DE112020000520T5

DE112020000520T5 - Elektrische Maschine mit verteilter Wicklung mit doppelten Kreuzendschleifen

Info

Publication number: DE112020000520T5
Application number: DE112020000520.8T
Authority: DE
Inventors: Kirk Neet; Tausif Husain
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2021-10-07
Also published as: WO2020154506A1; US20210126501A1; US10998788B2; US11557933B2; US20200244126A1; CN113396528A

Abstract

Eine elektrische Maschine mit einem Stator, der einen Statorkern und darauf angeordnete Wicklungen aufweist. Der Statorkern hat eine Mehrzahl von darin ausgebildeten Nuten und eine in der Mehrzahl von Nuten angeordnete Wicklung. Die Wicklung umfasst mindestens vier Parallelpfade, die in Nutensätzen des Statorkerns verteilt sind. Jeder Nutensatz enthält mindestens vier zusammenhängende Nuten, darunter zwei linke Nuten und zwei rechte Nuten. Ein erster Parallelpfad und ein zweiter Parallelpfad sind in den beiden linken Nuten für mindestens eine erste Umdrehung der Wicklung um den Kern angeordnet. Der erste parallele Pfad und der zweite parallele Pfad sind in den beiden rechten Nuten für mindestens eine weitere Umdrehung der Wicklung um den Kern angeordnet.

Description

GEBIET
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Maschinen, insbesondere auf Wicklungsanordnungen für elektrische Maschinen.
HINTERGRUND
Elektrische Maschinen sind so konstruiert, dass sie je nach der beabsichtigten Anwendung der elektrischen Maschine bestimmte Betriebsanforderungen erfüllen. Abhängig von der spezifischen Konstruktion der elektrischen Maschine weist die Maschine verschiedene Leistungsmerkmale auf. Beispiele für Konstruktionsmerkmale, die zur Betriebsleistung beitragen, sind die Statorgröße, die Rotorgröße, die Drehmomentabgabe, der Wirkungsgrad, die Art und Anordnung der Wicklungen, die Anzahl der Statornuten, die Anzahl der Pole, die Anzahl der Nuten pro Pol pro Phase, die Anzahl der Leiter pro Nut, die Anzahl der parallelen Pfade pro Phase, die Anzahl der Windungen und verschiedene andere Konstruktionsparameter, wie von Fachleuten erkannt wird.
Es wäre wünschenswert, eine elektrische Maschine mit einer verteilten Wicklungsanordnung bereitzustellen, die eine verbesserte Leistung, einen besseren Wirkungsgrad und eine bessere Kühlbarkeit aufweist. Es wäre auch vorteilhaft, wenn eine solche Wicklungsanordnung eine verbesserte sinusförmige Wellenform für einen Stator bereitstellen würde, die die Oberwellen EMF reduziert und die Drehmomentwelligkeit in der Maschine verringert. Es wäre vorteilhaft, wenn eine solche Wicklungsanordnung in verschiedenen Leistungsanwendungen eingesetzt werden könnte, einschließlich verschiedener elektrischer und/oder hybrid-elektrischer Fahrzeuganwendungen. Es wäre von weiterem Vorteil, wenn eine solche Wicklungsanordnung so bereitgestellt werden könnte, dass die elektrische Maschine einfach hergestellt werden kann, wodurch die Herstellungskosten reduziert werden. Obwohl es wünschenswert wäre, eine elektrische Maschine bereitzustellen, die eines oder mehrere dieser oder andere vorteilhafte Merkmale aufweist, wie sie für diejenigen, die diese Offenbarung durchsehen, offensichtlich sein mögen, erstrecken sich die hier offengelegten Lehren auf diejenigen Ausführungsformen, die in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen, unabhängig davon, ob sie einen oder mehrere der oben genannten Vorteile erreichen.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß mindestens einer Ausführungsform der Offenbarung umfasst eine elektrische Maschine einen Stator mit einem Statorkern und einer Wicklung. Der Stator umfasst eine Mehrzahl von darin ausgebildeten Nuten. Die Wicklung ist in der Vielzahl von Nuten des Statorkerns angeordnet. Die Wicklung enthält mindestens vier parallele Pfade, die in Nutensätzen des Statorkerns verteilt sind. Jeder Nutensatz enthält mindestens vier zusammenhängende Nuten, darunter zwei linke Nuten und zwei rechte Nuten. Ein erster paralleler Pfad und ein zweiter paralleler Pfad sind in den beiden linken Nuten für mindestens eine erste Umdrehung um den Kern angeordnet. Der erste parallele Pfad und der zweite parallele Pfad sind in den beiden rechten Nuten für mindestens eine weitere Umdrehung um den Kern angeordnet.
In mindestens einer Ausführungsform der Offenbarung umfasst ein Stator für eine elektrische Maschine einen Statorkern und mindestens eine Statorwicklung. Der Statorkern umfasst eine Vielzahl von Nuten, und die Statorwicklung ist in der Vielzahl von Nuten angeordnet. Die mindestens eine Statorwicklung umfasst mindestens vier parallele Pfade für jede Phase, wobei jeder parallele Pfad nuteninterne Leiter umfasst, die durch Endschleifen verbunden sind, wobei jede der Endschleifen durch einen Endschleifenabstand definiert ist und jeder parallele Pfad mindestens vier verschiedene Endschleifenabstände umfasst.
In mindestens einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung umfasst ein Stator für eine elektrische Maschine einen Statorkern mit einer Mehrzahl von darin ausgebildeten Nuten und einer in der Mehrzahl von Nuten angeordneten Wicklung. Eine Phase der Wicklung umfasst mindestens vier parallele Pfade, die in Nutensätzen des Statorkerns verteilt sind, wobei jeder Nutensatz mindestens vier zusammenhängende Nuten umfasst, darunter zwei linke Nuten und zwei rechte Nuten. Jeder parallele Pfad macht mindestens vier Umdrehungen um den Statorkern, wobei die vier Umdrehungen eine erste und zweite Umdrehung im Uhrzeigersinn und eine dritte und vierte Umdrehung gegen den Uhrzeigersinn umfassen. Ein erster Parallelpfad und ein zweiter Parallelpfad wechseln die Position in den beiden linken Nuten der Nutensätze für die ersten und zweiten Umdrehungen im Uhrzeigersinn, und ein dritter Parallelpfad und ein vierter Parallelpfad wechseln die Position in den beiden rechten Nuten der Nutensätze für die ersten und zweiten Umdrehungen im Uhrzeigersinn. Nach dem Ende der ersten und zweiten Umdrehungen im Uhrzeigersinn tauschen die erste und zweite Parallelbahn ihre Position mit dem dritten und vierten parallelen Pfad. Folglich befinden sich für die dritte und vierte Umdrehung gegen den Uhrzeigersinn der erste und zweite Parallelpfad in den beiden rechten Nuten und der dritte und vierte Parallelpfad in den beiden linken Nuten der Nutensätze. Der erste und zweite Parallelpfad wechseln bei der dritten und vierten Umdrehung gegen den Uhrzeigersinn in die beiden rechten Nuten der Nutensätze und der dritte und vierte Parallelpfad wechseln bei der dritten und vierten Umdrehung gegen den Uhrzeigersinn in die beiden linken Nuten der Nutensätze. Die anderen beiden Phasen in der Statorwicklung sind ähnlich, außer dass eine bestimmte Anzahl von Nuten in den Ständerkernnuten verschoben wurde.
Die oben beschriebenen Merkmale und Vorteile, sowie andere, werden für Fachleute durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und begleitenden Zeichnungen leichter ersichtlich. Obwohl es wünschenswert wäre, eine elektrische Maschine mit einer Statorwicklungsanordnung bereitzustellen, die eines oder mehrere dieser oder andere vorteilhafte Merkmale aufweist, erstrecken sich die hierin offenbarten Lehren auf diejenigen Ausführungsformen, die in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen, unabhängig davon, ob sie einen oder mehrere der oben genannten Vorteile verwirklichen.
Figurenliste

1 zeigt eine Querschnittsansicht einer elektrischen Maschine mit einem Stator mit einer verteilten Wicklung mit doppelt gekreuzten Endschleifen;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Statorkerns der elektrischen Maschine von 1;
3A zeigt eine perspektivische Endschleifenansicht des Statorkerns von 2 mit einer auf dem Statorkern angeordneten Wicklung;
3B zeigt eine perspektivische Anschluss-Endansicht des Statorkerns von 3A;
4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils des Stators von 1 mit Leitern von vier Parallelpfaden einer Phase, die in einem Vier-Nutensatz des Statorkerns angeordnet sind;
5A zeigt eine lineare Projektionsansicht von vier Parallelpfaden einer Phase der Statorwicklung, die in den Schichten 1 und 2 der Nuten des Statorkerns von 2 für eine erste Umdrehung um den Statorkern angeordnet sind;
5B zeigt eine lineare Projektionsansicht der vier parallelen Pfade von 5A, die in den Schichten 3 und 4 der Nuten angeordnet sind, für eine zweite Umdrehung um den Statorkern;
5C zeigt eine lineare Projektionsansicht der vier parallelen Bahnen von 5A, die in den Lagen 3 und 4 der Nuten angeordnet sind, für eine dritte Umdrehung um den Statorkern;
5D zeigt eine lineare Projektionsansicht der vier parallelen Bahnen von 5A, die in den Lagen 1 und 2 der Nuten angeordnet sind, für eine vierte Umdrehung um den Statorkern;
6A zeigt ein Nutdiagramm, das die Position jedes parallelen Pfads A-D und zugehörige Endschleifenverbindungen enthält, die zwei Umdrehungen der Statorwicklung der 5A-5D im Uhrzeigersinn bilden;
6B zeigt das Nutdiagramm von 6A einschließlich der Endschleifenverbindungen, die zwei Umdrehungen der Statorwicklung gegen den Uhrzeigersinn bilden; und
7A und 7B zeigen eine lineare Projektionsansicht einer alternativen Ausführungsform der Statorwicklung von 5A-5D, wobei die alternative Ausführungsform der Statorwicklung vier parallele Pfade einer Phase enthält, die in den Schichten 1-6 für sechs Umdrehungen des Statorkerns angeordnet sind;
8 zeigt ein Nutdiagramm, das die Position jedes parallelen Pfads A-D und zugehörige Endschleifenverbindungen der Statorwicklung von 7A-7B enthält; und
9 zeigt die elektrische Maschine von 1, die in einem Fahrzeug positioniert ist.

BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf 1-3B umfasst eine elektrische Maschine 10 ein Gehäuse 12 mit einer Statoranordnung 20 und einer Rotoranordnung 14, die innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet sind. Die Statoranordnung 20 umfasst einen Statorkern 22 mit einer auf dem Statorkern 22 angeordneten Wicklungsanordnung 40. Wie hierin offenbart, ist die Wicklungsanordnung eine verteilte Wicklungsanordnung, die mehrere parallele Pfade pro Phase und mehrere Endquerschleifen mit unterschiedlichen Abständen umfasst, die sich zwischen verschiedenen Sätzen von Drähten oder anderen Leitern erstrecken, die in den Nuten positioniert sind.
Die Rotoranordnung 14 ist innerhalb des Statorkerns 22 angeordnet und auf einer Welle 16 montiert. Die Welle 16 ist durch Lager 18 drehbar gelagert. Die Welle 16 wiederum stützt die Rotoranordnung 14. Die Rotoranordnung 14 umfasst eine Rotornabe 15, die relativ zur Welle 16 befestigt ist, und ein Rotorblech 17, das fest an der Rotornabe 15 befestigt ist und so konfiguriert ist, dass es sich relativ zum Stator 20 dreht. In mindestens einer Ausführungsform sind an dem Rotorblech 17 Permanentmagnete (nicht dargestellt) angebracht. In mindestens einer alternativen Ausführungsform sind elektrische Wicklungen (nicht dargestellt) auf dem Rotorblech 17 enthalten. Der Rotor 14 und die Welle 16 sind so konfiguriert, dass sie sich innerhalb der elektrischen Maschine 10 drehen, während die Statoranordnung 20 stationär bleibt.
Die Statoranordnung 20 umfasst sowohl den Statorkern 22 als auch die Wicklungsanordnung 40. Der Statorkern 22 besteht aus einem ferromagnetischen Material und wird typischerweise aus einer Vielzahl von Stahlblechen gebildet, die gestanzt und aufeinander gestapelt werden, um einen Blechstapel zu bilden. Der Statorkern 22 hat eine allgemein zylindrische Form, die durch eine Mittelachse 24 definiert ist, und umfasst eine innere Umfangsfläche 26 und eine äußere Umfangsfläche 28. Auf der Innenseite des Statorkerns 22 sind zwischen der inneren Umfangsfläche 26 und der äußeren Umfangsfläche 28 eine Vielzahl von Zähnen 31 ausgebildet. Jeder Zahn erstreckt sich radial nach innen und endet an der inneren Umfangsfläche 26. Zwischen den Zähnen 31 sind im Statorkern 22 axiale Nuten 30 ausgebildet.
Abhängig von der Konfiguration der Zähne 31 können die Nuten 30 entlang der inneren Umfangsfläche 26 des Statorkerns 16 offen sein, wie in 2 gezeigt, oder sie können halbgeschlossene Nuten sein, wobei jede Nut 28 in der Nähe der inneren Umfangsfläche 26 eine geringere Breite hat als die Breite näher an der äußeren Umfangsfläche 28. Öffnungen zu den Nuten 30 sind sowohl durch die innere Umfangsfläche 26 als auch durch die Enden 32 und 34 des Statorkerns 22 vorgesehen. Wie weiter unten näher beschrieben, wird jede Nut durch gegenüberliegende radiale Wände definiert und Drähte oder andere Leiter werden innerhalb der Nuten gehalten.
Der Statorkern 22 ist so konfiguriert, dass die Wicklungsanordnung 40 innerhalb der Nuten 30 des Statorkerns 22 gehalten wird. In mindestens einer Ausführungsform wird die Wicklungsanordnung 40 aus einer Vielzahl von länglichen Drähten (z. B. Kupferdrähten) gebildet, die kontinuierlich innerhalb der Nuten 30 auf dem Statorkern 22 gewickelt werden, um die Wicklungen zu bilden. In mindestens einer alternativen Ausführungsform wird die Wicklungsanordnung 40 aus einer Vielzahl von segmentierten Leitern 42 gebildet. Die segmentierten Leiter 42 werden von einem ersten Ende 32 (d.h. dem „Einführungsende“) des Statorkerns 34 in die Nuten 30 eingeführt. Die segmentierten Leiter 42 sind an einem gegenüberliegenden Ende 22 des Statorkerns 16 (d. h. dem „Schweißende“) miteinander verbunden. Ein Beispiel für segmentierte Leiter 42, die verwendet werden können, um die Wicklungsanordnung zu bilden, ist in dem US-Patent Nr. 7,622,843 gezeigt, dessen Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.
3A zeigt das Einführungsende 32 des Stators 20 mit einer Vielzahl von segmentierten Leitern 42, die in den Nuten des Statorkerns 22 angeordnet sind. Jeder der segmentierten Leiter 42 umfasst einen ersten axialen Abschnitt 43, der in einer Nut positioniert ist, einen zweiten axialen Abschnitt, der in einer anderen Nut positioniert ist (wobei die ersten und zweiten axialen Abschnitte hier jeweils als ein „Bein“ oder ein „In-Slot“-Leiter oder -Abschnitt bezeichnet werden können), und einen Endschleifenabschnitt (der auch als ein „End-Turn“- oder „U-Turn“-Abschnitt bezeichnet werden kann), der sich zwischen dem ersten axialen Abschnitt und dem zweiten axialen Abschnitt am Einführungsende 32 des Stators 20 erstreckt. Die U-förmigen Abschnitte 44 sind am Einführungsende 32 des Stators in 3a deutlich sichtbar. Jeder U-Wendeabschnitt 44 erstreckt sich über eine Anzahl von Nuten auf dem Einführungsende 32 des Stators 20, und diese Anzahl von Nuten definiert einen Endschleifenabstand für die zugehörige Spule, die den segmentierten Leiter 42 bildet. Die segmentierten Leiter 42 sind nicht alle identisch, da einige Leiter durch unterschiedliche Endschleifenabstände definiert sind und/oder Leitungen oder andere Verbindungen innerhalb der Wicklungsanordnung 40 aufweisen können.
3B zeigt das Schweißende 34 des Stators 20. Wie bereits erwähnt, ist das Schweißende die gegenüberliegende Seite des Stators von dem Einsteckende 32. Die Schenkelenden 46 der segmentierten Leiter sind am Schweißende 34 des Stators deutlich sichtbar. Benachbarte Schenkelenden 46 sind verschweißt oder anderweitig miteinander verbunden, um elektrische Pfade innerhalb des Stators zu vervollständigen. Mit anderen Worten, wenn die Schenkelenden mehrerer segmentierter Leiter miteinander verbunden sind, werden verschiedene Wicklungen auf dem Statorkern 22 gebildet. In mindestens einer Ausführungsform handelt es sich bei den Wicklungen um dreiphasige Statorwicklungen mit mehreren Pfaden für jede Phase, wie im Folgenden näher erläutert wird.
4 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Anzahl der Nuten 30 des Statorkerns 22. Zur Veranschaulichung sind einige der Nuten leer, und andere Nuten enthalten segmentierte Leiter 42, die darin angeordnet sind. Die Nuten 30 sind zwischen den Zähnen 31 ausgebildet. Dementsprechend wird jede Nut 30 durch einen ersten Wandabschnitt 36, der zu einem Zahn gehört, und einen gegenüberliegenden zweiten Wandabschnitt 38, der zu einem benachbarten Zahn gehört, definiert. Der erste Wandabschnitt 36 und der zweite Wandabschnitt 38 jeder Nut 30 sind durch einen Rückwandabschnitt 37 getrennt, der eine Nutbreite festlegt. Sowohl der erste Wandabschnitt 36 als auch der zweite Wandabschnitt 38 erstrecken sich von dem Rückwandabschnitt 37 radial nach innen zu der inneren Umfangsfläche 26 des Statorkerns 22. Der erste Wandabschnitt 36, der zweite Wandabschnitt 38 und der Rückwandabschnitt 37 erstrecken sich alle in axialer Richtung vom Einführungsende 32 zum Schweißende 34 des Statorkerns. Dementsprechend stellt jede Nut einen Durchgang durch den Statorkern 22 bereit, der sich vom Einführungsende 32 bis zum Schweißende 34 des Kerns erstreckt. Die Breite einer jeden Nut ist ausreichend groß, um mindestens einen Leiter der Wicklungsanordnung aufzunehmen. Zusätzlich ist die Tiefe jeder Nut so gestaltet, dass er mehrere Leiter der Wicklungsanordnung 40 aufnehmen kann. Während die Nuten 30 an der inneren Umfangsfläche 26 in 4 vollständig offen dargestellt sind, wird anerkannt, dass die Nuten in zumindest einigen Ausführungsformen teilweise geschlossene oder vollständig geschlossene Nuten sein können. Umgekehrt können in einigen alternativen Ausführungsformen die Nuten umgekehrt und am äußeren Umfang offen sein.
Die Wicklungsanordnung 40 in der hier offengelegten Ausführungsform wird durch Einsetzen von Leitern in jeden der Nuten des Statorkerns 22 gebildet. In der hier offengelegten Ausführungsform sind die Leiter 42 in einer einzigen Reihe in jeder Nut angeordnet, und vier Leiter sind in jeder Nut positioniert (d. h. in den Schichten 1-4). Zusätzlich sind die Nuten in Sätze von Nuten mit vier Nuten in jedem Satz unterteilt. Jeder Satz mit vier Nuten trägt eine einzelne Phasenwicklung der gesamten Wicklungsanordnung (z. B. eine der Phasen U, V oder W). Vier parallele Leiterbahnen füllen jeden Vierer-Nutensatz, so dass keine Leiter anderer Phasen in die Nuten eines gegebenen Vierer-Nutensatzes eingefügt werden. Wie in 4 dargestellt, repräsentiert also jeder der mit „A“, „B“, „C“ oder „D“ bezeichneten Leiter einen Leiter, der einem der vier parallelen Pfade für eine einzelne Phase der Wicklungen zugeordnet ist (d.h. in den Zeichnungen repräsentieren „A“, „B“, „C“ oder „D“ parallele Pfade für eine einzelne Wicklungsphase und nicht verschiedene Phasen der Wicklungsanordnung).
Wie aus der Darstellung von 4 ersichtlich ist, ist die Position der parallelen Pfade in jeder Nut eines Vierfachnut-Satzes unterschiedlich. In der äußersten linken Nut (d. h. Nut 42₁, die hier auch als „äußere linke Nut“ bezeichnet werden kann) ist beispielsweise die Schicht 1 „D“, die Schicht 2 „B“, die Schicht 3 „C“ und die Schicht 4 „A“ (d. h. D-B-C-A) (obwohl anerkannt wird, dass Fachleute die Schichten auch anders nummerieren können, so dass die Schicht 4 „D“, die Schicht 3 „B“, die Schicht 2 „C“ und die Schicht 1 „A“ ist). In der inneren linken Nut (d. h. Nut 42₂, der hier auch als „Mitte-links“ oder „links-mittig“ bezeichnet werden kann) sind die Pfade in der Reihenfolge C-A-D-B angeordnet. In der inneren rechten Nut (d. h. Nut 42₃, die hier auch als „Mitte-Rechts“- oder „Rechts-Mitte“-Nut bezeichnet werden kann) sind die Pfade in der Reihenfolge B-D-A-C angeordnet. In der ganz rechten Nut (d. h. Nut 42₁, die hier auch als „äußere rechte Nut“ bezeichnet werden kann) sind die Pfade in der Reihenfolge A-C-D-B angeordnet. Wie weiter unten in Verbindung mit 6A und 6B gezeigt und beschrieben wird, sind andere VierNutensätze in der Wicklungsanordnung anders angeordnet, aber keine zwei Nuten in einem VierNutensatz enthalten die exakt gleiche Reihenfolge von Leitern.
5A-5D zeigen die Anordnung der Leiter 42 in den Nuten für eine Wicklung 50, die eine einzelne Phase der Wicklungsanordnung 40 in vier parallelen Pfaden führt. In 5A-5D sind der ringförmige Statorkern 22 und die zugehörigen Nuten der Einfachheit halber als lineare Projektion von Nuten dargestellt. 5A zeigt eine erste Umdrehung der Wicklungsleiter 42 um den Statorkern 22; 5B zeigt eine zweite Umdrehung der Wicklungsleiter 42 um den Statorkern 22; 5C zeigt eine dritte Umdrehung der Wicklungsleiter 42 um den Statorkern 22; und 5D zeigt eine vierte Umdrehung der Wicklungsleiter 42 um den Statorkern 22. Es wird deutlich, dass der Begriff „Umdrehung“, wie er hier in Verbindung mit den Wicklungsleitern verwendet wird, sich auf eine Umschlingung der Leiter im Wesentlichen um und durch die Nuten des Statorkerns bezieht, auch wenn die Wicklung den Statorkern nicht vollständig um 360° umschließt (z.B. wird ein paralleler Pfad, der sich um 345° um den Statorkern wickelt, als eine Umdrehung des Statorkerns betrachtet, auch wenn er den Statorkern aus irgendeinem Grund nicht vollständig um 360° umschließt, wie z.B. der parallele Pfad, der in Leitungen endet).
Wie in 5A-5D gezeigt, sind die Leiter 42 in den Nuten miteinander verbunden und bilden eine wellenförmige Wicklung 50 um den Statorkern 22. Die Verbindungen zwischen dem linken und dem rechten Ende des projizierten Statorkerns 22 (z. B. die T-T-Verbindung in 5A) und die Verbindungen zwischen verschiedenen Lagen auf dem Statorkern (z. B. die U-U-Verbindung zwischen den Lagen 1 und 2 in 5A und den Lagen 3 und 4 in 5B) sind nur zur Veranschaulichung dargestellt, da diese Leiter tatsächlich durch Endschleifen an der tatsächlichen ringförmigen Wicklungsanordnung für den Stator verbunden sind.
Wie in jeder der 5A-5D zu sehen ist, werden die vier parallelen Leiterbahnen in acht verschiedene Vier-Nutensätze 54₁-54₈ eingefügt, wenn die Wicklung 50 den Statorkern 22 umgibt. Für jeden Vier-Nuten-Satz 54 wird eine andere der vier parallelen Bahnen (A-D) in einer anderen der vier zusammenhängenden Nuten des Satzes positioniert. Mit anderen Worten, jede Schicht eines Vier-Nuten-Satzes umfasst alle vier parallelen Pfade. Außerdem sind, wie bereits erwähnt, in jedem Vier-Nutensatz nur Leiter einer einzigen Wicklungsphase vorgesehen. Somit enthält jede Nut eines Vierfachnut-Satzes nur eine Wicklungsphase.
Die Leiter in benachbarten Viernutsegmenten (einer Phase) sind miteinander verbunden, um Endschleifen 56 zu bilden. Die Endschleifen 56 können entweder durch die Leiter-U-Wendungen (d. h. die Leiterbögen, die am Einsteckende 32 positioniert sind) oder durch die Schenkelendschweißungen (d. h. an den Schweißstellen am Schweißende 34) gebildet werden. Wie weiter unten näher erläutert wird, reicht die durch diese Endschleifen 56 definierte Spulensteigung (die hier auch als „Endschleifen-Abstand“ bezeichnet werden kann) von zehn bis vierzehn (oder in einer alternativen Ausführungsform neun bis fünfzehn), je nachdem, welche benachbarten Sätze von Leitern durch die Endschleifen verbunden sind. In 5A ist zu erkennen, dass einige der Sätze von Endschleifen 56 standardmäßig überlappende Endschleifen sind, so dass jede Endschleife den gleichen Abstand hat (z. B. siehe Endschleifen 561), während andere Endschleifen 56 doppelt gekreuzt sind, so dass die Endschleifen unterschiedliche Abstände haben, wobei ein Satz von verschachtelten Endschleifen einen anderen Satz von verschachtelten Endschleifen überlappt (z. B. siehe Endschleifen 562). Wenn die Endschleifen unterschiedliche Abstände haben, sind zwei der Abstände kurze Abstände und zwei der Abstände lange Abstände (d. h., die Endschleifen mit kurzem Abstand haben einen Abstandswert, der kleiner ist als der der Endschleifen mit großem Abstand). Die spezifischen Abstandswerte für die verschiedenen Endschleifenabstände der Wicklung 50 werden im Folgenden unter Bezugnahme auf 6A und 6B näher erläutert.
Mit fortgesetzter Bezugnahme auf 5A, ist eine erste Umdrehung der Wicklung 50 um den Statorkern 22 gezeigt. Die Wicklung 50 umfasst einen Satz von Leitungen 52, die vom Schweißende 34 in den Statorkern 22 eintreten. Die Wicklung umschließt dann den Statorkern in den Lagen 1 und 2 der Nuten. Verschiedene Endschleifen 56 verbinden acht verschiedene Vier-Nutensätze 54. Die erste Umdrehung umfasst sechs Sätze von Standard-Endschleifen 56₁ und zwei Sätze von Doppelkreuz-Endschleifen 56₂. Am Anschluss U-U (in 5A am Schweißende des Statorkerns 22 in der Nähe der Mitte des Statorkernvorsprungs notiert) geht die Wicklung in die Lagen 3 und 4 der Nuten über.
Mit Bezug auf 5B ist nun eine zweite Umdrehung der Wicklung 50 um den Statorkern 22 dargestellt. Die Wicklung 50 geht an der Verbindung U-U von den Lagen 1 und 2 auf die Lagen 3 und 4 über. Die Wicklung umläuft dann den Statorkern in den Lagen 3 und 4 der Nuten. Verschiedene Endschleifen 56 verbinden acht verschiedene Vier-Nutensätze 54. Die erste Umdrehung umfasst fünf Sätze von Standard-Endschleifen 56₁ und zwei Sätze von Doppelkreuz-Endschleifen 56₂. Am Anschluss W-W (in 5B und 5C am Schweißende in der Nähe der Mitte des Statorkernvorsprungs vermerkt) wechselt die Wicklung die Richtung an einem Satz doppelt gekreuzter, doppelt verschachtelter Endschleifen 56₃. Da der Verlauf der Wicklung an diesen Endschleifen 563 die Richtung wechselt, können die Endschleifen 56₃ hier auch als „umgekehrte Endschleifen“ bezeichnet werden.
Unter Bezugnahme auf 5C wird nun eine dritte Umdrehung der Wicklung 50 um den Statorkern 22 gezeigt. Wie im vorangegangenen Absatz erwähnt, wechselt die Wicklung 50 an der Verbindung W-W die Richtung und wechselt von einem Verlauf von links nach rechts (d. h. im Uhrzeigersinn) auf dem Statorkern 22 zu einem Verlauf von rechts nach links (d. h. gegen den Uhrzeigersinn). Die Wicklung umläuft dann den Statorkern in den Lagen 3 und 4 der Nuten. Verschiedene Endschleifen 56 verbinden acht verschiedene Vier-Nutensätze 54. Die erste Umdrehung umfasst fünf Sätze von Standard-Endschleifen 56₁ und zwei Sätze von Doppelkreuz-Endschleifen 56₂. Bei der Verbindung Y-Y, die in 5C am Schweißende in der Nähe der Mitte des Statorkernvorsprungs vermerkt ist, geht die Wicklung wieder in die Lagen 1 und 2 der Nuten über.
Mit Bezug auf 5D wird nun eine vierte Umdrehung der Wicklung 50 um den Statorkern 22 gezeigt. Die Wicklung 50 geht an der Verbindung Y-Y von den Lagen 3 und 4 in die Lagen 1 und 2 über. Die Wicklung umläuft dann den Statorkern in den Lagen 1 und 2 der Nuten. Verschiedene Endschleifen 56 verbinden acht verschiedene Vierer-Nutensätze 54. Die vierte Umdrehung umfasst fünf Sätze von Standard-Endschleifen 56₁ und zwei Sätze von Doppelkreuz-Endschleifen 56₂. Die Wicklung 50 endet an einem Satz von Leitungen 58, die den Statorkern 22 vom Schweißende 34 aus verlassen.
Unter Bezugnahme auf 6A und 6B werden zwei Diagramme gezeigt, die eine Phase der Wicklung aus 5A im Hinblick auf die einzelnen Nuten des Stators, die verschiedene Pfade der Wicklung 50 halten (d. h., welche Nuten welche der Pfade A-D halten), und die zugehörige Schicht der Nut, in der sich der Pfad befindet (d. h., welche der Schichten 1-4 den Pfad halten), näher erläutern. 6A enthält eine Reihe von Pfeilen zur Veranschaulichung der Wickelwege für zwei Umdrehungen der Wicklung 50 um den Kern 22 im Uhrzeigersinn. 6B ist die gleiche Grafik wie 6A, jedoch mit anderen Pfeilen zur Veranschaulichung der Wickelwege für zwei Umdrehungen der Wicklung 50 um den Kern 22 gegen den Uhrzeigersinn. Die Buchstaben „A“, „B“, „C“ und „D“ in 6A und 6B stehen für die Position des Pfades innerhalb einer gegebenen Nut, und die Pfeile stellen Nuten von Endschleifen dar, die sich zwischen benachbarten Nutensätzen für die Phase erstrecken (d. h. benachbarte Nutensätze 54₁ und 54₂ , 54₂ und 54₃ usw.). Es wird deutlich, dass jeder der Nutensätze 54₁ , 54₂ , 54₃ , 54₄ , 54₅ , 54₆ , 54₇ und 54₈ zwei benachbarte Nutensätze der Phase umfasst (d. h. einen Nutensatz auf jeder Seite eines gegebenen Nutensatzes). Da der Statorkern ringförmig ist, ist zu erkennen, dass die Nutensätze 54₆ und 54₇ benachbarte Nutensätze sind, auch wenn sie in 6A und 6B nicht nebeneinander dargestellt sind.
Wie in 6A gezeigt, ermöglicht der erste Satz von Leitungen 52 der Wicklung 50, in den ersten Vier-Nutensatz 54₁ (d.h. die Nuten 26-29) des Statorkerns 22 einzutreten. In diesem Vier-Nutensatz befindet sich Pfad A in Schicht 1 von Nut 26, Pfad B in Schicht 1 von Nut 27, Pfad C in Schicht 1 von Nut 28 und Pfad D in Schicht 1 von Nut 29. Nach dem Eintritt in den ersten ViererNutensatz in Schicht 1 der Nuten 26-29 geht die Wicklung 50 in Schicht 2 eines zweiten ViererNutensatzes 54₂ (d. h. Nuten 38-41) über eine Reihe von Endschleifen über, wie der Pfeil 60 anzeigt, der sich zwischen Schicht 1 und 2 des Nutensatzes 54₁ und 54₂ erstreckt. Dann, wie durch die nachfolgenden Pfeile 61 in 6A gezeigt, kann man sehen, dass die Wicklung während einer ersten Umdrehung im Uhrzeigersinn um den Statorkern (d.h. hin und her zwischen den Schichten 1 und 2) von einer Schicht zu einer anderen Schicht wechselt. Beispielsweise befindet sich die B-A-D-C-Pfadanordnung für den Nutensatz 54₂ (d. h. die Nuten 38-41) in Schicht 2, dann aber in Schicht 1 für den Nutensatz 54₃ (d. h. die Nuten 50-53), und dann wieder in Schicht 2 für den Nutensatz 54₄ (d. h. die Nuten 62-65), und so weiter. Wenn man die Position der parallelen Pfade A-D in jedem der Nutensätze verfolgt, erkennt man auch, dass die parallelen Pfade A und B während der ersten Umdrehung um den Statorkern in den beiden linken Nuten jedes Nutensatzes verbleiben, wobei die Positionen der Pfade A und B zweimal zwischen der ganz linken und der mittleren linken Position wechseln (d. h. zwischen den Nutensätzen 54₁ und 54₂ sowie 54₅ und 54₆ ). Gleichzeitig verbleiben die parallelen Pfade C und D während der ersten Umdrehung um den Statorkern in den beiden rechten Nuten jedes Nutensatzes, wobei die Positionen der Pfade C und D zweimal zwischen der ganz rechten und der mittleren rechten Position wechseln (d. h. zwischen den Nutensätzen 54₁ und 54₂ sowie 54₅ und 54₆ ).
Mit fortgesetzter Bezugnahme auf 6A, wenn die Wicklung 50 am Nutensatz 54₈ ankommt, hat die Wicklung eine erste Umdrehung des Statorkerns 22 abgeschlossen, wobei alle parallelen Pfade A-D nur in den Schichten 1 und 2 für die erste Umdrehung verbleiben. An diesem Punkt übergibt die Endschleife die parallelen Pfade A-D der Wicklung an die Schicht 3 im Nutensatz 54₁ . Wie aus den nachfolgenden Pfeilen in 6A hervorgeht, wechselt die Wicklung dann während einer zweiten Umdrehung im Uhrzeigersinn um den Statorkern zwischen den Lagen 3 und 4, bis sie den Nutensatz 54₈ erreicht.
Eine Gruppe spezieller Endschleifen 62 ist zwischen den Leitern im Nutensatz 54₈ und 54₁ vorgesehen. Diese Endschleifen 62 umfassen zwei ineinander verschachtelte Sätze von gekreuzten Endschleifen, die einen besondere Abstand im Vergleich zu den anderen Endschleifen-Abständen der Wicklung aufweisen. Durch diese Anordnung können die parallelen Pfade, die sich auf der rechten Seite der Nutensätze befanden, auf die linke Seite wandern und umgekehrt. Insbesondere, wie in 6A gezeigt, leiten die speziellen Endschleifen 62 die Pfade A und B von den linksseitigen Nuten des Satzes 54₈ zu den rechtsseitigen Nuten des Satzes 54₁ über. Gleichzeitig führen die speziellen Endschleifen 62 die Pfade C und D von den rechtsseitigen Nuten des Satzes 54₈ zu den linksseitigen Nuten des Satzes 54₁ . Dann ändert die Wicklung, wie durch den Pfeil 64 in 6A vermerkt, ihre Richtung von einem Verlauf im Uhrzeigersinn zu einem Verlauf gegen den Uhrzeigersinn.
Wie bereits erwähnt, zeigt 6B dasselbe Nutdiagramm wie 6A, aber 6B illustriert die beiden Umdrehungen der Wicklung 50 gegen den Uhrzeigersinn, während 6A die beiden Umdrehungen der Wicklung im Uhrzeigersinn illustriert. 6B zeigt den Windungsrichtungswechsel der Wicklung an der Nut 54₁ (d.h. Wechsel von der Rechts- auf die Linksdrehung), wobei die Endschleifen durch den Pfeil 64 dargestellt sind, der die Leiter in der Nut 54₁ mit denen in 54₈ verbindet. Nach der Richtungsumschaltung macht die Wicklung eine dritte Umdrehung um den Statorkern im Gegenuhrzeigersinn. Der Verlauf der Pfeile in 6B zeigt, dass die Wicklung während der dritten Umdrehung um den Statorkern von einer Schicht zu einer anderen Schicht wechselt (d. h. hin und her zwischen den Schichten 3 und 4). Beispielsweise befindet sich die D-C-B-A-Pfadanordnung für den Nutensatz 54₈ (d. h. die Nuten 14-17) in Schicht 3, dann aber in Schicht 4 für den Nutensatz 54₇ (d. h. die Nuten 2-5) und dann wieder in Schicht 3 für den Nutensatz 54₆ (d. h. die Nuten 86-89) und so weiter. Bei dieser dritten Umdrehung ist zu erkennen, dass die parallelen Pfade A und B in den beiden rechten Nuten jedes Nutensatzes verbleiben, wobei die Positionen der Pfade A und B zweimal zwischen der ganz rechten und der mittleren rechten Position wechseln (d. h. zwischen den Nutensätzen 54₁ und 54₈ sowie 54₅ und 54₄ ). Gleichzeitig verbleiben die parallelen Pfade C und D während der dritten Umdrehung um den Statorkern in den beiden linken Nuten jedes Nutensatzes, wobei die Positionen der Pfade C und D zweimal zwischen der ganz linken und der mittleren linken Position wechseln (d. h. zwischen den Nutensätzen 54₁ und 54₈ sowie 54₅ und 54₄ ).
Mit fortgesetzter Bezugnahme auf 6B, wenn die Wicklung 50 am Nutensatz 54₂ ankommt, hat die Wicklung die dritte Umdrehung des Statorkerns 22 vollendet, wobei alle parallelen Pfade A-D nur in den Schichten 3 und 4 für die dritte Umdrehung verbleiben. An diesem Punkt übergibt die Endschleife die parallelen Pfade A-D der Wicklung an die Schicht 2 im Nutensatz 54₁ . Dann wechselt die Wicklung, wie durch die nachfolgenden Pfeile in 6B gezeigt, während einer vierten Umdrehung (d. h. einer weiteren Umdrehung gegen den Uhrzeigersinn) um den Statorkern herum zwischen den Lagen 1 und 2, bis sie am Nutensatz 54₂ ankommt. Ein zweiter Satz von Leitungen 58 sind mit den Leitern in der ersten Schicht der Nut 54₂ verbunden und ermöglichen der Wicklung 50, den Statorkern 22 an dieser Position zu verlassen.
Zusätzlich zur Veranschaulichung des Verlaufs der Wicklung 50 durch die Nuten veranschaulichen die 6A und 6B auch die unterschiedlichen Abstände der Endschleifen der Wicklung. Der Abstand einer Endschleife kann durch die Anzahl der Nuten berechnet werden, die einen Pfad in den beiden benachbarten Nutensätzen trennen. In 6A verbindet beispielsweise eine Endschleife mit dreizehn Abständen den A-Pfad im Uhrzeigersinn in den Schichten 1 und 2 der Nutensätze 54₁ und 54₂ . Diese Endschleife mit dreizehn Abständen wird berechnet, indem man feststellt, dass sich der A-Pfad von Nut 26 in Satz 54₁ zu Nut 39 in Satz 54₂ erstreckt und dann die Differenz zwischen den Nuten berechnet (d. h. 39 - 26 = 13). Eine Endschleife mit elf Abständen verbindet den B-Pfad in den Schichten 1 und 2, die sich von Nutensatz 54₁ zu Nutensatz 54₂ erstreckt (d. h. 38 - 27 = 11). Andere Endschleifenabstände werden auf die gleiche Weise für die Endschleifen berechnet, die sich zwischen benachbarten Nutensätzen für eine bestimmte Phase der Wicklung erstrecken.
Wie in den Diagrammen von 6A und 6B gezeigt, sind alle Endschleifenabstände entweder zehn, elf, zwölf, dreizehn oder vierzehn. Die meisten der Endschleifen in der Wicklung 50 sind Endschleifen mit zwölf Abständen. Die Endschleifen mit zwölf Abständen können daher als der häufigste Abstand oder ein Abstand gleich N bezeichnet werden. Beispielsweise sind die Endschleifen für jeden Pfad, der sich zwischen den Nutensätzen 54₂ und 54₃ in den Schichten 1 und 2 von 6A erstreckt, Endschleifen mit zwölf Abständen. In der in den Figuren dargestellten beispielhaften Wicklung gibt es keine Positionsänderung innerhalb der Nuten für parallele Pfade, die durch Endschleifen mit zwölf Abständen verbunden sind. Diejenigen Endschleifen mit Abständen, die nicht zu einer Positionsänderung von parallelen Pfaden von Nut zu Nut führen, können hier als „Standard“- oder „gewöhnliche“ Endschleifen bezeichnet werden (d. h. die Endschleifen mit zwölf Abständen in der hier offengelegten Ausführungsform der Wicklung).
An zwei Stellen für jede Umdrehung der Wicklung 50 sind die Endschleifenabstände elf und dreizehn. Wenn die Endschleifen mit zwölf Abständen als N definiert sind, dann würden die Endschleifen mit elf Abständen als Endschleifen mit N-1-Abstand und die Endschleifen mit dreizehn Abständen als Endschleifen mit N+1-Abstand definiert werden. An diesen Stellen wechsein die parallelen Pfade der Wicklung die Position in den beiden rechten und den beiden linken Nuten. Mit anderen Worten: Der Pfad in der äußersten linken Nut wechselt zur mittleren linken Nut und umgekehrt, und der Pfad in der äußersten rechten Nut wechselt zur mittleren rechten Nut und umgekehrt. In den Schichten 1 und 2 von 6A hat beispielsweise die Endschleife für Pfad A, die sich zwischen den Nutensätzen 54₁ und 54₂ erstreckt, einen Abstand von dreizehn und die Endschleife für Pfad B einen Abstand von elf; dies bewirkt, dass sich die Pfade A und B kreuzen und ihre Position in den beiden linksseitigen Nuten dieser benachbarten Nutensätze wechseln. In ähnlicher Weise kreuzen sich auch die Pfade C und D und tauschen ihre Position in den beiden rechtsseitigen Nuten der Nutensätze 54₁ und 54₂ . Diejenigen Endschleifen mit Abständen, die zu einer Positionsänderung der parallelen Pfade auf nur einer Seite der Nutensätze führen (d.h. Endschleifen mit elf und dreizehn Abständen in der hier offengelegten Ausführungsform der Wicklung), können hier als „doppelt gekreuzte“ Endschleifen bezeichnet werden, da sich aus den Endschleifen zwei Positionsschalter ergeben, mit einem ersten Schalter auf der rechten Seite der Nutensätze und einem zweiten Schalter auf der rechten Seite der Nutensätze.
An einer einzigen Stelle in der Wicklung 50, an der der Wicklungsverlauf die Richtung ändert, sind die Endschleifenabstände zehn (N-2) und vierzehn (N+2). In 6A ist diese Stelle durch die Endschleifen 62 dargestellt. Diese Endschleifen 62 umfassen zwei verschachtelte Sätze von gekreuzten Endschleifen mit einem speziellen Abstand im Vergleich zu den anderen Endschleifen-Abständen der Wicklung. Die verschachtelten Endschleifen umfassen einen ersten Satz von sich kreuzenden Endschleifen 62A und 62B mit einem Abstand von vierzehn. Diese Endschleifen 62A und 62B erstrecken sich über einen zweiten Satz von sich kreuzenden Endschleifen 62C und 62D. Durch diese Anordnung können sich die parallelen Pfade, die sich auf der linken Seite der Nutensätze befanden (d.h. die Pfade A und B in 6A), zur rechten Seite der Nutensätze bewegen, und die beiden parallelen Pfade, die sich auf der rechten Seite der Nutensätze befanden (d.h. die Pfade C und D in 6A), zur linken Seite der Nutensätze bewegen. In mindestens einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) hat die Endschleife von Pfad A einen Abstand von fünfzehn (N+3), eine Endschleife von Pfad B einen Abstand von dreizehn (N+1), eine Endschleife von Pfad C einen Abstand von elf (N-1) und eine Endschleife von Pfad D einen Abstand von neun (N-3), um die Pfade A und B von der linken Seite des Nutensatzes auf die rechte Seite des Nutensatzes zu bewegen. Nach diesen Endschleifen ändert die Wicklung ihre Richtung von einem Verlauf im Uhrzeigersinn zu einem Verlauf gegen den Uhrzeigersinn, wie durch Pfeil 64 in 6A vermerkt. Diejenigen Endschleifen mit Abständen, die zu einer Änderung der Position der Pfade von der linken Seite zur rechten Seite der Nutensätze führen (z. B. Endschleifen mit zehn und vierzehn Abständen in der hier offengelegten Ausführungsform der Wicklung), können hier als „verschachtelte doppelt gekreuzte“ Endschleifen bezeichnet werden, da es zwei Paare von sich kreuzenden Endschleifen gibt, wobei ein Paar in das andere verschachtelt ist.
Basierend auf der vorangegangenen Beschreibung der Endschleifenabstände ist es verständlich, dass zusätzliche Merkmale der Wicklung 50 in Bezug auf die spezifischen Abstände der Endschleifen, die sich zwischen den Nutensätzen erstrecken, beschrieben werden können. Unter Bezugnahme auf 6A und 6B beginnt die Wicklung 50 mit Leitungen 52, die mit den Leitern im Nutensatz 54₁ verbunden sind. Die Endschleifen, die sich von Nut 54₁ zu Nut 54₂ erstrecken, verbinden die Nuten 26-29 mit den Nuten 38-41 am Schweißende des Statorkerns 22. Diese Endschleifen sind doppelt gekreuzte Endschleifen, wobei die A-Pfad- und C-Pfad-Endschleifen einen Abstand von dreizehn und die B-Pfad- und D-Pfad-Endschleifen einen Abstand von elf haben. Wie bereits erwähnt, führt dies dazu, dass die A-Pfad- und B-Pfad-Leiter ihre Positionen in der äußersten linken Nut und in der mittleren linken Nut der benachbarten Nutensätze wechseln, und dass die C-Pfad- und D-Pfad-Leiter ihre Positionen in der äußersten rechten Nut und in der mittleren rechten Nut der benachbarten Nutensätze wechseln.
Die nächsten drei Sätze von Endschleifen in der Abfolge sind Standard-Endschleifen mit einem Abstand von jeweils zwölf. Daher befinden sich die Leiter B-A-D-C in der gleichen Reihenfolge von den Nutensätzen 54₂ bis 54₅ . Zwischen den Nuten 54₅ und 54₆ befindet sich ein Satz von doppelt gekreuzten Endschleifen mit einem Abstand dreizehn, elf, dreizehn bzw. elf. Dadurch werden die Leiter in den Nutensätzen 54₅ bis 54₈ wieder in ihre ursprüngliche Reihenfolge A-B-C-D gebracht. Die Leiterbahnen setzen sich dann auf diese Weise mit mehreren Endschleifen mit Standardabstand fort, gefolgt von doppelt gekreuzten Endschleifen, bis sie in Schicht 4 des Nutensatzes 54₈ von 6A enden. Es wird erkannt, dass für die ersten beiden Umwicklungen (d.h. Umdrehungen um den Statorkern 22) die parallelen Pfade A und B immer in den linken Nuten und den links-mittigen Nuten liegen, und die parallelen Pfade C und D immer in den rechten Nuten und den rechts-mittigen Nuten.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 6A erstreckt sich ein Satz von verschachtelten, doppelt gekreuzten Endschleifen 62 zwischen den Nutensätzen 54₈ und 54₁ . Im Nutensatz 54₈ sind die Leiter in der Reihenfolge A-B-C-D angeordnet. Die verschachtelten, doppelt gekreuzten Endschleifen 62 ändern die Reihenfolge der Leiter zu C-D-A-B im Nutensatz 54₁ . Somit werden durch die Kombination der Endschleifen mit vierzehn und zehn Abständen die Leiter für den A-Pfad und den B-Pfad im Wesentlichen von den linken und mittleren Nuten auf die rechten und mittleren Nuten für den Rest der Wicklung und umgekehrt für die Leiter für den C-Pfad und den D-Pfad vertauscht.
Nachdem die Leiter des A-Pfades und des B-Pfades die Seiten der Nuten im Nutensatz 54₁ gewechselt haben, wird unter Bezugnahme auf 6B ein Satz von doppelt gekreuzten Endschleifen mit einem Abstand von dreizehn, elf, dreizehn bzw. elf zwischen den Nuten 54₁ und 54₈ bereitgestellt. Die nächsten drei Sätze von Endschleifen in der Abfolge sind Standard-Endschleifen mit einem Abstand von jeweils zwölf. Daher befinden sich die Leiter D-C-B-A in der gleichen Reihenfolge von den Nutensätzen 54₈ bis 54₅ . Zwischen den Nuten 54₅ und 54₄ befindet sich ein weiterer Satz von doppelt gekreuzten Endschleifen. Dadurch werden die Leiter in den Nutensätzen 54₄ bis 54₇ wieder in ihre ursprüngliche Reihenfolge C-D-A-B zurückgeschaltet. Die Leiter fahren dann auf diese Weise mit einem Satz doppelt gekreuzter Endschleifen fort, gefolgt von mehreren Endschleifen mit Standardabstand und einem weiteren Satz doppelt gekreuzter Endschleifen. Die Leiter enden dann in Schicht 1 des Nutensatzes 54₂ von 6B, wo die Leitungen 58 mit den Leitern verbunden sind.
Das Ergebnis der oben beschriebenen Wicklungsanordnung ist eine Wicklung mit vier parallelen Pfaden pro Phase, wobei ein erster der vier Pfade (z. B. Pfad A) in der linken Nut, der links-mittleren Nut, der rechts-mittleren Nut und der rechten Nut die gleiche Anzahl von Malen über den gesamten Verlauf der Wicklung untergebracht ist. Dasselbe gilt für jeden der anderen Pfade (d. h. Pfad B, C und D). Dadurch ergibt sich eine elektrisch ausgeglichene Wicklung. In alternativen Ausführungsformen wird die Wicklung auch als elektrisch symmetrisch angesehen, wenn jeder der linken, mittleren und rechten Nuten jeden der parallelen Pfade (z. B. A, B, C und D) gleich oft durchläuft. Dies gilt auch dann, wenn die Anzahl der Unterbringung der parallelen Pfade in einer der Nuten (z. B. der linken Nut) von der Anzahl der Unterbringung der parallelen Pfade in den anderen Nuten (z. B. der linken-mittleren, rechten-mittleren oder rechten Nut) abweicht. Daher kann eine Wicklung beispielsweise als elektrisch symmetrisch betrachtet werden, wenn jeder der Pfade A, B, C und D jeweils 16 Mal in den linken Nuten, 32 Mal in den mittleren Nuten links, 32 Mal in den mittleren Nuten rechts und 16 Mal in den rechten Nuten untergebracht ist. Mit anderen Worten, die Wicklung ist symmetrisch, wenn jeder der parallelen Pfade in den linken Nuten gleich oft (W), in den mittleren linken Nuten gleich oft (X), in den mittleren rechten Nuten gleich oft (Y) und in den rechten Nuten gleich oft (Z) untergebracht ist, selbst wenn W, X, Y und Z alle unterschiedliche Zahlen sind (ein Beispiel für eine unsymmetrische Wicklung ist, wenn Pfad A 16 Mal in den linken Nuten untergebracht ist und der parallele Pfad B 32 Mal in den linken Nuten untergebracht ist). Obwohl die hierin offenbarte symmetrische Wicklung eine Anordnung ist, bei der W, X, Y und Z alle die gleiche Zahl sind, wird daher anerkannt, dass in anderen Ausführungsformen eine symmetrische Wicklung vorgesehen werden kann, auch wenn W, X, Y und Z unterschiedliche Zahlen sind.
Während die hier offengelegte Wicklung 50 für eine einzelne Phase einer dreiphasigen Wicklungsanordnung gilt, können die verbleibenden zwei Phasen identisch sein, aber in unterschiedlichen Nutensätzen angeordnet werden. Dementsprechend sind die Nutensätze der zweiten und dritten Phase um 4 (oder ein Vielfaches von 4) Nuten gegenüber den Nutensätzen der ersten Phase nach vorne bzw. nach hinten verschoben.
In Anbetracht des Vorstehenden wird man erkennen, dass hier eine Wicklungsanordnung für einen Stator offenbart wird, und in mindestens einer Ausführungsform hat die Wicklung 4 Nuten pro Pol pro Phase und vier parallele Drähte pro Phase. In mindestens einigen Ausführungsformen hat die Wicklung 8 Pole, 4 Drähte pro Nut und besteht aus segmentierten Leitern. Es wird jedoch anerkannt, dass auch alternative Ausführungsformen der Wicklungsanordnung möglich sind.
7A, 7B und 8 zeigen ein Beispiel einer alternativen Ausführungsform einer Wicklung 150, bei der sechs Leiter in jeder Nut angeordnet sind (im Gegensatz zu vier Leitern pro Nut, wie in der Ausführungsform von 4-6B gezeigt). 7A und 7B zeigen die Anordnung der Leiter der Wicklung in den Nuten für eine Wicklung 50, die eine einzelne Phase der Wicklungsanordnung 40 in vier parallelen Pfaden führt. Die Wicklung 150 hat vier parallele Pfade, die wellenförmig in Viernuten-Sätzen auf den Kern 22 gewickelt sind. 7A zeigt eine erste, zweite und dritte Umdrehung der Wicklungsleiter um den Statorkern 22 im Uhrzeigersinn; 7B zeigt eine vierte, fünfte und sechste Umdrehung der Wicklungsleiter um den Statorkern 22 im Gegenuhrzeigersinn. Ähnlich wie die in den 5A-5D dargestellte Wicklung 50 enthält die Wicklung 150 Standard-Endschleifen 1561, doppelt gekreuzte Endschleifen 1562 und einen Satz doppelt gekreuzter, doppelt verschachtelter Endschleifen 1563. Die großen Pfeile in den 7A und 7B veranschaulichen die Verbindungen zwischen den Leitern an den doppelt gekreuzten, doppelt verschachtelten Endschleifen 1563, wo die Wicklung ihre Richtung von Umdrehungen im Uhrzeigersinn zu Umdrehungen gegen den Uhrzeigersinn ändert.
8 zeigt ein Diagramm, das die Wicklung 150 aus 7A und 7B in Bezug auf die bestimmten Nuten des Stators, die verschiedene Pfade der Wicklung 150 beibehalten (d. h., welche Nuten welche der Pfade A-D beibehalten) und die zugehörige Schicht der Nut, in dem sich der Pfad befindet (d. h., welche der Schichten 1-6 den Pfad beibehalten), näher erläutert. 8 zeigt die ersten Leitungen, die einem ersten Nutensatz 1541 zugeordnet sind, und den zweiten Satz von Leitungen 158, der einem zweiten Nutensatz 1542 zugeordnet ist. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Wicklung 150 an den Leitungen 152 in den Kern eintritt, wobei diese Leitungen mit den eingekreisten Leitern des Nutensatzes 1541 verbunden sind. Eine Reihe von Pfeilen 161 veranschaulicht den Verlauf der Wicklungspfade A-D, während sie drei Umdrehungen im Uhrzeigersinn und drei Umdrehungen gegen den Uhrzeigersinn der Wicklung 150 um den Kern 22 machen. Die Pfeile stehen für die Endwindungen, einschließlich der bereits erwähnten Standard-Endwindungen, doppelt gekreuzten Endwindungen und doppelt gekreuzten, doppelt verschachtelten Endwindungen.
Zusätzlich zur Darstellung des Verlaufs der Wicklung 150 durch die Nuten zeigt 8 auch die unterschiedlichen Abstände der Endschleifen der Wicklung 150. Der Abstand einer Endschleife kann durch die Anzahl der Nuten berechnet werden, die einen Pfad in den beiden benachbarten Nutensätzen trennen. Ähnlich wie bei der Wicklung 50 in 5A-6B sind bei der Wicklung 150 in 7A-8 alle Endschleifenabstände entweder zehn, elf, zwölf, dreizehn oder vierzehn. Die Standard-Endschleifen haben einen Abstand von 12, die doppelt gekreuzten Endschleifen haben Abstände von 11 und 13, und die doppelt gekreuzten, doppelt verschachtelten Endschleifen (gezeigt an der Stelle 162 in 8) haben Abstände von 10 und 14.
Die hier offenbarten Wicklungen 50, 150 bilden Wicklungsanordnungen, die zu einer geringeren Drehmomentwelligkeit der elektrischen Maschine führen. Die Wicklungen sind vorteilhafterweise stärker verteilt als andere Wicklungsanordnungen mit weniger Nuten pro Pol und Phase. Die hierin offengelegte Wicklungsanordnung kann in einer elektrischen Maschine in einer beliebigen von verschiedenen Konfigurationen und für eine beliebige von verschiedenen Anwendungen implementiert werden. Zum Beispiel können die Wicklungen mit segmentierten Leitern konfiguriert werden, die in die Nuten eingelegt und miteinander verbunden werden. Alternativ können die Wicklungen mit durchgehenden Leitern konfiguriert werden, die auf die Nuten gewickelt werden. Als Anwendungsbeispiel für die elektrische Maschine kann die elektrische Maschine, die die hierin offenbarte Wicklungsanordnung enthält, in einem elektrischen Antriebsmotor, einem Generator oder einer Kombination aus Generator und Lichtmaschine verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 9 wird in mindestens einer Ausführungsform die elektrische Maschine 10 mit einer Wicklung mit doppelten Kreuzendschleifen als Teil eines hybridelektrischen Antriebssystems 99, wie z. B. des Antriebssystems für ein Hybridelektrofahrzeug, bereitgestellt. Das hybridelektrische Antriebssystem 99 umfasst die elektrische Maschine 10, die betriebsmäßig mit der Antriebswelle eines Verbrennungsmotors 70 verbunden ist. Die elektrische Maschine 10 ist außerdem über einen Drehmomentwandler oder eine Kupplung 75 betriebsfähig mit einem Getriebe 80 verbunden. Das Getriebe kann zum Antrieb der Räder 85 des Hybrid-Elektrofahrzeugs verwendet werden. Darüber hinaus ist die elektrische Maschine 10 über einen leistungselektronischen Wechselrichter/Gleichrichter 95 mit einer Batteriebank 90 verbunden. Der leistungselektronische Wechselrichter/Gleichrichter 95 ist in der Lage, elektrische Energie an die elektrische Maschine zu liefern oder elektrische Energie aus den Batterien aufzunehmen.
Während des Betriebs des Hybrid-Elektrofahrzeugs wirkt die elektrische Maschine sowohl als Motor als auch als Generator. Der Motorbetrieb umfasst den Anlasserbetrieb und den Fahrzeugantriebsbetrieb. Zunächst arbeitet die elektrische Maschine 10 als elektrischer Anlassermotor, der den Verbrennungsmotor 70 ankurbelt. Während dieser Zeit des Anwerfens des Motors koppelt die Kupplung 75 das Getriebe 80 von der elektrischen Maschine ab. Während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs mit niedriger Geschwindigkeit verbindet die Kupplung 75 die elektrische Maschine 10 und das Getriebe 80, so dass die elektrische Maschine als Fahrantrieb fungiert und die Räder 85 des Fahrzeugs dreht. Die elektrische Maschine 10 kann auch als Antriebsunterstützung für das Fahrzeug während der Fahrzeugbeschleunigung dienen. Während der Fahrt mit hoher Geschwindigkeit wird die elektrische Maschine 10 vom Verbrennungsmotor 70 angetrieben und arbeitet als Lichtmaschine, die elektrischen Strom für die elektrischen Verbraucher an Bord liefert und die Batteriebank lädt. Schließlich, während der Fahrzeugbremsung und Verzögerung, die elektrische Maschine 10 wirkt als Generator, der kinetische Energie aus dem Fahrzeug in elektrische Energie zum Laden der Batteriebank 90 umwandelt.
Die vorstehende detaillierte Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen der Statorwicklungsanschlussanordnung wurde hier nur als Beispiel und nicht als Einschränkung dargestellt. Es ist erkennbar, dass es Vorteile für bestimmte einzelne hier beschriebene Merkmale und Funktionen gibt, die ohne die Einbeziehung anderer hier beschriebener Merkmale und Funktionen erreicht werden können. Darüber ist erkennbar, dass verschiedene Alternativen, Modifikationen, Variationen oder Verbesserungen der oben beschriebenen Ausführungsformen und andere Merkmale und Funktionen oder Alternativen davon in vielen anderen verschiedenen Ausführungsformen, Systemen oder Anwendungen kombiniert werden können. Unvorhergesehene oder unvorhergesehene Alternativen, Modifikationen, Variationen oder Verbesserungen können von Fachleuten nachträglich vorgenommen werden, die ebenfalls von den beigefügten Ansprüchen umfasst sein sollen. Daher sollten der Geist und der Umfang der beigefügten Ansprüche nicht auf die Beschreibung der hierin enthaltenen Ausführungsformen beschränkt werden.
Verschiedene Ausführungsformen sind in den Zeichnungen und in der beigefügten Beschreibung dargestellt. Alternative Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und ihre Äquivalente können erfunden werden, ohne vom Geist oder Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Es sollte beachtet werden, dass jede Diskussion hier über „eine Ausführungsform“, „eine Ausführungsform“, „eine beispielhafte Ausführungsform“ und dergleichen darauf hinweist, dass die beschriebene Ausführungsform ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft enthalten kann und dass ein solches bestimmtes Merkmal, eine solche Struktur oder eine solche Eigenschaft nicht unbedingt in jeder Ausführungsform enthalten sein muss. Darüber hinaus umfassen Verweise auf das Vorgenannte nicht notwendigerweise einen Verweis auf dieselbe Ausführungsform. Schließlich, unabhängig davon, ob es explizit beschrieben ist, würde ein gewöhnlicher Fachmann leicht erkennen, dass jedes der besonderen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften der gegebenen Ausführungsformen in Verbindung oder in Kombination mit denen jeder anderen hier besprochenen Ausführungsform verwendet werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7622843 [0012]

Claims

Stator für eine elektrische Maschine, umfassend: einen Statorkern mit einer Mehrzahl von darin ausgebildeten Nuten; und eine Statorwicklung mit mindestens einer ersten Phasenwicklung, einer zweiten Phasenwicklung und einer dritten Phasenwicklung, die in der Mehrzahl von Nuten angeordnet sind, wobei die Statorwicklung Endschleifen aufweist, die sich zwischen Leitern in jeder Nut erstrecken, wobei jede der Endschleifen durch einen Endschleifenabstand definiert ist, wobei die erste Phasenwicklung mindestens vier Parallelpfade aufweist, die in Nutensätzen des Statorkerns verteilt sind, wobei jeder Nutensatz mindestens vier zusammenhängende Nuten umfasst, einschließlich zweier linker Nuten und zweier rechter Nuten, wobei ein erster Parallelpfad und ein zweiter Parallelpfad in den beiden linken Nuten für einen ersten Nutensatz und einen zweiten Nutensatz einer ersten Umdrehung um den Kern angeordnet sind, und der erste Parallelpfad und der zweite Parallelpfad in den beiden rechten Nuten für einen dritten Nutensatz und einen vierten Nutensatz einer nachfolgenden Umdrehung um den Kern angeordnet sind.
Stator nach Anspruch 1, der ferner einen dritten Parallelpfad und einen vierten Parallelpfad umfasst, die in den beiden rechten Nuten für den ersten und zweiten Nutensatz und in den beiden linken Nuten für den dritten und vierten Nutensatz angeordnet sind.
Stator nach Anspruch 2, wobei der erste Parallelpfad und der zweite Parallelpfad in den zwei linken Nuten für mindestens die erste Umdrehung um den Kern und in den zwei rechten Nuten für mindestens die zweite Umdrehung um den Kern angeordnet sind, und der dritte Parallelpfad und der vierte Parallelpfad in den zwei rechten Nuten für mindestens die erste Umdrehung um den Kern und in den zwei linken Nuten für mindestens die zweite Umdrehung um den Kern angeordnet sind.
Stator nach Anspruch 3, wobei die erste Umdrehung um den Kern im Uhrzeigersinn und die zweite Umdrehung um den Kern gegen den Uhrzeigersinn erfolgt.
Stator nach Anspruch 1, wobei mindestens vier Leiter in jeder der mehreren Nuten angeordnet sind, wobei die mindestens vier Leiter in jeder Nut alle einer einzelnen Phase der mindestens einen Statorwicklung zugeordnet sind.
Stator nach Anspruch 1, wobei die meisten der Endschleifen durch Endschleifenabstände von zwölf definiert sind.
Stator nach Anspruch 6, wobei mindestens zwei der Endschleifen durch Endschleifenabstände von vierzehn definiert sind, wobei die Endschleifen mit vierzehn Abständen den ersten Parallelpfad und den zweiten Parallelpfad von den zwei linken Nuten zu den zwei rechten Nuten überleiten.
Stator nach Anspruch 1, wobei der erste Parallelpfad und der zweite Parallelpfad zwischen den äußeren linken Nuten und den inneren linken Nuten der Nutensätze des Statorkerns für den ersten Nutensatz und den zweiten Nutensatz wechseln.
Stator nach Anspruch 8, wobei Endschleifen mit elf Abständen und dreizehn Abständen den ersten Parallelpfad und den zweiten Parallelpfad zwischen den äußeren linken Nuten und den inneren linken Nuten der Nutensätze für den ersten Nutensatz und den zweiten Nutensatz wechsein.
Ein Stator für eine elektrische Maschine, umfassend einen Statorkern mit einer Mehrzahl von darin ausgebildeten Nuten; und eine Statorwicklung, die mindestens eine erste Phasenwicklung, eine zweite Phasenwicklung und eine dritte Phasenwicklung enthält, die in der Mehrzahl von Nuten angeordnet sind, wobei die erste Phasenwicklung mindestens vier Parallelpfade enthält, wobei jeder Parallelpfad nuteninterne Leiter enthält, die durch Endschleifen verbunden sind, wobei jede der Endschleifen durch einen Endschleifenabstand definiert ist und jeder Parallelpfad mindestens drei unterschiedliche Endschleifenabstände enthält, wobei die mindestens vier Parallelpfade in Nutensätzen des Statorkerns verteilt sind, wobei jeder Nutensatz mindestens vier aneinandergrenzende Nuten umfasst.
Stator nach Anspruch 10, wobei ein Satz von doppelt gekreuzten Endschleifen eine Position von zwei linken Parallelpfaden zwischen einer ganz linken Position und einer mittleren linken Position schaltet und eine Position von zwei rechten Parallelpfaden zwischen einer ganz rechten Position und einer mittleren rechten Position schaltet.
Stator nach Anspruch 11, wobei die meisten der Endschleifen jedes Parallelpfads durch einen Endschleifenabstand von zwölf definiert sind, wobei mindestens zwei der Endschleifen jedes Parallelpfads durch einen Endschleifenabstand von elf und dreizehn definiert sind, und wobei eine der Endschleifen jedes Parallelpfads durch einen Endschleifenabstand von zehn oder vierzehn definiert ist.
Stator nach Anspruch 10, wobei sich die Richtung des Wicklungsverlaufs für die mehreren Parallelpfade an einem Satz verschachtelter, doppelt gekreuzter Endschleifen umkehrt.
Stator nach Anspruch 10, wobei die mindestens drei verschiedenen Spulenendschleifen-Abstände Abstände umfassen, die von N-3 bis N+3-Abstand reichen.
Stator nach Anspruch 14, wobei N gleich 12 ist.
Stator nach Anspruch 14, wobei die mindestens drei verschiedenen Spulenendschleifenabstände Abstände umfassen, die von N-2 bis N+2 reichen.
Stator nach Anspruch 16, wobei N gleich 12 ist.
Stator nach Anspruch 14, wobei die mindestens drei verschiedenen Endschleifenabstände mindestens vier verschiedene Endschleifenabstände umfassen, und wobei die mindestens vier verschiedenen Endschleifenabstände einen N-Abstand, einen N-1-Abstand, einen N+1-Abstand und einen vierten Abstand umfassen.
Stator nach Anspruch 18, wobei der vierte Abstand ein N+2-Abstand oder ein N+3-Abstand ist.
Stator für eine elektrische Maschine, umfassend: einen Statorkern mit einer Mehrzahl von darin ausgebildeten Nuten eine Wicklung, die in der Mehrzahl von Nuten positioniert ist, wobei die Wicklung mindestens vier Parallelpfade umfasst, die in Nutensätzen des Statorkerns verteilt sind, wobei jeder Nutensatz mindestens vier aneinandergrenzende Nuten umfasst, die zwei linke Nuten und zwei rechte Nuten umfassen, wobei jeder Parallelpfad mindestens vier Umdrehungen um den Statorkern macht, wobei die vier Umdrehungen erste und zweite Umdrehungen im Uhrzeigersinn und dritte und vierte Umdrehungen gegen den Uhrzeigersinn umfassen, wobei ein erster Parallelpfad und ein zweiter Parallelpfad die Position innerhalb der zwei linken Nuten der Nutensätze für die ersten und zweiten Umdrehungen im Uhrzeigersinn wechseln, wobei ein dritter Parallelpfad und ein vierter Parallelpfad innerhalb der zwei rechten Nuten der Nutensätze für die ersten und zweiten Umdrehungen im Uhrzeigersinn wechseln, wobei der erste und zweite Parallelpfad in den zwei rechten Nuten der Nutensätze für die dritten und vierten Umdrehungen gegen den Uhrzeigersinn wechseln, und wobei der dritte und vierte Parallelpfad innerhalb der zwei linken Nuten der Nutensätze für die dritten und vierten Umdrehungen gegen den Uhrzeigersinn wechseln.