here the coil shape avoided because the coil only after a few axial Layers were wrapped around new pins covering the course of the ladder align again ideally.

Neben Wickelpfosten können auch Schiebe-, Zug- oder Haltevorrichtungen bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Spulen eingesetzt werden, die die Wicklungslagen oder Windungen in geeignete Position bringen und/oder halten. Siehe dazu die gleichzeitig angemeldete deutsche Patentanmeldung Aktenzeichen: 102 08 566.8-32, 21,22, wobei anstatt mit Wickelpfosten auch Abstandshalter (z.B. in Form eines einschaligen Rotationshyperboloid mit der Höhe des Drahtdurchmessers) zwischen den Leitern in jeder Leiterlage separat und verbleibend eingeführt werden können.In addition to winding posts, pushing, pulling or holding devices can also be used in the manufacture of the coils according to the invention, which bring and / or hold the winding layers or turns in a suitable position. See the German patent application filed at the same time, file number: 102 08 566.8-32, 21 . 22 , with spacers (eg in the form of a single-shell rotational hyperboloid with the height of the wire diameter) can be inserted between the conductors in each conductor position separately and remaining instead of with winding posts.

Eine Weiterbildung besteht darin, verschiedene Leiterbündel mehrerer radial (die Spulenachse betreffend) zueinander versetzter Windungen und/oder Windungslagen individuell dem Radius entsprechend im Umfangsbereich auszurichten, damit sie jeder für sich dem idealen, radialen Verlauf nahe kommen. Dies optimiert den Wirkungsgrad für die Anwendungen über den vollen Kreissegmentwinkel γ.A further training consists in different conductor bundles several radially (regarding the coil axis) offset from each other Windings and / or winding layers individually according to the radius to align in the circumferential area so that everyone can do it for themselves ideal, radial course come close. This optimizes efficiency for the applications over the full circle segment angle γ.

Eine Weiterbildung in diesem Zusammenhang, aber auch auf das Gesamtspulenbündel bezogen, besteht darin, dass das gesamte Leiterbündel der Spulenseiten oder deren einzelnen Leiterbündel jedes für sich, entweder

– mittig auf dem Radius liegen oder
– die innen liegende Leiterlage und/oder der innenliegende Leiter auf dem Radius liegt oder
– die außen liegende Leiterlage und/oder der außen liegende Leiter auf dem Radius liegt.

wobei die Regel gilt:
Je weiter der Leiter die Maschinenfläche der Kreissegmentform in Bewegungsrichtung nutzt, desto mehr ist die Maschine für eine Vollwinkelnutzung (z.B. Generatoranwendung) ausgeprägt und desto weniger für eine Teilwinkelnutzung der Spule, wie bei einer Mehrphasenmotoranwedung.A further development in this context, but also in relation to the overall coil bundle, consists in the fact that the entire conductor bundle of the coil sides or their individual conductor bundles each individually

- lie in the middle of the radius or
- The inner conductor layer and / or the inner conductor lies on the radius or
- The outer conductor layer and / or the outer conductor lies on the radius.

the rule being:
The more the conductor uses the machine surface of the circular segment shape in the direction of movement, the more the machine is designed for full-angle use (e.g. generator application) and the less for partial-angle use of the coil, as in a multi-phase motor application.

Für einige Anwendungen, insbesondere für einen Generatorbetrieb, bei den es nicht auf eine konstante Ausgangsspannungs ankommt, wie für eine Batterieladung, ist es vorteilhaft die Spulen auch in ihren Flächenzentrumsbereich mit Leitern auszufüllen, was bei allen Ausgestaltungen leicht durchgeführt werden kann.For some applications, in particular for generator operation, in which a constant output voltage is not important, such as for battery charging, it is advantageous to provide the coils with conductors in their area center area fill, which can be easily carried out in all configurations.

Bei der effizientesten Form der Luftspule für Anwendungen, bei denen der volle Kreissegmentwinkel γ, in dem die Spule liegt, genutzt wird, ist die, bei der jede einzelne Spulenseite auf dem Radius liegt und dabei die mögliche volle radiale Ausdehnung des Kreissegmentes nutzt. Da der Raum zur Achse immer schmaler wird und man die Fläche des Kreissegmentes mit möglichst vielen Leitern nutzen will, ist hier die idealste Form die Leiter parallel versetzt zum Radius nebeneinander zu legen. Im Umfangsbereich der Spule wird der Raum weiter und die Leiter können dem idealen radialen Verlauf einzeln oder als Spulenbündel, wie obig beschrieben in verschiedener Weise folgen.The most efficient form of air coil for applications, at which the full circle segment angle γ in which the coil lies is used is the one with each coil side lying on the radius and the possible uses full radial expansion of the circle segment. Because the space to the axis becomes narrower and the area of the circle segment with preferably want to use many ladders, the most ideal form is the ladder to be placed next to each other parallel to the radius. In the peripheral area the coil widens the space and the conductors can follow the ideal radial course individually or as a coil bundle, follow in different ways as described above.

Dein Ideal der Umsetzung der Idealbedingungen und zwar für jede Anwendungsart kommen Spulen mit beidseitiger Achsannäherung von Vornherein sehr nahe, da bei ihnen die umfangsseitigen unwirksamen Verbindungsleiter entfallen und die Spulenseiten bis zum Umfangsbereich ideal, d.h. radial oder im wesentlichen radial verlaufen können. Dadurch ist die unwirksame Länge innerhalb einer Windung sehr klein und die wirksame Länge aufgrund des Verlaufes in zwei Luftspaltabschnitten doppelt so groß bei gleichem Maschinendurchmesser, wodurch der Spulenausnutzungsgrad nahezu 1 werden kann, in Abhängigkeit von der Nutzungsweise der achsnahen Leiter und der Leiternutzung im umfangsseitigen Faltbereich der Spule.Your ideal of implementing the ideal conditions namely for any type of application come from coils with axis approach on both sides Very close from the start, since the extensive ineffective ones Connection conductors are omitted and the coil sides up to the peripheral area ideal, i.e. can run radially or essentially radially. Thereby is the ineffective length very small within one turn and due to the effective length of the course in two air gap sections twice as large with the same Machine diameter, which makes the coil efficiency almost 1 can, depending on the way in which the conductors close to the axis are used and the use of the conductors in the circumferential fold area of the coil.

Die Nutzung des achsnahen Bereiches dieser Spulen wird durch diese Erfindung mit ihren Ausgestaltungsformen optimiert.The use of the area close to the axis of these coils is through this invention with its designs optimized.

Die erfindungsmäßen drahtgewickelten Ausgestaltungen entfalten ihren Gewinn in der Anwendung einer weiteren gleichzeitig angemeldeten Erfindung, einer speziellen Spulenwicklung. Denn bei den herkömmlichen Luftspulen besteht das Problem, dass der Anfang des Leiters innerhalb der Spule liegt und das Ende an ihrem Außenumfang der Spule. Hier ist es notwendig das innenliegende Leiterende über das ganze Spulenbündel hinweg z.B. zum axial sitzenden Kommutator zu leiten. Dies wird bisher über den axialen Wickelkopf gemacht, der dann von dem Luftspalt ausgenommen wird, weil sonst der gesamte Luftspalt um die Leiterdicke erweitert werden müsste, was jedoch in beiden Fällen Verluste verursacht. Dieses Problem hat man auch bei den hier vorgestellten. quer zur Bewegungsrichtung ungefalteten, erfundenen Spulen, wenn man die Spuleninnenfläche ohne Luftspalterweiterung nutzen will. Bei gefalteten Spulen besteht dieses Problem zumeist nicht, weil diese Leiterführung in den meisten Ausführungen im Faltbereich stattfinden kann. Durch die gleichzeitig mit dieser eingereichten deutschen Patentanmeldung Aktenzeichen: 102 08 566.8-32 wird dieses Problem auf elegante Weise auch für die ungefalteten Spulen gelöst, indem jeder Spule aus gegensinnig gewickelten Spulen, die deckungsgleich zusammengesetzt und die Leiteranfänge innerhalb der beiden Spulenteile miteinander verbunden werden, und so Stromein- und Stromausgang am Umfang der Spule zugänglich sind.The wire-wound configurations according to the invention unfold their profit in the application of another at the same time registered invention, a special coil winding. Because at the conventional Air coils have the problem that the beginning of the conductor is inside the coil lies and the end on its outer circumference of the coil. Here is it is necessary that the inner conductor end over the entire coil bundle e.g. to the axially seated commutator. So far this is about the made axial winding head, which is then excluded from the air gap is, because otherwise the entire air gap is expanded by the conductor thickness should be however, in both cases Causes losses. You also have this problem with the ones presented here. Folded coils unfolded transversely to the direction of movement, if the inner surface of the coil wants to use without expanding the air gap. In the case of folded coils this problem mostly does not arise because most types of conductors are used can take place in the folding area. By being at the same time with this German patent application filed: 102 08 566.8-32 this problem is elegantly solved for the unfolded coils by each coil of coils wound in opposite directions, which are congruently assembled and the beginning of the ladder are connected to each other within the two coil parts, and so current input and current output on the circumference of the coil are accessible.

Ein Verfahren der Wicklung der quer zur Bewegungsrichtung ungefalteten Spulen mit Leiterdraht wird mit einem speziellen Wickeldorn vorgenommen, der einerseits die Spule in axialer Richtung des Wickeldornes beidseitig begrenzt und andererseits in dieser Begrenzung Löcher aufweist, in die die Wickelpfosten oder Wickelstifte während des Wickelvorganges eingesetzt werden oder von außen durchgeschoben werden, wobei die Löcher vorteilhafterweise in beiden axial gegenüberliegenden Spulenbegrenzungen des Dornes ausgeführt sind, so dass die Stifte durch die deckungsgleichen Löcher beider Begrenzungen geschoben werden können. So sind im Falle der kreissegmentförmigen Spulen, am Anfang des Wickelvorganges drei Pfosten im Zentrum der Spule fest eingebaut oder ein Körper mit dreieckförmiger Schnittfläche ist zwischen den Begrenzungen vorhanden. Während des Wickelvorganges werden die Pfosten langenweise vorn Innenbereich der Spule zum Außenbereich axial eingesetzt oder eingeschoben. Soll die Spule freitragend sein, wird sie durch Erhitzen anschließend verfestigt (verbacken) oder sie wird vergossen.A method of winding the cross for the direction of movement of unfolded coils with conductor wire a special winding mandrel made of the one hand the coil limited on both sides in the axial direction of the winding mandrel and on the other hand holes in this boundary has, in which the winding posts or winding pins during the Winding process are used or pushed from the outside, being the holes advantageously in both axially opposite coil boundaries of the thorn so that the pins pass through the congruent holes of both Limits can be pushed. So in the case of coils in the shape of a segment of a circle, at the beginning of the Three posts firmly installed in the center of the coil or a body with triangular section exists between the boundaries. During the winding process, the Long post from the inside of the coil to the outside axially inserted or inserted. If the coil is to be self-supporting, is it subsequently solidified (baked) by heating or it is shed.

Der gleiche Wickelvorgang wird, in einer Ausgestaltung dieses Herstellungsverfahrens, auf einem separaten Wickelkörper, auf dem Dorn sitzend, vorgenommen, der die gleichen Löcher aufweist für die Stifte, wie die axialen Spulenbegrenzungen des Dornes, wobei die Stifte in diesem Fall nach der Wicklung vorzugsweise in der Wicklung bleiben. Um die fertige Spule oder die Spule samt Wickelkörper zu entnehmen, ist die eine axiale Spulenbegrenzung des Dornes abnehmbar.The same wrapping process is done in an embodiment of this manufacturing process, on a separate Bobbin, sitting on the mandrel, which has the same holes for the Pins, such as the axial coil limits of the mandrel, the Pins in this case after winding preferably in the winding stay. To remove the finished bobbin or the bobbin including the winding body, the axial coil limit of the mandrel can be removed.

Der Wickelvorgang für eine Spule, die nur einen umfangsseitigen Abschnitt der Kreissegmentform belegt. wird im Unterschied zur kreissegmentförmigen Spule mit 4 Stiften pro Spulenbündellage vorgenommen. Auch mehr Stifte pro Lage sind in einer anderen Ausgestaltung ausgeführt, um beispielsweise den umfangsseitigen Kreisbogen zu gestalten. Die gleichen Wickelungsverfahren können angewendet werden für die quer zur Bewegungsrichtung gefalteten Spulen mit z.B. beidseitiger Achsannäherung, in dem die Spulen aufgeklappt in einer Ebene auf einem rautenförmigen Wickelgrundkörper gewickelt und anschließend in die Endform gefaltet und gepresst werden.The winding process for a coil that only occupies a peripheral section of the circular segment shape. in contrast to the circular segment-shaped coil 4 Pins made per coil bundle layer. In another embodiment, more pins per layer are also designed, for example to design the circumferential circular arc. The same winding methods can be used for the coils folded transversely to the direction of movement with, for example, axis approach on both sides, in which the coils are wound open in one plane on a diamond-shaped winding base body and then folded and pressed into the final shape.

Die drahtgewickelten Spulen bieten durch die Löcher, wo beim Wickelvorgang die Stifte platziert waren, die Möglichkeit der effektiven Kühlung, in dem durch die Löcher Kühlmittel während des Betriebes geleitet wird. so dass größere Stromdichten erreicht werden können.The wire wound coils offer through the holes, where the pens were placed during the winding process effective cooling, in through the holes coolant while of the company. so that greater current densities are achieved can.

Einige Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung und eine Herstellungsvorrichtung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen beschrieben. Sie zeigen inSome further developments and refinements of the invention and a manufacturing device are described below with reference to drawings wrote. You show in

1 vergleichsweise in der linken Hälfte herkömmliche und in der rechten Hälfte erfindungsgemäße kreissegmentförmige Spulen, mit ihren Polflächen, auf einer kreisförmigen Maschinenfläche angeordnet; und in 1 comparatively in the left half conventional and in the right half inventive circular segment-shaped coils, with their pole faces, arranged on a circular machine surface; and in

2 einen axialen Querschnitt durch einen Wickelkörper eines Wickeldornes, mit fertig gewickelter kreissegmentförmiger Spule, und in 2 an axial cross section through a winding body of a winding mandrel, with a fully wound circle segment-shaped coil, and in

3 vergleichsweise eine herkömmliche Spule 16 mit erfindungsgemäßen Spulen, die jeweils einen Kreissegmentwinkel γ der kreisförmigen Maschinenfläche belegen, und in 3 comparatively a conventional coil 16 with coils according to the invention, each occupying a circular segment angle γ of the circular machine surface, and in

4 vergleichsweise zu der herkömmlichen Spule 16 von 3 weitere erfindungsgemäße Spulen, die jeweils einen Kreissegmentwinkel γ der kreisförmigen Maschinenfläche belegen, und in 4 compared to the conventional coil 16 of 3 further coils according to the invention, each occupying a circular segment angle γ of the circular machine surface, and in

5 vergleichsweise in der linken Hälfte herkömmliche und in der rechten Hälfte erfindungsgemäße Spulenabschnitte von gebogenen und/oder gefalteten Spulen, die sich der Achse nähern, und in 5 comparatively in the left half conventional coil sections according to the invention and in the right half of curved and / or folded coils which approach the axis, and in

6 und 7 zwei Schnittdarstellungen einer Doppel-Scheibenmaschine, die die Vergleichsmaschine zu den erfindungsgemäßen Luftspulen innerhalb der in 8 bis 15 gezeigten Maschinen ist, wobei die 6 einen Querschnitt durch 7 und 7 einen Schnitt entlang der Linie I-I in 6 darstellen, und in 6 and 7 two sectional views of a double-disc machine, the comparison machine to the air coils according to the invention within the in 8th to 15 machines shown, the 6 a cross section through 7 and 7 a section along the line II in 6 represent, and in

8 und 9 vergleichsweise zu der Maschine in 6 und 7, zwei Schnittdarstellungen einer Doppel-Scheibenmaschine und erfindungsgemäße Luftspulen innerhalb dieser, wobei die 8 einen Querschnit durch 9 und 9 einen Schnitt entlang der Linie II-II in 8 darstellen, und in 8th and 9 compared to the machine in 6 and 7 , Two sectional views of a double-disc machine and air coils according to the invention within this, the 8th a cross section through 9 and 9 a section along the line II-II in 8th represent, and in

10 und 11 vergleichsweise zu der Maschine in 6 und 7, zwei Schnittdarstellungen einer Doppel-Scheibenmaschine und erfindungsgemäße Luftspulen innerhalb dieser, wobei die 10 einen Querschnitt durch 11 und 11 einen Schnitt entlang der Linie III-III in 10 darstellen, und in 10 and 11 compared to the machine in 6 and 7 , Two sectional views of a double-disc machine and air coils according to the invention within this, the 10 a cross section through 11 and 11 a section along the line III-III in 10 represent, and in

12 und 13 vergleichsweise zu der Maschine in 6 und 7, zwei Schnittdarstellungen einer Doppel-Scheibenmaschine und erfindungsgemäße Luftspulen innerhalb dieser, wobei die 12 in 6 und 7, einen Querschnitt durch 13 und 13 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in 12 darstellen, und in 12 and 13 compared to the machine in 6 and 7 , Two sectional views of a double-disc machine and air coils according to the invention within this, the 12 in 6 and 7 , a cross section through 13 and 13 a section along the line IV-IV in 12 represent, and in

14 und 15 vergleichsweise zu der Maschine in 6 und 7, zwei Schnittdarstellungen einer Doppel-Scheibenmaschine und erfindungsgemäße Luftspulen innerhalb dieser, wobei die 14 einen Querschnitt durch 15 und 15 einen Schnitt entlang der Linie V-V in 14 darstellen. 14 and 15 compared to the machine in 6 and 7 , Two sectional views of a double-disc machine and air coils according to the invention within this, the 14 a cross section through 15 and 15 a section along the line VV in 14 represent.

1: Zeigt verschiedene kreissegmentförmige Spulen für Axialfeldbereiche und eine Nutzung über den vollen Segmentwinkelbereich γ, die kreisförmig als Teil einer Scheibenwicklung angeordnet sind. Zum Vergleich der Flächennutzung sind herkömmlich gewickelte Spulen 1 auf der Linken Kreishälfte und deren Polfläche 13 zusammen mit der erfundenen gewickelten Spule 3 und deren Polfläche 10 auf der rechten Kreisfläche angeordnet. Bei den herkömmlichen Spulen sind die großen ungenutzten Bereiche 7, 8 der Polfläche gut sichtbar, wobei die Leiter in diesen Bereichen bogenförmig oder in Bewegungsrichtung verlaufen und damit, selbst, wenn die Pole diese gesamte Spulenfläche abdecken, eine geringe Wirksamkeit aufweisen. Denn ihre maximal wirksame Länge im achsnahen Bereich ist begrenzt und wird nur in einem Punkt der Maschinendrehung (entlang des Radius R₁) wirksam und im Umfangsbereich nur im Bereich der in Bewegungsrichtung verlaufenden geraden Leiter (Winkel α). Hingegen bei den erfindungsgemäßen Spulen 3, verlaufen die Leiter in den Ecken der Kreissegmentform im wesentlichen weiter gerade und sind damit hochwirksam, wobei die Kreissegmente der Maschinenfläche in den Ecken voll genutzt werden, so wie auch die maximal möglichen Polflächen bis hin in den achsnächsten Bereich. 1 : Shows various circular segment coils for axial field areas and use over the full segment angle range γ, which are arranged in a circle as part of a disk winding. Conventionally wound coils are used to compare the area used 1 on the left half of the circle and its pole face 13 along with the invented coiled coil 3 and their pole face 10 arranged on the right circular area. With the conventional coils, the large unused areas are 7 . 8th the pole surface is clearly visible, the conductors in these areas running in an arc or in the direction of movement and thus have little effectiveness, even if the poles cover this entire coil surface. Because their maximum effective length in the area close to the axis is limited and only becomes effective at one point of the machine rotation (along the radius R ₁ ) and in the peripheral area only in the area of the straight conductors running in the direction of movement (angle α). In contrast, with the coils according to the invention 3 , the conductors in the corners of the circular segment shape remain essentially straight and are therefore highly effective, the circular segments of the machine surface in the corners being fully used, as well as the maximum possible pole surfaces right down to the area closest to the axis.

Weiterhin ist eine Wirksamkeitsberechnung (z.B. Spannungserzeugung im Generatorbetrieb) für die Spulenseiten des äußeren Spulenbündels eingezeichnet. Der Gewinn an wirksamer Leiterlänge ist im achsnahen Bereich zwar größer als im Umfangsbereich, dafür sind die Umfangsgeschwindigkeiten dort größer, so dass hier auch nur kurze Gewinne von wirksamen Leiterlängen eine wesentliche Steuerung der Effizienz der Maschine zur Folge haben.Furthermore, an effectiveness calculation (e.g. Voltage generation in generator mode) for the coil sides of the outer coil bundle. The gain in effective conductor length is larger than in the area close to the axis in the circumferential area, for that the peripheral speeds are greater there, so here too short gains of effective conductor lengths provide essential control of the Machine efficiency.

So liefert beispielsweise beim äußeren Spulenbündel 31 der Spule 3 der herkömmlich genutzte Polbereich 13 (bzw. Maschinenflächenbereich) 58,3% der Spannung, wohin gegen der erfindungsgemäßee Spulenaufbau zur Folge hat, dass im relativ langen Leitergewinn des achsnahen Bereiches 19,76% und im relativ kurzen Leitergewinn des Umfangsbereiches 21,94% der Gesamtspannung dieses Spulenstranges erzeugt werden, und dies über die volle Polweite. Dies entspricht vergleichsweise einem Spannungsgewinn von 70% gegenüber dem entsprechenden äußeren Spulenbündel der herkömmlichen Spule 1 mit der Polfläche 13. Der Spulenausnutzungsgrad der herkömmlichen Spule 1 mit der Polfläche 13 beträgt ξ_Sp = 0,42 und Bei Verwendung der Polfläche 14 aus 4 ξ_Sp = 0,59. Der Spulenausnutzungsgrad steigert sich erheblich durch die Verwendung der Spule 3 mit der Polfläche 10 zu ξ_Sp = 00,74. Hinzu kommt, dass wesentlich mehr Maschinenfläche und Polfläche auf effizientere Weise genutzt wird.For example, it delivers the outer coil bundle 31 the coil 3 the conventionally used pole area 13 (or machine surface area) 58.3% of the voltage, whereas the coil structure according to the invention has the result that 19.76% of the total voltage of this coil strand is generated in the relatively long conductor gain of the region near the axis and 21.94% in the relatively short conductor gain of the peripheral region , and this over the full pole width. This corresponds comparatively to a voltage gain of 70% compared to the corresponding outer coil bundle of the conventional coil 1 with the pole face 13 , The coil utilization rate of the conventional coil 1 with the pole face 13 is ξ _Sp = 0.42 and when using the pole face 14 out 4 ξ _Sp = 0.59. The coil utilization rate increases considerably through the use of the coil 3 with the pole face 10 to ξ _Sp = 00.74. In addition, significantly more machine area and pole area are used in a more efficient way.

Werden die Spulen 1 und 3 spulenbündelweise verglichen, ergibt dies, dass das äußere Spulenbündel, welches bei der Spule 3 (Spulenbündel 32) bis zum achsnahen Bereich 31 reicht und welches bei der Spule 1 einen weiten Bogen außerhalb der Polflächen vollzieht, bei der Spule 3 eine 2,31 mal so große Leistung ergibt wie bei der Spule 1. Das zweite Spulenbündel, welches als nächstes daran anschließend innen liegt, erreicht bei der Spule 3 (Spulenbündel 32) noch eine 1,78-fache Leistung gegenüber dem gleichen Spulenbündel der Spule 1.Will the coils 1 and 3 Comparing the coil bundles, this shows that the outer coil bundle, which is in the coil 3 (Coil bundle 32 ) up to the area close to the axis 31 is enough and which one with the coil 1 makes a wide arc outside the pole faces, with the coil 3 a power of 2.31 times that of the coil 1 , The second coil bundle, which is next to it on the inside, reaches the coil 3 (Coil bundle 32 ) still 1.78 times more power than the same coil bundle of the coil 1 ,

Das dritte Spulenbündel 33 (33 bei Spule 3), welches dann als nächstes daran anschließend innen liegt, ist bei beiden Spulen 1 und 3 gleich, so dass es bei beiden eine gleich große Leistung erbringt.The third coil bundle 33 ( 33 with coil 3 ), which is then next to it on the inside, is with both coils 1 and 3 the same, so that it performs equally well in both.

Insgesamt hat die Spule 3 eine ca. 1,65-fach größere Leistung als Spule 1, wobei 1,9 mal so viel Polfläche bei gleicher Maschinenfläche belegt wird und 1,57 mal so viel Leiter innerhalb der gleichen Maschinenfläche genutzt wird. Bei der Spule 4, die ein viertes Spulenbündel im Zentrum nutzt. steigt die Leistungsamplitude noch einmal um 21,4% gegenüber der von Spule 1 in diesem Spulenweitenbereich, so dass sich bei Spule 4 eine 1,84-fache Leistungsamplitude einstellt, ohne dass zusätzliche Polfläche verwendet werden muss.Overall, the coil has 3 an approx. 1.65 times greater output than a coil 1 , whereby 1.9 times as much pole area is occupied with the same machine area and 1.57 times as much conductor is used within the same machine area. With the coil 4 which uses a fourth coil bundle in the center. the power amplitude increases again by 21.4% compared to that of coil 1 in this coil width range, so that with coil 4 sets a 1.84-fold power amplitude without having to use additional pole face.

Außerdem wird in 1 eine Ausgestaltung der Erfindung mit der Spule 11 gezeigt. Die Verbesserungen treffen hier in abgeschwächter Form zu.In addition, in 1 an embodiment of the invention with the coil 11 shown. The improvements apply here in a weakened form.

Einfachheitshalber sind die Lagen der Spulen 3 und 11 hier, sowie auch in den anderen Figuren, nicht spiralförmig gezeichnet, sondern konzentrisch.For the sake of simplicity, the positions of the coils are 3 and 11 here, as in the other figures, not drawn spirally, but concentrically.

2 einen Querschnitt durch die Spulenhalterung eines Wickeldornes 16, zwischen einer fertig gewickelten Spule 3 und Halterungsrahmen, der als axiale Spulenbegrenzung wirkt und abnehmbar ausgeführt ist (hier nicht sichtbar), wobei der Betrachter in axialer Richtung des Wickeldornes blickt. Hier sind die Stifte 17 der Wickelvorrichtung gut sichtbar, um die die Spulen mit jewelis mehreren axialen Lagen gewickelt sind, wobei der andere Halterungsrahmen 19 sichtbar ist. 2 a cross section through the coil holder of a mandrel 16 , between a completely wound coil 3 and mounting frame, which acts as an axial coil limitation and is designed to be removable (not visible here), the viewer looking in the axial direction of the winding mandrel. Here are the pens 17 the winding device is clearly visible, around which the coils are wound with several axial layers, the other holding frame 19 is visible.

13 zeigt Spulen, die jeweils einen Kreissegmentwinkel γ belegen. Neben der herkömmlichen Spulen 16 mit der Polfläche A, die in Motoren von Diskettenlaufwerken eingesetzt wird, sind erfindungsgemäße Spulen zu sehen. Es sind weitere Polflächen B, C hier schraffiert hervorgehoben zu sehen, die für die erfindungsgemäßen Spulen in 3 und 4 gelten. 13 shows coils, each occupying a circle segment angle γ. In addition to the conventional coils 16 with the pole face A, which is used in motors of disk drives, coils according to the invention can be seen. There are further pole faces B, C highlighted here, which are shown in FIG 3 and 4 be valid.

Die Spule 9 ist eine Spule, die nur im Winkelbereich a genutzt wird, was bei Mehrphasenmotoren der Fall ist, da so ein konstantes Drehmoment gewährleistet ist. Die Spule ist für diese Anwendung optimiert (ähnlich, wie die Spule 43 in 4) in dem die Innenleiter und/oder Innenleiterlage der Spulenseiten auf dem Radius liegt und die anderen Spulenseiten dazu außen parallel versetzt eng anliegen. Eine weitere Besonderheit der Spule 9 ist die Nutzung des achsnahen Bereichs im Rahmen der Motoranwendung. Da im Winkelbereich a das Drehmoment konstant sein soll, dürfen hier keine wirksamen Leiteranteile liegen, so dass die Spulenseiten, die parallel versetzt zum Außenleiter, der sich an den Radius anlehnt, beim Erreichen des Winkelbereiches γ abknicken und in Verbindungsleiter übergehen. Auf diese Weise wird der achsnahe Bereich optimal im Rahmen der Anwendung in einer Mehrphasenmaschine genutzt.The sink 9 is a coil that is only used in the angular range a, which is the case with multi-phase motors, as this ensures a constant torque. The coil is optimized for this application (similar to the coil 43 in 4 ) in which the inner conductor and / or inner conductor position of the coil sides lies on the radius and the other coil sides lie tightly staggered on the outside parallel to it. Another special feature of the coil 9 is the use of the area close to the axis in the context of the motor application. Since the torque should be constant in the angular range a, there must be no effective conductor components here, so that the coil sides, which are offset parallel to the outer conductor, which is based on the radius, bend when the angular range γ is reached and merge into connecting conductors. In this way, the area close to the axis is optimally used in the context of the application in a multi-phase machine.

Die Spule 6 und die Spule 28 nutzen den achsnahen Raum in gleicher Weise. Sie nutzen jedoch den Umfangsbereich unterschiedlich. So sind in der Spule 6 drei Wickelpfosten in dem Spulenbündel zumindest bei der Wicklung eingefügt, wodurch erreicht wird, dass die äußeren Windungen und/oder Windungslagen über einen größeren Winkelbereich, als den des Winkels α, ihre volle wirksame Leiterlänge beitragen. Dadurch sinkt zwar die Leistung im Winkelbereich α der Spule. jedoch steigt die Gesamtleistung der Spule. Diese Spule 6 ist für eine Mischanwendung z.B. eine Motoranwendung im Winkelbereich α und eine Generatoranwendung über den vollen Winkel γ geeignet. Die Spule 28 ist auch für solche Mischanwendungen und schwerpunktmäßig für eine Generatoranwendung mit begrenzter maximaler Ausgangsspannung konzipiert. Das Leistungsvermögen über den vollen Winkel γ dieser Spule 28 ist gegenüber der von Spule 6 noch erhöht, da die Spulenseiten die volle Segmentwinkelbreite mit ihrer vollen wirksamen Leiterlänge nutzen. Der Dachwert der Leistung im Winkelbereich α ist jedoch kleiner als der von Spule 6.The sink 6 and the coil 28 use the space close to the axis in the same way. However, they use the circumferential area differently. So are in the spool 6 three winding posts inserted in the coil bundle at least during the winding, whereby it is achieved that the outer turns and / or turns layers contribute their full effective conductor length over a larger angular range than that of the angle α. As a result, the power drops in the angular range α of the coil. however, the overall performance of the coil increases. That coil 6 is suitable for a mixed application, for example a motor application in the angular range α and a generator application over the full angle γ. The sink 28 is also designed for such mixed applications and primarily for a generator application with a limited maximum output voltage. The performance over the full angle γ of this coil 28 is opposite that of coil 6 increased even further, since the coil sides use the full segment angle width with their full effective conductor length. However, the roof value of the power in the angular range α is smaller than that of the coil 6 ,

Spule 27 ist mit der Spule 28 vergleichbar, die jedoch gegenüber dieser, nur einen äußeren Abschnitt des Kreissegments der Maschine nutzt. Auch hier ist die Gesamtleistung der Spule über den vollen Winkel γ vergleichsweise zu Spule 16 und auch zur Spule 12 hoch.Kitchen sink 27 is with the coil 28 comparable, but compared to this, only uses an outer section of the circular segment of the machine. Here, too, the total power of the coil over the full angle γ is comparable to that of the coil 16 and also to the coil 12 high.

Spule 12 entspricht der Spule 6, nur dass, wie in Spule 27 und Spule 12 nur ein äußerer Teil der Maschinenfläche genutzt wird. Die in Spule 12 und Spule 27 eingefügten Wickelpfosten im achsnahen Bereich bewirken, dass die äußeren Leiter und/oder Leiterlagen der Spulenseiten in einem größeren Winkelbereich aktiv Nutzen bringen.Kitchen sink 12 corresponds to the coil 6 , just that, like in coil 27 and coil 12 only an outer part of the machine area is used. The one in coil 12 and coil 27 Inserted winding posts in the area near the axis have the effect that the outer conductors and / or conductor layers of the coil sides actively bring benefits in a larger angular range.

4 zeigt mit der Spule 43 eine für die Mehrphasenanwendung bzw. für die Teilwinkelnutzung innerhalb des Winkels α konzipierte Spule. Im Unterschied zur vergleichbaren Spule 9 in 3, wird hier der achsnahe Maschinenbereich nicht genutzt. Gegenüber der herkömmlichen Spule 16 ist diese Spule 43 wesentlich leistungsstärker, da für den gleichen Nutzwinkelbereich α die gleiche wirksame Länge bei jedoch wesentlich verkürzter Windungslänge erreicht wird. 4 shows with the coil 43 a coil designed for multi-phase use or for partial angle use within the angle α. In contrast to the comparable coil 9 in 3 , the machine area close to the axis is not used here. Compared to the conventional coil 16 is this coil 43 much more powerful, since the same effective length is achieved for the same useful angle range α, but the winding length is significantly shortened.

Mit den Spulen 30, 25, 26 sind Spulen für Mischanwendungen mit Nutzung des axialen Bereichs gezeigt.With the coils 30 . 25 . 26 coils for mixed applications using the axial range are shown.

Die Besonderheit der Spule 30 ist die, dass die mittlere Windung des gesamten Spulenseitenbündels, in ihrem umfangsseitigen Teil, auf dem Radius liegt und die anderen Spulenseiten dazu parallel versetzt. Die Spulenseiten nutzen die maximale radiale Ausdehnung. Im Umfangsbereich wurde dies durch Aufteilung in drei Spulenbündel erreicht, die z.B. um unterschiedliche Wickelpfosten gewickelt wurden. Der achsnahe Bereich entspricht der, von Spule 9. Aufgrund der breitwinkligen umfangsseitigen Spulennutzung ist der Nutzungsbereich außerhalb des Winkels a gestärkt, was bei einem generatorischen Betrieb über den vollen Kreissegmentwinkel γ eine höhere Leistung ergibt als bei der Spule 6.The peculiarity of the coil 30 is that the middle turn of the entire coil side bundle, in its peripheral part, lies on the radius and the other coil sides offset parallel to it. The coil sides use the maximum radial expansion. In the peripheral area, this was achieved by dividing it into three coil bundles, which were wound around different winding posts, for example. The area close to the axis corresponds to that of coil 9 , Because of the wide-angled circumference When using the coil, the area of use outside of the angle a is strengthened, which results in a higher output when the generator is operated over the full circle segment angle γ than with the coil 6 ,

Die Besonderheit der Spule 25 liegt in der umfangsseitigen Aufteilung der Spulenseiten in die Spulenbündel 37, 38, 39, ähnlich, wie bei der Spule 30. Im Unterschied dazu verlaufen die Spulenseiten der Bündel entlang verschiedenen Radien, wobei der innere Leiter und/oder die innere Leiterlage eines jeden Spulebündels innenseitig an den Radius anliegt. Auf diese Weise ist der Verlauf jedes Spulenbündels den Idealbedingungen bei einer Nutzung des vollen Segmentwinkels γ sehr nahe. Das gleiche gilt auch für die Lage der Spulenbündel im Außenbereich der Spulen 26 und 29, wobei in Spule 26 die vergleichbaren Spulenbündel 37, 38, 39 mit ihrer mittleren Windung auf dem Radius liegt und bei der Spule 29 jedes Spulenbündel mit der äußeren Windung sich an den Radius anlehnt. Wie zu sehen ist steigt die Flächennutzung des Kreissegments im Umfangsbereich mit der Spule 25 beginnend, über die Spule 26 hin zur Spule 29. Je größer diese Flächennutzung bei der Spule in Bewegungsrichtung ist, desto mehr ist sie schwerpunktmäßig auf den Betrieb über den vollen Segmentwinkel γ ausgelegt und desto geringer ist die Motorleistung bei einer Nutzung nur über den Winkel a. Die Spule 29 ist ebenfalls im achsnahen Bereich für diesen Betrieb ausgelegt und deshalb für eine Generatoranwendung wie z.B. zur Batterieladung prädestiniert.The peculiarity of the coil 25 lies in the circumferential division of the coil sides into the coil bundle 37 . 38 . 39 , similar to the coil 30 , In contrast to this, the coil sides of the bundles run along different radii, the inner conductor and / or the inner conductor layer of each coil bundle being in contact with the radius on the inside. In this way, the course of each coil bundle is very close to the ideal conditions when using the full segment angle γ. The same also applies to the position of the coil bundles in the outer area of the coils 26 and 29 , being in coil 26 the comparable coil bundles 37 . 38 . 39 with its average turn lies on the radius and at the coil 29 each coil bundle with the outer turn leans on the radius. As can be seen, the area usage of the circle segment increases in the circumferential area with the coil 25 starting over the spool 26 towards the coil 29 , The greater this surface use for the coil in the direction of movement, the more it is designed primarily for operation over the full segment angle γ and the lower the motor power when used only over the angle a. The sink 29 is also designed for this operation in the area close to the axis and is therefore predestined for a generator application such as battery charging.

Die Spule 5 zeigt im Umfangsbereich die gleich Nutzung, wie die Spule 25 und im achsnahen Bereich die gleiche, wie die der Spule 43. Somit ist auch die Spule 5 für eine Mischanwendung geegignet.The sink 5 shows the same usage in the circumferential area as the coil 25 and in the area close to the axis, the same as that of the coil 43 , So is the coil too 5 suitable for a mixed application.

5: zeigt in ähnlicher Weise wie 1 einen Vergleich von Spulenbereichen, die sich der Achse nähern, zwischen herkömmlich gefalteten Spulen 23 und der erfindungsgemäßen Spule 21. Hier ist der Gewinn im achsnahen Bereich der Spulenwindungen und in der Maschinenflächennutzung zu sehen. Zum Beispiel liefert das äußere Spulenbündel des dargestellten Spulenabschnittes der Spule 21 im gewonnenen axialen Bereich ca. 20% seiner Leistung und das entspricht einem Spannungszuwachs von ca. 25% gegenüber dem gleichen Spulenbündel der Spule 23 mit der Polform 14. Der Spulenausnutzungsgrad des dargestellten Spulenabschnittes der Spule 23 mit der Polfläche 14 liegt bei ξ_Sp = 0,82 und bei der Spule 21 bei ξ_Sp = 0,98. 5 : shows in a similar way as 1 a comparison of coil areas approaching the axis between conventionally folded coils 23 and the coil according to the invention 21 , The profit can be seen here in the area of the coil turns close to the axis and in the use of the machine area. For example, the outer coil bundle of the illustrated coil section provides the coil 21 approx. 20% of its power in the axial area gained and this corresponds to a voltage increase of approx. 25% compared to the same coil bundle of the coil 23 with the pole shape 14 , The coil utilization rate of the illustrated coil section of the coil 23 with the pole face 14 is ξ _Sp = 0.82 and the coil 21 at ξ _Sp = 0.98.

Die Spule 22 zeigt im achsnahen Bereich die gleiche Nutung wie die Spule 21 und im Umfangsbereich eine Nutung ähnlich der von Spule 29 in 4, die auf im Schnitt quer zur Bewegungsrichtung gefaltete Spulen angewendet wurde.The sink 22 shows the same grooving as the coil in the area near the axis 21 and in the peripheral area a groove similar to that of coil 29 in 4 applied to spools folded in cross-section to the direction of movement.

Außerdem wird der Spulenabschnitt der Spule 20 gezeigt, für den die Vorteile der Spule 21 in abgeschwächter Form gelten.In addition, the coil section of the coil 20 shown for whom the advantages of the coil 21 apply in a weakened form.

In den 6 bis 15 ist die erfindungsgemäße achsnahe Nutzung der Spulen auf Einzelspulen einer Drehstromwicklung einer Doppel-Scheibenmaschine (Scheibenmaschine mit beidseitiger Achsannäherung) der Patentanmeldung PCT WO 00/30238 angewendet.In the 6 to 15 the use of the coils close to the axis according to the invention is applied to individual coils of a three-phase winding of a double-disk machine (disk machine with axis approach on both sides) of the patent application PCT WO 00/30238.

6 und 7 zeigen Schnittansichten einer Doppel-Scheibenmaschine mit einer Dreiphasenwicklung bestehend aus Einzelluftspulen. Wie bei herkömmlichen Scheibenmaschinen ist die Achsannäherung auch hier begrenzt und die Verbindungsleiter verlaufen als Wickelköpfe außerhalb des Magnetfeldes. Die Spule 36 hat an sich schon einen sehr hohen Spulenausnutzungsgrad von ξ_Sp = 0,5793. Eine vergleichbare Spule einer herkömmlichen Scheibenwicklung mit einem Wickelkopf im Umfangsbereich hat dagegen nur einen Spulenausnutzungsgrad von ξ_Sp = 0,34314. In 7 ist eine Polfläche 35 schraffiert hervorgehoben. 6 and 7 show sectional views of a double-disc machine with a three-phase winding consisting of individual air coils. As with conventional disc machines, the axis approach is also limited here and the connecting conductors run outside the magnetic field as winding heads. The sink 36 has a very high coil utilization rate of ξ _Sp = 0.5793. A comparable coil of a conventional disc winding with a winding head in the peripheral area, however, only has a coil utilization factor of ξ _Sp = 0.34314. In 7 is a pole face 35 highlighted with hatching.

8 und 9 zeigt eine erfindungsgemäße Variante der Maschine von 6 und 7, in der der achsnahe Bereich durch die Spulen 39 und eine vergrößerte Polfläche 35 genutzt wird. Innerhalb des Winkels α sind die Maschinenwerte dieser Spule konstant. In 8 ist ersichtlich, dass auch dir achsnahe Bereich mir Magnetpolen belegt ist. die die doppelte Polhöhe haben, um den erweiterten Luftspalt der sich überlappenden Spulen auch mit einem starken Feld auszustatten. Die Magnetpolfläche steigt dadurch um 32% und das Magnetvolumen um 64% gegenüber der der Maschine in 6 und 7, wobei aber ein Leistungsgewinn von 60% bei einer Steigerung des Spulenausnutzungsgrades von 43% zu verzeichnen ist. 8th and 9 shows an inventive variant of the machine of 6 and 7 , in which the area close to the axis through the coils 39 and an enlarged pole area 35 is being used. The machine values of this coil are constant within the angle α. In 8th it can be seen that the area close to the axis is also occupied by magnetic poles. which have twice the pole height in order to provide the expanded air gap of the overlapping coils with a strong field. This increases the magnetic pole area by 32% and the magnet volume by 64% compared to that of the machine in 6 and 7 , but with a performance gain of 60% with an increase in the coil utilization rate of 43%.

10 und 11 zeigt eine erfindungsgemäße Variante der 8 und 9, in der der achsnahe Bereich durch die Spule 40 genutzt wird. Die Besonderheit hier gegenüber der Spule 39 liegt darin innerhalb eines Winkels von α = 30° keine wirksamen Leiteranteile zu haben, damit die Maschinenwerte innerhalb dieses Winkels konstant sind. Dies wird durch die in 3 zur Spule 9 beschriebenen Technik erreicht. Dadurch mindert sich der Spulenausnutzungsgrad gegenüber der Spule 39 geringfügig. 10 and 11 shows a variant of the invention 8th and 9 , in which the area close to the axis through the coil 40 is being used. The special feature here compared to the coil 39 is to have no effective conductor components within an angle of α = 30 ° so that the machine values are constant within this angle. This is through the in 3 to the coil 9 described technology achieved. This reduces the degree of coil utilization compared to the coil 39 slightly.

12 und l 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Variante der 8 und 9, in der der achsnahe Bereich durch die Spule 41 ähnlich, wie durch die Spule 39 in 9, genutzt wird. Darüber hinaus wird auch der Umfangsbereich optimiert auf einen Nutzungswinkel von α = 30° effizienter genutzt, in dem der innere Leiter und/oder die innere Leiterlage der Spule 41 an den Radius angelehnt ist. Durch diese Veränderung passiert ein weiterer positiver Effekt gegenüber der Spule 39 oder der Spule 40, der darin besteht, dass Freiräume zwischen den Spulen geschaffen werden. 12 and l 3 shows a further variant of the invention 8th and 9 , in which the area close to the axis through the coil 41 similar to how through the coil 39 in 9 , is being used. In addition, the circumferential area optimized for a utilization angle of α = 30 ° is used more efficiently, in which the inner conductor and / or the inner conductor position of the coil 41 is based on the radius. This change has another positive effect on the coil 39 or the coil 40 , which consists in creating free spaces between the coils.

Diese Freiräume werden wie in 14 und 15 gezeigt durch eine kleine Spule 42 genutzt. Diese Spule selbst hat einen Spulenausnutzungsgrad von ξ_Sp = 0,77 und bringt in ihrem Winkelbereich eine erhebliche Leistungssteigerung, wenn sie mit der Hauptspule 41 sich ergänzend zusammengeschaltet wird. Die Spule 42 kann aber auch zur Leistungsminderung der Leistung der Spule 4l eingesetzt werden, wenn die hohe Leistung der Spule 41 von der Leistungselektronik nicht nutzbringend eingespeist werden kann oder deren hohen Werte eine Zerstörung verursachen kann, sondern durch eine aufwendige äußere Zuführung eines entgegengesetzten Stromes gedrosselt wird, was den Wirkungsgrad der Maschine erheblich mindert. Das würde bei dem Einsatz der Spule 42 als Leistungsminderer nicht der Fall sein.These open spaces are like in 14 and 15 shown by a small coil 42 used. This coil itself has a coil utilization factor of ξ _Sp = 0.77 and brings a considerable increase in performance in its angular range if it is used with the main coil 41 is also interconnected. The sink 42 can also reduce the performance of the coil 4l be used when the high power of the coil 41 cannot be usefully fed in by the power electronics or whose high values can cause destruction, but is throttled by a complex external supply of an opposite current, which considerably reduces the efficiency of the machine. That would be when using the coil 42 not be the case as a performance reducer.

Des weiteren können alle Varianten der Umfangsbereichsnutung und der Nutzung des achsnahen Bereichs kombiniert werden.Furthermore, all variants of the circumferential area grooving can and the use of the area close to the axis.

Claims

Air coil ( 3 ) within rotating electrical machines, which is wound as a single coil of wire and whose coil sides in the air gap approach at least one side of the axis or shaft and in these electrical machines, magnetic poles preferably alternate at the same distance around an axis ( 24 ) or wave ( 1 ) group, which are preferably axially magnetized perpendicular to the air gap and axially opposite the air coils, which are also concentrically attached at approximately the same distance from the axis as the magnetic poles ( 10 or 13 or 14 ), and axially the magnetic poles cover the same area in the radial direction as the air coils penetrated by the magnetic field of the poles and the magnetic poles relative to the coils ( 3 ) rotate, and each air coil at maximum energy conversion runs simultaneously in the effective range of both opposite magnetic poles attached at least on one side of the coil, they are designed as a whole coil or coil part in the form of a circular segment, triangular shape or a section thereof, as a single coil, the coil sides in area approaching the axis or shaft, essentially radially or radially projected, characterized in that the air coil ( 3 ) is designed so that the outer coil sides of each coil, at least as a single conductor, at their two ends, their, essentially radial or radially projected, course continuously up to the outer, axis-side and / or peripheral edge region or up to the two outer axis-side edge regions , the available machine surface or a section of it, and at this edge area change into a sharp bend or change of direction into conductors that connect two coil sides to each other and that run essentially in the direction of movement, and / or the coil sides in the axis area make a bend at an obtuse angle and then run essentially parallel or offset to the radius further in the direction of the axis, and / or the coil sides in the axis region make a very sharp bend or a tight curve and then directly essentially on a different radius or on one Per injection of this run, which with maximum energy conversion in the effective range of the opposite pole ( 10 or 13 or 14 ), and the circumferentially adjacent coil sides of the coil run in a similar manner, as far as the coil sides surrounding them or a space within the angle α, which is to remain free of coil sides, allow this and form the limit for their expansion.

Air coil, inside rotating electrical Machines according to the preamble of claim 1, characterized in that that the air coil puts several in the air gap plane to each other includes lying conductor turns and / or layers of conductor turns and that the coil sides of the inner conductor and / or conductor layer on the radius or nestle against it and all outer conductors and / or conductor layers as close as possible to the inner conductor or the inner conductor layer is wound up and the turns within an angle a, on the legs of which the inner conductors and / or There are conductor layers, no effective conductor components, only ineffective ones Connection conductor of the coil sides, contains.

Air coil inside rotating electrical Machines according to one of the claims 1 or 2, characterized in that several of the coil Coil axis related, radially offset from each other touching Conductor or conductor layers as a coil bundle of a conductor layer or as a coil bundle several conductor layers the maximum circumferential and / or axially Carry out radial expansion.

Air coil. within rotating electrical Machines according to one of the claims 1 to 3, characterized in that the conductor in the area near the axis or the conductor layers of the coil sides along a radius and thus at different distances from the machine axis, in a short Bend the bend and into the connecting conductor in the direction of movement run over Rotate.

Air coil, within rotating electrical machines, according to one of claims to 4, characterized in that the conductors or bundles of conductors approach the peripheral region in relation to different radii in which - the inner conductor or the inner conductor layer lies on the radius and the other conductors or Conductor layers of the same coil bundle are nestled parallel to it on the outside or - the center conductor or the middle conductor layer lies on the radius and the other conductor or conductor layers of the same coil bundle are nestled parallel to it inside and outside, or - the outer conductor or the outer conductor layer lies on the radius and the other conductor or conductor layers of the same coil bundle lie nestled parallel to it inside.

Manufacturing process for winding air coils from conductor wire within rotating electrical machines, according to one of claims 1 to 5, characterized in that the coil is wound on a winding mandrel ( 16 ) is wound, the winding base body of two axially offset bodies ( 19 ), preferably in plate form, which protrude beyond its cross-sectional area, and delimit a winding space for receiving the coil to be wound or a removable winding body as a carrier for the coil to be wound, characterized in that the winding base body of the mandrel has a segmented or segmented shape or diamond-shaped cross-sectional area in radial section or pins ( 17 ), which are arranged in such a way that they keep such a cross-sectional area free in the middle of the coil during the winding process, the plate-shaped boundaries ( 19 ), as well as the removable bobbin, if it is used, are axially congruent and have holes into which winding pins or posts (in layers) from the inner area of the coil to the outer area of the bobbin during the winding process ( 17 ) are inserted or pushed axially around which one or more coil layers are wound before a layer of pins is inserted or inserted into the corners of the next larger circular segment-shaped coil surface near the axis and / or in the peripheral region of the coil.

Manufacturing method for winding air coils from conductor wire within rotating electrical machines, according to claim 6, characterized in that the coil according to the invention (for example ( 3 ) or ( 11 )) directly on the mandrel or after it is pre-fixed and from the mandrel, by removing a limit ( 19 ), has been removed, baked or cast into a self-supporting coil.

Manufacturing method for winding air coils from conductor wire within rotating electrical electrical machines, according to claim 6, characterized in that the coil according to the invention (eg 3 . 11 . 20 or 21 ) is pre-fixed on the mandrel, by removing a limit (from the mandrel) 19 ), and is then shaped by a shaping device in accordance with the, in and / or transverse to the direction of movement, bent or folded air gap, and then the final fixation is preferably obtained by baking or casting.

Air coil, inside rotating electrical Machines and their manufacturing processes, according to one of claims 1 to 8, characterized in that the coils are made in the same time German patent application pending: 102 08 566.8-32 presented, axially offset from each other, alternating left-hand and right-hand coils exist and / or the coils according to one of the German patent applications filed at the same time Case number: 102 08 566.8-32 presented manufacturing process be wrapped, using spacers instead of winding posts (e.g. in the form of a single-shell rotational hyperboloid with the height of the wire diameter) between the conductors in each conductor position separately and remaining introduced can be.