DE112022001402T5

DE112022001402T5 - Verdrehte wicklungsstrukturen für einen elektromotor sowie systeme, komponenten, anordnungen und verfahren dafür

Info

Publication number: DE112022001402T5
Application number: DE112022001402.4T
Authority: DE
Inventors: Rodwan T. Adra; Brian R. Janes; Andrew FRIEBOHLE; Edwin B. SCHULTZ
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2021-05-18
Filing date: 2022-05-05
Publication date: 2024-01-11
Also published as: GB202318098D0; GB2621772A; AU2022275692A1; US11705768B2; CN117242677A; US20220376574A1; WO2022245548A1; JP2024519749A

Abstract

Eine Spulenwicklung (45) für einen Elektromotor (25) und Systeme, Komponenten, Anordnungen und Verfahren dafür können Windungen einer vorbestimmten Anzahl elektrisch leitfähiger Drähte (46) auf einer ersten Seite (48) der Spulenwicklung (45) umfassen, die im Uhrzeigersinn miteinander verdreht sind; und Windungen der vorbestimmten Anzahl der elektrisch leitfähigen Drähte (46) auf einer zweiten Seite (48) der Spulenwicklung (45), die der ersten Seite (48) gegenüberliegt, die im Gegenuhrzeigersinn miteinander verdreht sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Elektromotoren, insbesondere auf verdrehte Wicklungsstrukturen für Elektromotoren, sowie auf Systeme, Komponenten, Anordnungen und Verfahren dafür.
Stand der Technik
Arbeitsmaschinen können durch elektrische Antriebsysteme angetrieben werden. Die elektrischen Antriebsysteme können manchmal Elektroantriebtraktionssysteme umfassen, die Antriebskräfte an Traktionsvorrichtungen der Arbeitsmaschinen bereitstellen. In einigen elektrischen Antriebsfraktionssystemen können geschaltete Reluktanzmotoren verwendet werden, um die Antriebskraft bereitzustellen.
Geschaltete Reluktanzmotoren können verschiedene Motortopologien (z. B. die Anzahl an Statorpolen, die Wicklungsanzahl und die Anzahl an Rotorpolen) aufweisen. Ein geschalteter Reluktanzmotor kann außerdem mit mehreren Phasen (z. B. 2 Phasen, 3 Phasen, 4 Phasen oder mehr) konfiguriert sein. Ein geschalteter Reluktanzmotor kann mehrere Statorpole aufweisen, von denen jeder eine Umwicklung aus elektrisch leitfähigen Drähten oder eine Wicklung, die darum herum positioniert ist, aufweist. Die Anzahl an Drähten und die Konfiguration der Wicklung sind ein Faktor, der den Wirkungsgrad des Betriebs des geschalteten Reluktanzmotors beeinträchtigen kann.
Viele geschaltete Reluktanzmotoren sind ausgelegt, den Betrieb unter bestimmten Betriebsbedingungen zu optimieren. Für geschaltete Reluktanzmotoren, die verwendet werden, um bestimmte Arbeitsmaschinen anzutreiben, kann es jedoch wünschenswert sein, dass diese sowohl bei niedrigen Drehzahlen mit hohem Strom als auch bei höheren Geschwindigkeiten mit niedrigerem Strom effizient arbeiten. Die Wicklungen von einigen Motoren funktionieren elektrisch gut, doch kann ihnen die Fähigkeit, signifikante Mengen an Strom zu führen ohne übermäßige Erwärmung der Wicklung, fehlen. Andere Wicklungen weisen eine erhöhte Strombelastbarkeit auf, arbeiten eventuell jedoch nicht effizient, während sich die Betriebsfrequenzen erhöhen, was auch ihre Fähigkeit begrenzt, Arbeitsmaschinen anzutreiben. US. Pat. Nr. 10,128,706 („das '706-Patent“) beschreibt eine rotierende elektrische Maschine, die einen Stator mit einer offenen Nutkonfiguration und einer Vielzahl von Statorpolen enthält, wobei um jeden Statorpol eine Wicklung angeordnet ist. Das '706-Patent beschreibt auch, dass jede Wicklung eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Drähte aufweist, die eine Gruppe von Drähten definieren, und dass die Gruppe von Drähten im Allgemeinen um einen Stator gewickelt wird, um eine Vielzahl von Wicklungen zu definieren. Gemäß dem '706-Patent ist zumindest ein Teil der Gruppe von Drähten verdreht, und der Teil der Gruppe der Drähte weist zwischen etwa 1 und 5 Verdrehungen pro Windung auf.
Kurzdarstellung
Gemäß einem Aspekt wird eine Wicklung für einen Elektromotor offenbart oder bereitgestellt. Die Spulenwicklung kann wiederum Windungen einer vorbestimmten Anzahl elektrisch leitfähiger Drähte auf einer ersten Seite der Spulenwicklung umfassen, die im Uhrzeigersinn miteinander verdreht sind; und Windungen der vorbestimmten Anzahl der elektrisch leitfähigen Drähte auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Spulenwicklung, die im Gegenuhrzeigersinn miteinander verdreht sind.
In einem weiteren Aspekt wird ein Elektromotor offenbart oder bereitgestellt. Der Elektromotor kann umfassen: einen Stator; einen relativ zum Stator angeordneten Rotor; und eine Vielzahl von Wicklungen, die jeweils um die Statorpole des Stators angeordnet sind. Jede dieser Wicklungen kann eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Drähten umfassen, die kontinuierlich gewickelt sind, um eine vorbestimmte geometrische Form zu bilden, und für zumindest eine der Wicklungen: sind Windungen der elektrisch leitfähigen Drähte auf einer ersten Seite der vorbestimmten geometrischen Form in einer ersten Richtung miteinander verdreht, und Windungen der elektrisch leitfähigen Drähte auf einer zweiten Seite der vorbestimmten geometrischen Form, die der ersten Seite gegenüberliegt, sind in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung miteinander verdreht.
Und in einem weiteren Aspekt wird ein geschalteter Reluktanzmotor offenbart oder bereitgestellt. Der geschaltete Reluktanzmotor kann umfassen: einen Stator mit einer Vielzahl von Statorpolen und einer Vielzahl von Statornuten, wobei jede Statornut zwischen einem Paar der Vielzahl von Statorpolen angeordnet ist; einen innerhalb des Stators angeordneten Rotor; und eine Vielzahl von Wicklungen, wobei jede dieser Wicklungen um einen entsprechenden der Statorpole herum angeordnet ist. Jede dieser Wicklungen kann eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Drähte umfassen und bildet einen länglichen Ring mit einem Paar gegenüberliegender langer Seiten und gegenüberliegenden kurzen Seiten, die die langen Seiten verbinden, wobei für jede dieser Wicklungen die elektrisch leitfähigen Drähte in einer Vielzahl von Gruppen angeordnet werden können, wobei für jede der Gruppen die elektrisch leitfähigen Drähte auf einer ersten langen Seite des Paars gegenüberliegender langer Seiten in einer Verdrehungsrichtung im Uhrzeigersinn miteinander verdreht sein können, von einer der kurzen Seiten aus gesehen, kontinuierlich entlang einer gesamten Länge der ersten langen Seite, und wobei für jede der Gruppen die elektrisch leitfähigen Drähte auf einer zweiten langen Seite des Paars gegenüberliegender langer Seiten in einer Verdrehungsrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn miteinander verdreht sein können, von der einen der kurzen Seiten aus gesehen, kontinuierlich entlang einer gesamten Länge der zweiten langen Seite.
Andere Merkmale und Aspekte dieser Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist eine schematische Darstellung einer Arbeitsmaschine, die bestimmte Aspekte der Offenbarung hierin beinhaltet.
2 ist eine schematische Draufsicht auf einen Teil eines geschalteten Reluktanzmotors, der bestimmte Aspekte der Offenbarung hierin beinhaltet.
3 ist eine vereinfachte schematische Ansicht eines Teils einer elektrischen Schaltung, die Wicklungen des geschalteten Reluktanzmotors von 2 beinhaltet.
4 ist eine Ansicht des Endabschnitts einer Statoranordnung aus der Perspektive des Rotors innerhalb des Stators, wobei bestimmte Komponenten gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zur Verdeutlichung entfernt wurden.
5 ist eine vergrößerte Ansicht des eingekreisten Abschnitts 5-5 von einer der Wicklungen in 4.
6 ist ein Schnitt, der allgemein entlang der Linie 6-6 von 5 verläuft.
7 ist eine vergrößerte Ansicht des eingekreisten Abschnitts 7-7 eines Teils einer Wicklung in 6.

Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf verdrehte Wicklungsstrukturen für Elektromotoren sowie auf Systeme, Komponenten, Anordnungen und Verfahren dafür.
Mit Bezug auf 1 ist eine Maschine 10 schematisch dargestellt, die einen Rahmen 12 mit einer Vorderachse 13 und einer Hinterachse 14 beinhaltet. Eine Traktionsvorrichtung 15 (z. B. Räder, Ketten usw.) kann an jedem Ende jeder Achse montiert sein und beispielsweise von einem geschalteten Reluktanz-Traktionssystem 16 angetrieben werden. Eine Leistungsquelle 17 kann den geschalteten Reluktanz-Traktionssystemen 16 elektrische Leistung bereitstellen. Die Leistungsquelle 17 kann einen Antriebsmotor (nicht dargestellt) wie beispielsweise einen Verbrennungsmotor verwenden, der mit einem Generator (nicht dargestellt) gekoppelt ist, um die geschalteten Reluktanz-Traktionssysteme 16 mit elektrischer Leistung zu versorgen. In einer anderen Ausführungsform kann die Leistungsquelle 17 ein Brennstoffzellengenerator (nicht dargestellt) sein, der zum direkten Versorgen der geschalteten Reluktanz-Traktionssysteme 16 mit elektrischer Leistung ausgelegt ist. Weiterhin kann die Leistungsquelle 17 ein Hybridsystem beinhalten, das zwei oder mehr verschiedene Arten von Vorrichtungen zur Umwandlung einer Energieversorgung in elektrische Energie oder zur direkten Versorgung mit elektrischer Energie beinhaltet.
Eine Steuerung 21 kann um Steuern des Betriebs der geschalteten Reluktanz-Traktionssysteme 16 sowie der Leistungsquelle 17 und anderer Komponenten und Systeme der Maschine 10 verwendet werden. Die Steuerung 21 kann eine Komponente eines Steuersystems sein, das in 1 allgemein mit 20 dargestellt ist, um die Verbindung zu der Maschine 10 anzuzeigen. Das Steuersystem 20 kann einen oder mehrere Sensoren enthalten, die Daten und andere Eingaben bereitstellen, die verschiedene Betriebsparameter der Maschine 10 darstellen. Die Steuerung 21 kann eine logisch arbeitende elektronische Steuerung sein, die Operationen, die Ausführung von Steueralgorithmen, das Speichern und Abrufen von Daten und andere gewünschte Operationen durchführt. Die Steuerung 21 kann Speicher, sekundäre Speichervorrichtungen, Prozessoren und jegliche anderen Komponenten zur Ausführung einer Anwendung beinhalten oder auf diese zugreifen. Der Speicher und die sekundären Speichervorrichtungen können in Form eines Nur-Lese-Speichers (ROM) oder eines Speichers mit wahlfreiem Zugriff (RAM) oder einer integrierten Schaltung, auf die die Steuerung zugreifen kann, vorliegen. Verschiedene andere Schaltungen können mit der Steuerung assoziiert sein, beispielsweise eine Energieversorgungsschaltung, eine Signalformungsschaltung, eine Treiberschaltung und andere Arten von Schaltungen.
Die Steuerung 21 kann eine einzelne Steuerung sein oder mehr als eine Steuerung beinhalten, die zur Steuerung verschiedener Funktionen und/oder Merkmale der Maschine 10 angeordnet sind. Der Begriff „Steuerung“ ist im weitesten Sinne zu verstehen und beinhaltet eine oder mehrere Steuerungen und/oder Mikroprozessoren, die mit der Maschine 10 assoziiert sein können und die bei der Steuerung verschiedener Funktionen und Vorgänge der Maschine zusammenwirken können. Die Funktionalität der Steuerung 21 kann ohne Rücksicht auf die Funktionalität in Hardware und/oder Software implementiert werden. Die Steuerung 21 kann die geschalteten Reluktanz-Traktionssysteme 16 und andere Funktionen der Maschine 10 steuern. Obwohl geschaltete Reluktanz-Traktionssysteme beschrieben sind, sind die Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands nicht derart beschränkt und können auch andere Arten von elektromotorbasierten Traktionssystemen beinhalten.
2 stellt eine schematische Ansicht einer rotierenden elektrischen Maschine 25 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands dar. Die rotierende elektrische Maschine 25 kann ein geschalteter Reluktanzmotor sein, der mit jedem geschalteten Reluktanz-Traktionssystem 16 verbunden sein kann, obwohl Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands nicht auf geschaltete Reluktanzmotoren beschränkt sind und andere Arten von Elektromotoren mit Spulenwicklungen (z. B. Induktionsmotoren, usw.) beinhalten können. Wie in 2 dargestellt, kann die rotierende elektrische Maschine die Form eines 8/4 2-phasigen geschalteten Reluktanzmotors (d. h acht Statorpole 28, vier Rotorpole 29 und 2-Phasen-Leitung) aufweisen, der einen Stator 26 und einen relativ zu dem Stator drehbaren Rotor 27 beinhalten kann. Die Anzahl der Phasen sowie die Anzahl der Statorpole 28 und der Rotorpole 29 ist nur beispielhaft und nicht als einschränkend gedacht. Anders ausgedrückt kann die rotierende elektrische Maschine 25 in Form des geschalteten Reluktanzmotors eine erste Vielzahl von Statorpolen 28 und eine zweite Vielzahl von Rotorpolen 29 aufweisen.
Wie dargestellt, kann der Stator 26 acht radial nach innen hervorstehende Statorpole 28 beinhalten und der Rotor 27 vier radial nach außen hervorstehende Rotorpole 29. Jeder Statorpol 28 kann radial nach innen hervorstehen und eine nach innen gerichtete Stirnfläche 31 sowie ein Paar entgegengesetzt gerichteter Seitenflächen 32 aufweisen. Der Abstand zwischen den entgegengesetzt gerichteten Seitenflächen 32 (d. h, eine erste Seitenfläche und eine zweite Seitenfläche des Statorpols 28), der bei 33 gezeigt ist, kann im Allgemeinen konstant sein, sodass jeder Pol eine im Allgemeinen konstante Breite in einer Umfangsrichtung um den Stator 26 herum aufweist.
Der Stator 26 kann ferner eine Vielzahl von Statornuten 35 beinhalten, wobei jede Statornut zwischen einem Paar der Statorpole 28 in einem Winkel positioniert ist und daher jeder Statorpol 28 in einem Winkel zwischen einem Paar angrenzender Statornuten 35 positioniert werden kann. Dementsprechend kann die Anzahl der Statornuten 35 gleich der Anzahl der Statorpole 28 sein. Jede Statornut 35 kann sich in Richtung des Rotors 27 öffnen und eine Kante oder Außenfläche 36, gegenüberliegende Seitenkanten 37, die durch die entgegengesetzt gerichteten Seitenflächen 32 der angrenzenden Statorpole 28 definiert sind, und eine innere Begrenzung 38 aufweisen, die sich im Allgemeinen entlang oder quer zu der Öffnung 39 der Statornut 35 erstreckt. Wie nachfolgend beschrieben, kann eine Rückhaltestruktur 55 die gegenüberliegenden Seitenkanten 37 über die Öffnung 39 überspannen, um die an jedem Statorpol 28 angeordneten Wicklungen 45 innerhalb der Statornuten 35 zurückzuhalten. Dementsprechend kann die innere Begrenzung 38 jeder Statornut 35 von der nach innen gerichteten Stirnfläche 31 jedes Statorpols 28 beabstandet sein, wie am besten aus 6 ersichtlich.
Aufgrund des Kreisquerschnitts des Stators 26 und der im Allgemeinen konstanten Breite jedes Statorpols 28 in einer Bogen- oder Umfangsrichtung kann jede Statornut 35 eine Breite aufweisen, die sich im Allgemeinen gleichmäßig oder linear von der Außenfläche 36 in Richtung der Öffnung 39 verjüngt oder verengt. Mit einer derartigen Struktur kann der Stator 26 als eine offene Nutkonfiguration aufweisend bezeichnet werden. Eine Mittellinie 40 jeder Statornut 35 kann sich zwischen angrenzenden Paaren von Statorpolen erstrecken, um sich allgemein entlang des Mittelpunkts zwischen den gegenüberliegenden Seitenkanten 37 der Statornut 35 zu erstrecken.
Die Statorpole 28 können in zwei oder mehr Statorpolsätzen 28 gruppiert sein, die der Anzahl der Phasen (z. B. 2) der rotierenden elektrischen Maschine 25 in Form des geschalteten Reluktanzmotors entsprechen. In dem dargestellten Beispiel sind die acht Statorpole 28 in zwei Phasensätze gruppiert, wobei vier Statorpole 28 (dargestellt als A+ und A-) in einem Phasensatz und vier Statorpole 28 (dargestellt als B+ und B-) in dem anderen Phasensatz gruppiert sind. Die Rotorpole 29 können in diametral ausgerichteten Paaren gruppiert sein.
Jeder Statorpol 28 kann eine leitfähige Umwicklung oder Wicklung 45 aufweisen, die um diesen gewickelt ist. Die Wicklungen 45 können um die Statorpole 28 jeder Gruppe eines Phasensatzes (A+, A- und B+, B-) positioniert und elektrisch verbunden sein und können als Teil eines Stromkreises entweder parallel oder in Reihe ausgelegt sein. 3 stellt die parallel geschalteten Wicklungen 45 der Phase A dar. Die Wicklungen 45 der Phase B können in ähnlicher Weise wie die Wicklungen 45 in 3 angeordnet sein.
Der geschaltete Reluktanzmotor 25 kann einen Rotor 27 ohne Wicklungen oder Magnete aufweisen. Der Rotor 27 kann beispielsweise aus einem Stapel vertikal laminierter, einteiliger, kontinuierlicher, ringförmiger Eisenteile bestehen. Es sind jedoch auch Rotoren denkbar, die andere Strukturen und Konfigurationen aufweisen. Zusätzlich können, obwohl die rotierende elektrische Maschine 25, d. h der Elektromotor, in 2 als geschalteter Reluktanzmotor dargestellt ist, die hierin offenbarten Konzepte auch auf andere rotierende elektrische Maschinen wie beispielsweise einen geschalteten Reluktanzgenerator oder eine andere Art von Elektromotor oder Generator angewendet werden. Die Konzepte sind weiterhin auf andere rotierende elektrische Maschinen anwendbar, beispielsweise auf solche, bei denen der Rotor 27 Permanentmagnete oder eine andere Struktur oder Konfiguration aufweist.
Im Betrieb kann die Drehung des Rotors 27 der rotierenden elektrischen Maschine 25 in Form des geschalteten Reluktanzmotors durch die sequentielle Erregung oder Energetisierung angrenzender Sätze von Statorpolen 28 durch Zuführung von Gleichstrom zu den Wicklungen 45 der Statorpole 28 erreicht werden. Die Energetisierung der Statorpole 28 kann einen Magnetfluss erzeugen, von dem die Rotorpole 29 angezogen werden, der dazu tendiert, die Rotorpole 29 mit den energetisierten Statorpolen 28 auszurichten. Wenn die Rotorpole 29 mit den energetisierten Statorpolen 28 ausgerichtet werden, kann der Gleichstrom zu den energetisierten Polen beendet und nachfolgend den nächsten sequenziellen Statorpolen 28 zugeführt werden. Die Rotorpole 29 können dann von dem nächsten Satz sequenzieller Pole angezogen werden, was eine fortgesetzte Drehung des Rotors 27 bewirken kann. Dieser Prozess kann während des Betriebs der rotierenden elektrischen Maschine 25 in Form des geschalteten Reluktanzmotors fortgesetzt werden. Drehmoment kann durch die Tendenz der Rotorpole 29 erzeugt werden, sich mit den energetisierten Statorpolen 28 auszurichten. Kontinuierliches Drehmoment kann erzeugt werden, indem die Erregung aufeinanderfolgender Statorpole 28 mit der momentanen Position der Rotorpole 29 synchronisiert wird.
Mit Bezugnahme auf 4 ist ein Abschnitt des Stators 26 mit zwei Wicklungen 45 dargestellt, die um die angrenzenden Statorpole 28 angeordnet sind. Jede Wicklung 45 kann aus einer Vielzahl elektrisch leitfähiger Drähte 46 bestehen, die eine Gruppe von Drähten definieren, die kontinuierlich um eine Mittelöffnung 47 eine vorbestimmte Anzahl von Malen oder Windungen gewickelt sind, um eine vorbestimmte geometrische Form zu bilden, beispielsweise eine Ringform (z. B. länglicher Ring, oval, rechteckig oval, quadratisch, usw.). Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen kann jede Wicklung 45 im Allgemeinen identisch und gemäß Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands ausgelegt sein. Alternativ können zumindest eine oder mehrere der Wicklungen 45 gemäß den Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands ausgelegt sein.
Die Mittelöffnung 47, die einen Mittelhohlraum oder ein offenes Volumen definieren kann, kann in ihrer Größe zumindest dem Querschnitt der Statorpole 28 entsprechen, sodass die Wicklung 45 bei der Herstellung der rotierenden elektrischen Maschine 25 in Form des geschalteten Reluktanzmotors 25 auf den Statorpol 28 geschoben werden kann. Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen kann jede Wicklung 45 ein Paar lange oder Hauptseiten 48 und ein Paar kurze oder Nebenseiten 49 aufweisen, die das Paar der langen Seiten 48 miteinander verbinden. Das Paar der langen Seiten 48 kann hierin als erste bzw. zweite lange Seite 48 bezeichnet werden. Dementsprechend kann jede Wicklung 45 einen ersten Abschnitt 51 aufweisen, der sich durch eine erste Statornut 35 erstreckt, und einen zweiten Abschnitt 52, der sich durch eine zweite Statornut 3 5 erstreckt. Die zweite Statornut 35 kann an die erste Statornut 35 angrenzen, wobei die erste und zweite Statornut 35 durch einen Statorpol 28 getrennt sind. Darüber hinaus können der erste Abschnitt 51 einer Wicklung 45 und der zweite Abschnitt 52 einer anderen, angrenzenden Wicklung 45 in derselben Statornut 35 zwischen angrenzenden Statorpolen 28 bereitgestellt werden, wie beispielsweise in 4 dargestellt.
Die Wicklung 45 kann aus einer Vielzahl elektrisch leitfähiger Drähte 46 bestehen, die, wie vorstehend erwähnt, jeweils einen allgemein kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Alternativ können die elektrisch leitfähigen Drähte 46 in einigen Konfigurationen einen nicht-kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wie beispielsweise oval, quadratisch oder rechteckig. Die elektrisch leitfähigen Drähte 46 können aus einem hoch leitfähigen, flexiblen Material wie Kupfer gebildet sein und können eine Isolationsschicht darauf aufweisen. Bei einer Ausführungsform können Magnetdrähte mit einer Schicht aus Emailisolierung verwendet werden. Als ein Beispiel kann jeder elektrisch leitfähige Draht 46 einen Durchmesser von etwa 0,05 Zoll aufweisen. Die elektrisch leitfähigen Drähte 46 können jedoch auch andere Durchmesser aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform können die elektrisch leitfähigen Drähte 46 eine Drahtstärke von etwa 15 bis 18 aufweisen.
Die elektrisch leitfähigen Drähte 46 können gruppiert und dann zu einer Wicklung 45 gewickelt werden. Die Gruppe der elektrisch leitfähigen Drähte 46 gemäß den Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands kann beispielsweise in einem Bereich von zwei bis (einschließlich) dreißig Litzen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 liegen. Zusätzlich können die elektrisch leitfähigen Drähte 46 eine vorbestimmte Anzahl von Umdrehungen, d. h, Windungen um die Mittelöffnung 47, gewickelt werden, um die Wicklung 45 zu bilden. Gemäß den Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands kann die Anzahl der Windungen in einem Bereich von zehn bis (einschließlich) einhundert Windungen liegen. Die Anzahl der Windungen oder Male, die die Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 um die Mittelöffnung 47 gewickelt ist, kann basierend auf der gewünschten elektrischen Leistung der rotierenden elektrischen Maschine 25 in Form des geschalteten Reluktanzmotors ermittelt oder eingestellt werden. Dementsprechend kann die Anzahl an Windungen um die Mittelöffnung 47 wie gewünscht angepasst werden. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann jede Wicklung 45 in ihrer gewickelten Form unter Verwendung eines Bindeharzes oder dergleichen (z. B. eines ausgehärteten Epoxidharzes) eingestellt oder fixiert werden.
Die Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46, die um den zentralen Kern 47 gewickelt sind, kann auch miteinander verdreht sein. Das Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 kann auf verschiedene Weise erfolgen. In einem Beispiel können die elektrisch leitfähigen Drähte 46 verdreht werden, während sie zugeführt und um eine rotierende Vorrichtung (z. B. eine Spule) gewunden werden, um die Wicklung 45 zu bilden. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann das miteinander Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 der Gruppe nicht als Flechten angesehen oder charakterisiert werden.
Das Verdrehen der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 kann gemäß einem vorgegebenen Muster erfolgen. Gemäß den Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands kann das Verdrehen insbesondere in entgegengesetzte Richtungen erfolgen. Gemäß den Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands können die gruppierten elektrisch leitfähigen Drähte 46 insbesondere in einer ersten Richtung für einen oder mehrere Abschnitte oder Segmente einer Windung (in diesem Zusammenhang eine einzelne Umdrehung) um die Wicklung 45 und in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung für einen oder mehrere Abschnitte oder Segmente der Windung um die Wicklung 45 verdreht werden. Solche ersten und zweiten Richtungen können hierin als Uhrzeigersinn und Gegenuhrzeigersinn oder umgekehrt bezeichnet werden.
In einigen Ausführungsformen können die gruppierten elektrisch leitfähigen Drähte 46 entweder für einen oder mehrere Abschnitte oder Segmente der Windung um die Wicklung 45 nicht verdreht sein (dies kann als neutrale oder unverdrehte Positionierung bezeichnet werden) oder sie können um einen Betrag verdreht sein, der geringer ist als (d. h zwischen) die Verdrehungsbeträgen für die erste und zweite Richtung für die sogenannten verdrehten Abschnitte oder Segmente um die Wicklung 45. Ein Verdrehen im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn kann beispielsweise durch eine Verdrehung von +/-360 Grad oder mehr (z. B. +/- 720 Grad oder +/- 900 Grad) von einer neutralen oder Nullposition aus gekennzeichnet sein, d. h, eine Verdrehungsumdrehung, zwei Verdrehungsumdrehungen oder 2,5 Verdrehungsumdrehungen. Daher kann unverdreht als in der neutralen oder Null-Grad-Position für die elektrisch leitfähigen Drähte 46 der Gruppe oder sogar zwischen positiven dreihundertsechzig Grad und negativen dreihundertsechzig Grad, wie beispielsweise positiven fünf Grad, charakterisiert werden. Da die elektrisch leitfähigen Drähte 46 der Gruppe zumindest um eine volle Umdrehung miteinander verdreht sein können, d. h, um dreihundertsechzig Grad oder mehr (z. B. 360 Grad bis 900 Grad), kann jeder elektrisch leitfähige Draht 46 zumindest einen Abschnitt oder ein Segment entlang der Windung aufweisen, der bzw. das näher an der Mittelöffnung 47 (und dem Mittelhohlraum) liegt als entsprechende Abschnitte oder Segmente der anderen elektrisch leitfähigen Drähte 46 der Gruppe und zumindest einen Abschnitt oder ein Segment entlang der Windung, der bzw. das weiter von der Mittelöffnung 47 (und dem Mittelhohlraum) entfernt ist als entsprechende Abschnitte oder Segmente der anderen elektrisch leitfähigen Drähte 46 der verdrehten Gruppe.
Wie vorstehend erwähnt, kann das Verdrehen in einem oder mehreren Abschnitten oder Segmenten der Windungen erfolgen. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Segment der elektrisch leitfähigen Drähte 46 beispielsweise an einer der langen Seiten 48, die beispielsweise mit dem ersten Abschnitt 51 der Wicklung 45 verbunden ist, elektrisch leitfähige Drähte 46 der Gruppe aufweisen, die im Uhrzeigersinn miteinander verdreht sind, während das Segment der elektrisch leitfähigen Drähte 46 an der anderen langen Seite 48, die beispielsweise mit dem zweiten Abschnitt 52 der Wicklung 45 verbunden ist, elektrisch leitfähige Drähte 46 der Gruppe aufweisen kann, die in Gegenuhrzeigersinn miteinander verdreht sind. Die Segmente an den kurzen Seiten 49 können entweder unverdreht oder in der gleichen Verdrehrichtung wie eine unmittelbar vorangehende lange Seite 48 miteinander verdreht sein. In diesem Beispiel kann das miteinander Verdrehen der Längsseiten 48 über die gesamte Länge oder die Gesamtheit der langen Seiten 48 erfolgen. Somit kann das miteinander Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 der Gruppe entlang jeder der langen Seiten 48 als ein kontinuierliches Verdrehen ohne einen oder mehrere unverdrillte Abschnitte entlang der gesamten langen Seite 48 betrachtet oder charakterisiert werden. Die Anzahl der Verdrehungen der langen Seiten 48 kann gemäß den Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands gleich sein. Optional kann das miteinander Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 an den kurzen Seiten 49 geringer sein als das miteinander Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 an den langen Seiten 48. Das heißt, das miteinander Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 an den kurzen Seiten 49 kann weniger fest sein als das miteinander Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 für die langen Seiten 48.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 miteinander pro Abschnitt oder Segment in einer Dickenrichtung oder auf einer gleichen Höhe der Wicklung 45 für die verschiedenen Windungen der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 im Allgemeinen auf der gleichen Höhe gleich oder im Wesentlichen gleich sein (z. B. gleicher Betrag der Verdrehung) (d. h, in Seitenrichtung in 4; in horizontaler Richtung in 7, wobei die erste Windung 63 und die zweite Windung 62 der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 als auf gleicher Höhe des Aufbaus der Wicklung 45 liegend betrachtet werden können). Die Verdrehung (oder Nicht-Verdrehung) der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 miteinander kann sich jedoch in einer Höhenrichtung der Wicklung 45 ändern (d. h in horizontaler Richtung in 4; in vertikaler Richtung in 7, wobei die dritte Windung 60 als auf einer Höhe oder einem Niveau über der zweiten Windung 62 der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 im Aufbau der Wicklung 45 liegend angesehen werden kann). Zum Beispiel kann der Betrag des Verdrehens der elektrisch leitfähigen Drähte 46 miteinander zunehmen, wenn die Windungen zunehmen und der Aufbau der Wicklung 45 ansteigt. Das heißt, in größeren Höhen oder Ebenen können die elektrisch leitfähigen Drähte 46 stärker miteinander verdreht sein als an den Windungen der elektrisch leitfähigen Drähte 46, die näher an der Mittelöffnung 47 liegen. Optional kann bei Windungen an der Schnittstelle mit der Mittelöffnung 47 keine Verdrehung auftreten. Die Höhenrichtung oder die Niveaus der Wicklung 45 kann hierin als eine Richtung weg von der Mittelöffnung (und dem Mittelhohlraum) bezeichnet werden.
Unabhängig von der Art und Weise der Verdrehung der elektrisch leitfähigen Drähte 46 kann jede Verdrehung eine relativ lockere Verdrehung der elektrisch leitfähigen Drähte 46 bilden. Ein solches Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 kann den einzelnen elektrisch leitfähigen Drähten 46 ermöglichen, sich seitlich relativ zu den anderen Drähten der Gruppe zu bewegen, wenn die Wicklung 45 an einem Statorpol 28 montiert wird. In dem oben beschriebenen Beispiel kann die Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 etwa zweimal verdreht werden, während sie sich um die Mittelöffnung 47 bewegen. Da die elektrisch leitfähigen Drähte 46 verdreht sind, kann die Gruppe der elektrisch leitfähigen Drähte 46 einen annähernd kreisförmigen Querschnitt annehmen. Die relativ lockere Verdrehung der elektrisch leitfähigen Drähte 46 kann jedoch eine gewisse seitliche Bewegung jedes elektrisch leitfähigen Drahtes 46 relativ zu anderen Drähten innerhalb der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 ermöglichen. Sobald die Wicklung 45 auf dem Statorpol 28 montiert ist, können sich die elektrisch leitfähigen Drähte 46 ausreichend seitlich bewegt haben, sodass jede Windung oder Umwicklung der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 nicht ohne weiteres von anderen Windungen oder Umwicklungen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 zu unterscheiden ist und die einzelnen elektrisch leitfähigen Drähte 46 relativ zufällig oder in einer ungleichmäßigen Anordnung innerhalb jeder Statornut 35 angeordnet zu sein scheinen. Obwohl die Gruppe von Drähten in der dargestellten Ausführungsform bei jeder Umwicklung um die Mittelöffnung 47 zweimal verdreht werden kann, können die elektrisch leitfähigen Drähte 46 in anderen Ausführungsformen zwischen etwa ein- und fünfmal pro Windung oder 0,5 bis 2,5 Verdrehungen pro Seite verdreht werden, während sie (wiederum für einige oder alle Abschnitte oder Teile der Windung) um die Mittelöffnung 47 gewickelt werden, obwohl Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands nicht derart beschränkt sind.
6 stellt einen Querschnitt durch eine der Statornuten 35 und ein Paar angrenzender Statorpole 28 dar, die um sich herum angeordnete Wicklungen 45 aufweisen. Der erste Abschnitt 51 der einen Wicklung 45 und der zweite Abschnitt 52 einer zweiten, angrenzenden Wicklung 45 können jeweils innerhalb der Statornut 35 angeordnet sein. Ein nichtleitendes Distanzstück 56 kann allgemein entlang der Mittellinie 40 jeder Statornut 35 angeordnet sein, um den ersten Abschnitt 51 der einen Wicklung 45 von dem zweiten Abschnitt 52 der zweiten, angrenzenden Wicklung 45 zu trennen. Da die elektrisch leitfähigen Drähte 46 bei der Bildung der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 relativ locker verdreht werden können, können sie relativ zu anderen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 innerhalb einer Windung, zumindest entlang der langen Seiten 48 der Wicklung 45, seitlich beweglich sein. Dementsprechend können sich die einzelnen elektrisch leitfähigen Drähte 46 beim Aufschieben der Wicklungen 45 auf die Statorpole 28 relativ dicht in die Statornut 35 einfügen. Diese Bewegung kann darin resultieren, dass eine Anzahl an Öffnungen oder Spalten zwischen angrenzenden Windungen der Drahtgruppe aufgrund der Seitwärtsbewegung der elektrisch leitfähigen Drähte 46 gefüllt wird.
Wie bereits erwähnt, können sich die elektrisch leitfähigen Drähte 46 aufgrund der relativ lockeren Verdrehung der elektrisch leitfähigen Drähte 46 seitlich bewegen, wenn jede Wicklung 45 an ihrem Statorpol 28 montiert wird (und/oder sogar schon vor der Montage). Die elektrisch leitfähigen Drähte 46 entlang der langen Seiten 48 der Wicklung 45 können sich seitlich innerhalb der Statornut 35 bewegen, um die Anzahl und Größe der Öffnungen zwischen einer oder mehreren zuvor gewickelten Gruppen elektrisch leitfähiger Drähte 46 aus einer früheren Windung oder Windungen zu verringern. In einigen Fällen kann sich der Abschnitt der elektrisch leitfähigen Drähte 46 entlang der kurzen Seiten 49 jeder Wicklung 45 bewegen, um das Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 entlang der kurzen Seiten 49 relativ zu reduzieren oder zu eliminieren. Somit kann, wie vorstehend erwähnt, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen jede Windung der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 immer noch verdreht sein, doch der verdrehte Abschnitt kann dazu neigen, in einem Abschnitt der Windung entlang der langen Seiten 48 der Wicklung 45 konzentriert zu sein. Daher können gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen die elektrisch leitfähigen Drähte 46 zumindest in Bezug auf den Betrag der Verdrehung bei der Bildung der Wicklung 45 zwar relativ gleichmäßig verdreht sein, doch ist die Verdrehung möglicherweise nicht über die Länge jeder Windung, d. h einer Drehung der Wicklung 45, gleichmäßig. Somit kann jede Verdrehung und anschließende Gegenverdrehung eine relativ geringere Anzahl von Verdrehungen pro Seite bereitstellen (z. B. jeweils 2,5 Verdrehungen pro Seite oder eine halbe Windung) im Vergleich zu einer Situation, in der beide langen Seiten in die gleiche Richtung verdreht sind (z. B. beide fünf Verdrehungen pro Seite).
Wie aus 6 ersichtlich ist, können Zwischenräume oder gleichmäßige Hohlräume zwischen angrenzenden Windungen der Drahtgruppe entlang des Querschnitts durch die Statornut 35 reduziert oder sogar generell eliminiert werden. Mit anderen Worten können sich die elektrisch leitfähigen Drähte 46 aufgrund der relativ lockeren Verdrehung der einzelnen elektrisch leitfähigen Drähte 46 der Gruppe seitlich bewegen, sodass die einzelnen elektrisch leitfähigen Drähte 46 im Allgemeinen willkürlich angeordnet zu sein scheinen und der Umriss oder die Begrenzung jeder Windung oder Umwicklung der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 im Wesentlichen eliminiert werden kann. In 7 ist beispielsweise eine dritte Windung 60 der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 mit einem annähernd kreisförmigen Querschnitt oder einer Begrenzung dargestellt. Eine vierte Windung 61 der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 ist mit einem annähernd rechteckigen Querschnitt dargestellt. Eine zweite Windung 62 der Gruppe der elektrisch leitfähigen Drähte 46 und eine erste Windung 63 der Gruppe der elektrisch leitfähigen Drähte 46 können jeweils einen allgemein unterschiedlichen Querschnitt aufweisen, wie beispielsweise in 7 dargestellt. Daher können, obwohl die Gruppe der elektrisch leitfähigen Drähte 46 bei der Verdrehung ursprünglich einen allgemein kreisförmigen Querschnitt aufweisen können, bei der Positionierung der Wicklung 45 innerhalb der Statornut 35 die elektrisch leitfähigen Drähte 46 innerhalb vieler oder sogar aller Windungen der Gruppe der elektrisch leitfähigen Drähte 46 verschoben werden, um einen nicht-kreisförmigen Querschnitt aufzuweisen. In diesem Beispiel können die elektrisch leitfähigen Drähte 46 jeder einzelnen Windung (einschließlich der ersten bis dritten vierten Windung 60-63) für diesen Abschnitt der Wicklung 45 entweder gemäß einer Verdrehrichtung im Uhrzeigersinn oder einer Verdrehrichtung im Gegenuhrzeigersinn miteinander verdreht werden, wie vorstehend erläutert, wobei es sich um die entgegengesetzte Verdrehrichtung des gegenüberliegenden zweiten Abschnitts 52 der gleichen Wicklung 45 handeln kann.
Mit erneuter Bezugnahme auf 6 kann die Haltestruktur 55, wie beispielsweise ein allgemein nicht leitfähiges plattenartiges Element, die gegenüberliegenden Seitenkanten 37 der Statornuten 35 allgemein angrenzend und über die Öffnung 39 überspannen, um die an jedem Statorpol 28 angeordneten Wicklungen 45 innerhalb der Statornuten 35 zu halten. (Es sei darauf hingewiesen, dass die Haltestruktur 55 in 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist, sich jedoch zwischen den Statorpolen 28 und über jede Statornut35 erstrecken kann, wie in 6 dargestellt.)
Mit der offenbarten Struktur kann eine relativ dichte Wicklungskonfiguration (d. h eine reduzierte Luftmenge) geschaffen werden. Der erste Abschnitt 51 jeder Wicklung 45 kann im Allgemeinen eine Statornut 35 zwischen der Seitenfläche 32 eines Statorpols 28 und der Mittellinie 40 der Statornut 35 entlang eines ersten Pfades im Allgemeinen von der Außenfläche 36 der Statornut 35 zu der inneren Begrenzung 38 der Statornut füllen. In ähnlicher Weise kann der zweite Abschnitt 52 derselben Wicklung 45 die Statornut 35 auf der gegenüberliegenden Seite des Statorpols 28 zwischen der gegenüberliegenden Seite des Statorpols 28 und der Mittellinie 40 seiner Statornut 35 entlang eines zweiten Pfades im Allgemeinen von der Außenfläche 36 in Richtung der inneren Begrenzung 38 der Statornut 35 füllen. Nach dem Positionieren jeder Wicklung 45 um einen der entsprechenden Statorpole 28 kann in jeder Statornut 35 der erste Abschnitt 51 einer Wicklung 45 und der zweite Abschnitt 52 einer angrenzenden Wicklung 45 angeordnet sein, wie vorstehend erwähnt. Das nichtleitende Distanzstück 56 kann zwischen dem ersten Abschnitt 51 der einen Wicklung 45 und dem zweiten Abschnitt 52 einer zweiten, angrenzenden Wicklung angeordnet sein. Zusätzlich können der erste Abschnitt 51 und der zweite Abschnitt 52 innerhalb der Statornut 35 durch die Haltestruktur 55 gehalten werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Wie vorstehend erwähnt, bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf Elektromotoren, insbesondere auf verdrehte Wicklungsstrukturen für Elektromotoren, sowie auf Systeme, Komponenten, Anordnungen und Verfahren dafür.
Die gewerbliche Anwendbarkeit der hierin beschriebenen Elektrorotationsmaschine wird aus der vorhergehenden Beschreibung leicht verstanden. Die vorhergehende Beschreibung kann auf rotierende elektrische Maschinen 25 wie beispielsweise geschaltete Reluktanzmotoren angewendet werden, wobei es wünschenswert sein kann, den elektrischen Wirkungsgrad und die Leistung der rotierenden elektrischen Maschine 25 über einen Bereich von Betriebsbedingungen zu erhöhen.
Durch die offenbarte Konfiguration einer rotierenden elektrischen Maschine und das Verfahren zur Herstellung einer Statoranordnung kann eine verbesserte elektrische Leistung, ein verbesserter Wirkungsgrad und/oder eine Verringerung der Kupferverluste erreicht werden. Beispielsweise kann die rotierende elektrische Maschine 25 in Form eines geschalteten Reluktanzmotors, der die hierin dargestellte Wicklung 45 verwendet, die Kupferverluste in dem Motor reduzieren. Beispielsweise können die Verluste aufgrund von Hauteffekten der Leiter durch den relativ kleinen Durchmesser der elektrisch leitfähigen Drähte 46 im Vergleich zu der Betriebsfrequenz der rotierenden elektrischen Maschine 25 in Form des geschalteten Reluktanzmotors reduziert werden. Zusätzlich kann der relativ kleine Durchmesser der elektrisch leitfähigen Drähte 46 auch die Wirbelströme innerhalb der Leiter reduzieren. Des Weiteren kann die höhere Kupferdichte innerhalb der Statornut 35 (z. B. wie in 6 dargestellt) durch Reduzieren der Luftstrecken zwischen den einzelnen elektrisch leitfähigen Drähten 46 der Gruppe der elektrisch leitfähigen Drähte 46 auch die Wärmeleitfähigkeit verbessern.
Zudem können durch die offenbarte Struktur Verdrängungseffekte durch die relativ zufällige Positionierung der einzelnen elektrisch leitfähigen Drähte 46 innerhalb der Gruppe der verdrehten elektrisch leitfähigen Drähte 46 reduziert werden. Dies kann zum Teil auf die relativ lockeren Verdrehungen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 und die seitliche Bewegung der elektrisch leitfähigen Drähte 46 zurückzuführen sein, wenn sie innerhalb der Statornut 35 angeordnet sind. Zirkulationsströme zwischen den Strängen können durch die offenbarte Struktur aufgrund der relativ zufälligen Positionierung der einzelnen elektrisch leitfähigen Drähte 46 der Gruppe der verdrehten elektrisch leitfähigen Drähte 46 innerhalb der Statornut 35 reduziert werden. Beispielsweise können elektrisch leitfähige Drähte 46 der Wicklung 45, die sich näher an den Rotorpolen 29 befinden, im Vergleich zu elektrisch leitfähigen Drähten 46, die weiter von den Rotorpolen 29 entfernt sind, einen Unterschied in der induzierten Spannung erfahren. Durch Verdrehen der einzelnen elektrisch leitfähigen Drähte 46 bei dem Wickeln um die Mittelöffnung 47 können die Leiter innerhalb jeder Windung der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 ihre Position verändern, was zu einer allgemeinen Mittelung des Abstands der einzelnen elektrisch leitfähigen Drähte 46 der gewickelten Gruppe zu den Rotorpolen 29 führen kann. Dadurch kann die Spannung, die in jedem der elektrisch leitfähigen Drähte 46 durch die Rotorpole 29 induziert wird, im Allgemeinen gemittelt werden, was die Zirkulation zwischen den Strängen reduzieren kann, die dadurch entsteht, dass die einzelnen elektrisch leitfähigen Drähte 46 unterschiedlichen induzierten Spannungen ausgesetzt sind.
Das relativ lockere Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 innerhalb der Gruppe von Drähten kann zu einer effizienten Volumennutzung oder Packung der elektrisch leitfähigen Drähte 46 innerhalb der Statornuten 35 führen, wie in 6 dargestellt. Wenn die einzelnen elektrisch leitfähigen Drähte 46 der Gruppe eng verdreht sind, können die eng verdrehten Drähte eine relativ große, eher starre, allgemein kreisförmige Struktur bilden. In dieser Konfiguration können bei dem Aufschieben der Wicklung 45 auf ihre Statorpol 28 relativ große Luftspalte zwischen angrenzenden Windungen der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 vorhanden sein. Andererseits können sich die einzelnen elektrisch leitfähigen Drähte 46 durch relativ lockeres Verdrehen seitlich relativ zueinander bewegen, wenn die Wicklung 45 auf ihren jeweiligen Statorpol 28 geschoben wird, und somit können die einzelnen elektrisch leitfähigen Drähte 46 die Statornuten 35 effizienter füllen. Durch eine solche Struktur kann ein größeres Volumen des Leiters (z. B. Kupferdraht) innerhalb der Statornuten 35 angeordnet werden. Diese höhere Dichte des Leiters kann zu einem geringeren Widerstand durch die Wicklung 45 und bei einer gegebenen Spannung zu einer höheren Strombelastbarkeit und damit zu einem effizienteren Betrieb der rotierenden elektrischen Maschine 25 in Form des geschalteten Reluktanzmotors (und anderer rotierender Maschinen gemäß den Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands) führen.
Wie bereits erwähnt, kann das Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 gemäß einem vorgegebenen Muster erfolgen. Das Verdrehen der einzelnen Stränge der elektrisch leitfähigen Drähte 46 kann dazu dienen, die elektrisch leitfähigen Drähte 46 zu einer locker geformten Seilstruktur zu formen. Ein solches Verdrehen kann dazu dienen, eine Nettoverdrehung pro Längeneinheit zu erreichen. Dieses Verhältnis kann gesteuert werden, um eine Nettoverdrehung pro Windung auf der Wicklungsebene zu erreichen. Kürzere Wicklungen können eine höhere Verdrehung pro Längeneinheit erfordern als längere Wicklungen.
Gemäß den Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands kann das Verdrehen insbesondere in entgegengesetzte Richtungen (von einem gemeinsamen Bezugspunkt oder Bezugsrahmen aus) erfolgen. Gemäß den Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands können die gruppierten elektrisch leitfähigen Drähte 46 insbesondere in einer ersten Richtung für einen oder mehrere Abschnitte oder Segmente einer Windung (in diesem Zusammenhang eine einzelne Umdrehung) um die Wicklung 45 und in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung für einen oder mehrere Abschnitte oder Segmente der gleichen Windung um die Wicklung 45 verdreht werden. Solche ersten und zweiten Richtungen können hierin als Uhrzeigersinn und Gegenuhrzeigersinn oder umgekehrt bezeichnet werden.
In einigen Ausführungsformen können die gruppierten elektrisch leitfähigen Drähte 46 entweder für einen oder mehrere Abschnitte oder Segmente der Windung um die Wicklung 45 nicht verdreht sein (dies kann als neutrale oder unverdrehte Positionierung bezeichnet werden) oder sie können um einen Betrag verdreht sein, der geringer ist als (d. h zwischen) die Verdrehungsbeträgen für die erste und zweite Richtung für die sogenannten verdrehten Abschnitte oder Segmente um die Wicklung 45. Ein Verdrehen im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn kann beispielsweise durch eine Verdrehung von +/-360 Grad oder mehr (z. B. +/- 720 Grad oder +/- 900 Grad) von einer neutralen oder Nullposition aus gekennzeichnet sein, d. h, eine Verdrehungsumdrehung, zwei Verdrehungsumdrehungen oder 2,5 Verdrehungsumdrehungen. Daher kann unverdreht als in der neutralen oder Null-Grad-Position für die elektrisch leitfähigen Drähte 46 der Gruppe oder sogar zwischen positiven dreihundertsechzig Grad und negativen dreihundertsechzig Grad, wie beispielsweise positiven fünf Grad, charakterisiert werden. Da die elektrisch leitfähigen Drähte 46 der Gruppe zumindest um eine volle Umdrehung miteinander verdreht sein können, d. h, um dreihundertsechzig Grad oder mehr (z. B. 360 Grad bis 900 Grad), kann jeder elektrisch leitfähige Draht 46 zumindest einen Abschnitt oder ein Segment entlang der Windung aufweisen, der bzw. das näher an der Mittelöffnung 47 (und dem Mittelhohlraum) liegt als entsprechende Abschnitte oder Segmente der anderen elektrisch leitfähigen Drähte 46 der Gruppe und zumindest einen Abschnitt oder ein Segment entlang der Windung, der bzw. das weiter von der Mittelöffnung 47 (und dem Mittelhohlraum) entfernt ist als entsprechende Abschnitte oder Segmente der anderen elektrisch leitfähigen Drähte 46 der verdrehten Gruppe.
Wie vorstehend erwähnt, kann das Verdrehen in einem oder mehreren Abschnitten oder Segmenten der Windungen erfolgen. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Segment der elektrisch leitfähigen Drähte 46 beispielsweise an einer der langen Seiten 48, die beispielsweise mit dem ersten Abschnitt 51 der Wicklung 45 verbunden ist, elektrisch leitfähige Drähte 46 der Gruppe aufweisen, die im Uhrzeigersinn miteinander verdreht sind, während das Segment der elektrisch leitfähigen Drähte 46 an der anderen langen Seite 48, die beispielsweise mit dem zweiten Abschnitt 52 der Wicklung 45 verbunden ist, elektrisch leitfähige Drähte 46 der Gruppe aufweisen kann, die in Gegenuhrzeigersinn miteinander verdreht sind. Die Segmente an den kurzen Seiten 49 können entweder unverdreht oder in der gleichen Verdrehrichtung wie eine unmittelbar vorangehende lange Seite 48 miteinander verdreht sein. In diesem Beispiel kann das miteinander Verdrehen der Längsseiten 48 über die gesamte Länge oder die Gesamtheit der langen Seiten 48 erfolgen. Somit kann das miteinander Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 der Gruppe entlang jeder der langen Seiten 48 als ein kontinuierliches Verdrehen ohne einen oder mehrere unverdrillte Abschnitte entlang der gesamten langen Seite 48 betrachtet oder charakterisiert werden. Die Anzahl der Verdrehungen der langen Seiten 48 kann gemäß den Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands gleich sein. Optional kann das miteinander Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 an den kurzen Seiten 49 geringer sein als das miteinander Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 an den langen Seiten 48. Das heißt, das miteinander Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 an den kurzen Seiten 49 kann weniger fest sein als das miteinander Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 für die langen Seiten 48.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verdrehen der elektrisch leitfähigen Drähte 46 miteinander pro Abschnitt oder Segment in einer Dickenrichtung oder auf einer gleichen Höhe der Wicklung 45 für die verschiedenen Windungen der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 im Allgemeinen auf der gleichen Höhe gleich oder im Wesentlichen gleich sein (z. B. gleicher Betrag der Verdrehung) (d. h, in Seitenrichtung in 4; in horizontaler Richtung in 7, wobei die erste Windung 63 und die zweite Windung 62 der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 als auf gleicher Höhe des Aufbaus der Wicklung 45 liegend betrachtet werden können). Die Verdrehung (oder Nicht-Verdrehung) der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 miteinander kann sich jedoch in einer Höhenrichtung der Wicklung 45 ändern (d. h in horizontaler Richtung in 4; in vertikaler Richtung in 7, wobei die dritte Windung 60 als auf einer Höhe oder einem Niveau über der zweiten Windung 62 der Gruppe elektrisch leitfähiger Drähte 46 im Aufbau der Wicklung 45 liegend angesehen werden kann). Zum Beispiel kann der Betrag des Verdrehens der elektrisch leitfähigen Drähte 46 miteinander zunehmen, wenn die Windungen zunehmen und der Aufbau der Wicklung 45 ansteigt. Das heißt, in größeren Höhen oder Ebenen können die elektrisch leitfähigen Drähte 46 stärker miteinander verdreht sein als die Windungen der elektrisch leitfähigen Drähte 46, die näher an der Mittelöffnung 47 liegen. Optional kann bei Windungen an der Schnittstelle mit der Mittelöffnung 47 keine Verdrehung auftreten. Die Höhenrichtung oder die Niveaus der Wicklung 45 kann hierin als eine Richtung weg von der Mittelöffnung (und dem Mittelhohlraum) bezeichnet werden.
Die elektrisch leitfähigen Drähte 46 können für einen Teil der Windung, d. h, eine einzige Umdrehung des Drehmechanismus 70, in einer ersten Richtung miteinander verdreht sein und für einen Teil derselben Windung in einer zweiten Richtung miteinander verdreht sein.
Beispielsweise können die elektrisch leitfähigen Drähte 46 für zumindest eine lange Seite 48 der Wicklung 45 in einer Verdrehrichtung im Gegenuhrzeigersinn und für eine andere lange Seite 48 der Wicklung 45 in einer Verdrehrichtung im Uhrzeigersinn miteinander verdreht sein.
Sobald die elektrisch leitfähigen Drähte 46 eine gewünschte Anzahl von Windungen oder Wicklungen um die Vorrichtung aufweisen, können die elektrisch leitfähigen Drähte 46 der Wicklung 45 miteinander verbunden werden, wie beispielsweise durch Klebeband 57, und die Wicklung 45 kann aus der Vorrichtung entfernt werden. Wicklungen 45 dieser Art werden manchmal auch als konzentrierte Wicklungen bezeichnet, da die Wicklungen eine Spule mit mehreren Windungen bilden, die dieselbe magnetische Achse aufweisen und um einen einzigen Statorpol 28 befestigt sind.
Der Stator 26 kann durch das Stapeln einer Vielzahl von einteiligen kontinuierlichen ringförmigen Eisenelementen (nicht dargestellt) gebildet werden. Eine Schicht aus isolierendem Material (nicht dargestellt) kann zwischen jedem Eisenelement vorgesehen werden. Die Wicklungen 45 können auf dem Stator 26 durch Bewegen der Wicklungen relativ zu dem Stator, um einen Statorpol 28 durch die Mittelöffnung 47 von jeder Wicklung 45 zu schieben, angebracht werden. Bei dem Aufschieben der Wicklungen 45 auf jeden Statorpol 28 kann sich zumindest ein Teil der elektrisch leitfähigen Drähte 46 jeder Wicklung seitlich relativ zu anderen elektrisch leitfähigen Drähten 46 derselben Wicklung bewegen. In einer Ausführungsform sind die Abschnitte der seitlich bewegten elektrisch leitfähigen Drähte 46 entlang der Hauptseiten 48 der Wicklung 45 angeordnet. Diese Konfiguration kann im Allgemeinen Zwischenräume oder gleichmäßige Hohlräume zwischen angrenzenden Windungen der Gruppe von Drähten entlang eines Querschnitts jeder Wicklung 45 über jede Statornut 35 minimieren oder eliminieren. Es sei darauf hingewiesen, dass die Wicklungen 45 anfänglich mit einem allgemein symmetrischen Querschnitt ausgebildet sein können und die seitliche Bewegung zumindest einiger der elektrisch leitfähigen Drähte 46 jeder Windung während der Montage der Wicklungen 45 auf den Statorpolen 28 die Form der Wicklung so verändern kann, dass ein allgemein asymmetrischer Querschnitt über einen Teil davon entsteht. Der asymmetrische Querschnitt kann sich über einen Teil eines Paares von angrenzenden Statornuten 35 erstrecken, die durch einen Statorpol 28 getrennt sind.
Die Wicklungen 45 können innerhalb der Statornuten 35 befestigt werden, wie beispielsweise durch Einsetzen einer Haltestruktur 55, die die gegenüberliegenden Seitenkanten 37 der Statornuten im Allgemeinen angrenzend und über die Öffnung 39 überspannen kann. Die an den gegenüberliegenden Statorpolen 28 montierten Wicklungen 45 können elektrisch verbunden werden, um gegenüberliegende Wicklungspaare zu bilden. Die Wicklungen solcher gegenüberliegender Wicklungspaare können als Teil einer elektrischen Schaltung nach Bedarf parallel oder in Reihe geschaltet werden.
Während Aspekte der vorliegenden Offenbarung insbesondere unter Bezugnahme auf die vorstehenden Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, ist es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, dass durch die Modifikation der offenbarten Maschinen, Anordnungen, Systeme und Verfahren verschiedene zusätzliche Ausführungsformen erwogen werden können, ohne vom Sinn und Umfang des Offenbarten abzuweichen. Diese Ausführungsformen sollen als in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallend verstanden werden, wie sie basierend auf den Ansprüchen und jeglichen Entsprechungen davon bestimmt wird.
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 10128706 [0004]

Claims

Geschalteter Reluktanzmotor (25), umfassend: einen Stator (26), der eine Vielzahl von Statorpolen (28) und eine Vielzahl von Statornuten (35) beinhaltet, wobei jede Statornut (35) zwischen einem Paar der Vielzahl von Statorpolen (28) angeordnet ist; einen innerhalb des Stators (26) angeordneten Rotor (27); und eine Vielzahl von Wicklungen (45), wobei jede dieser Wicklungen (45) um einen entsprechenden der Statorpole (28) angeordnet ist, wobei jede dieser Wicklungen (45) eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Drähte (46) umfasst und einen länglichen Ring mit einem Paar gegenüberliegender langer Seiten (48) und gegenüberliegender kurzer Seiten (49), die die langen Seiten (48) verbinden, bildet, wobei für jede Wicklung (45) die elektrisch leitfähigen Drähte (46) in einer Vielzahl von Gruppen (60, 61, 62, 63) angeordnet sind, wobei für jede der Gruppen (60, 61, 62, 63) die elektrisch leitfähigen Drähte (46) auf einer ersten langen Seite (48) des Paars gegenüberliegender langer Seiten (48) in einer Verdrehrichtung im Uhrzeigersinn, von einer der kurzen Seiten (49) aus gesehen, kontinuierlich entlang einer gesamten Länge der ersten langen Seite (48) miteinander verdreht sind, und wobei für jede der Gruppen (60, 61, 62, 63) die elektrisch leitfähigen Drähte (46) auf einer zweiten langen Seite (48) des Paars gegenüberliegender langer Seiten (48) in einer Verdrehrichtung im Gegenuhrzeigersinn, von der einen der kurzen Seiten (49) aus gesehen, kontinuierlich entlang einer gesamten Länge der zweiten langen Seite (48) miteinander verdreht sind.
Geschalteter Reluktanzmotor nach Anspruch 1, wobei für jede der ersten langen Seite (48) und der zweiten langen Seite (48) jede der Gruppen (60, 61, 62, 63) elektrisch leitfähiger Drähte (46) so verdreht ist, dass jeder elektrisch leitfähige Draht (46) eine Vielzahl von Abschnitten aufweist, die einem Mittelhohlraum (47) der Wicklung (45) am nächsten sind, und eine Vielzahl von Abschnitten, die am weitesten von dem Mittelhohlraum (47) entfernt sind.
Geschalteter Reluktanzmotor nach Anspruch 1, wobei für jede Wicklung (45) für jede Gruppe (60, 61, 62, 63) elektrisch leitfähiger Drähte (46) die elektrisch leitfähigen Drähte (46) an den kurzen Seiten (49) unverdreht sind.
Geschalteter Reluktanzmotor nach Anspruch 1, wobei jede der Wicklungen (45) mit Bindemittelharz ausgehärtet ist.
Geschalteter Reluktanzmotor nach Anspruch 1, wobei eine Anzahl der elektrisch leitfähigen Drähte (46) für jede der Gruppen (60, 61, 62, 63) eine gleiche Anzahl in einem Bereich von 2 bis einschließlich 30 ist, und/oder wobei eine Gesamtzahl von Windungen für jede der Wicklungen (45) in einem Bereich von 10 bis einschließlich 100 Windungen liegt.
Geschalteter Reluktanzmotor nach Anspruch 1, wobei die Gruppen (60, 61, 62, 63) der elektrisch leitfähigen Drähte (46) gemäß einer größeren Anzahl von Windungen verdreht sind, wenn die Anzahl der Windungen der Wicklung (45) zunimmt.
Elektromotor (25), umfassend: einen Stator (26); einen relativ zu dem Stator (26) angeordneten Rotor (27); und eine Vielzahl von Wicklungen (45), die jeweils um die Statorpole (28) des Stators (26) angeordnet sind, wobei jede Wicklung (45) eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Drähte (46) umfasst, die kontinuierlich gewickelt sind, um eine vorbestimmte geometrische Form zu bilden, und wobei für zumindest eine der Wicklungen (45): Windungen der elektrisch leitfähigen Drähte (46) auf einer ersten Seite (48) der vorbestimmten geometrischen Form in einer ersten Richtung miteinander verdreht sind, und Windungen der elektrisch leitfähigen Drähte (46) auf einer zweiten Seite (48) der vorbestimmten geometrischen Form gegenüber der ersten Seite (48) in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung miteinander verdreht sind.
Elektromotor nach Anspruch 7, wobei die Windungen der elektrisch leitfähigen Drähte (46) kontinuierlich entlang einer gesamten Länge der ersten Seite (48) und der zweiten Seite (48) verdreht sind, sodass die Verdrehung zumindest 360 Grad entlang der gesamten Länge der ersten Seite (48) und der zweiten Seite (48) beträgt.
Elektromotor nach Anspruch 7, wobei die Windungen der elektrisch leitfähigen Drähte (46) für die zumindest eine Wicklung (45) so verdreht sind, dass jeder elektrisch leitfähige Draht (46) zumindest einen Abschnitt aufweist, der einem Mittelhohlraum (47) der Wicklung (45) am nächsten liegt, und zumindest einen Abschnitt, der am weitesten von dem Mittelhohlraum (47) entfernt ist.
Elektromotor nach Anspruch 10, wobei eine Anzahl der elektrisch leitfähigen Drähte (46) pro Windung um die erste Seite (48) und die zweite Seite (48) eine gleiche Anzahl in einem Bereich von 2 bis einschließlich 30 ist, und wobei eine Gesamtzahl der Windungen für jede der Wicklungen (45) in einem Bereich von 10 bis einschließlich 100 Windungen liegt.