DE4234175C2 - Mehrphasige elektrische Maschine mit schleifenlos montierten Leitersträngen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrphasige elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.

Bei der Verminderung des Gewichts hocheffizienter elektrischer Maschinen spielt die Bauform und Anordnung der Leiter eine entscheidende Rolle. Bei mehrphasigen Maschinen muß der Leiterverlauf unterschiedlicher Phasen außerhalb des weichmagnetischen Körpers so gewählt werden, daß sich die Leiterstränge in den Überschneidungszonen räumlich ausweichen. Hierdurch vergrößert sich die Leiterlänge in den Verbindungsköpfen, die zwar den ohmschen Widerstand und damit die Verlustleistung erhöht, jedoch nicht zur Drehmomentbildung bzw. zur Nutzleistung beiträgt.

Drähte mit rundem Leiterquerschnitt können die Querschnittsfläche der Nut nur unzureichend ausnutzen. Besonders bei einer geringen Drahtzahl pro Nut, bzw. wenn der Leiterquerschnitt im Verhältnis zum Nutquerschnitt relativ groß ist, verringert sich der Füllfaktor.

Formspulen nutzen den Nutraum zwar gut aus, ihre Verlegung ist jedoch arbeitsaufwendig und schwer automatisierbar, weshalb sie nur in großen Maschinen eingesetzt werden.

Bei Verwendung von Drähten oder Formspulen müssen beim Einlegen und Verformen Biegeradien eingehalten werden. Mit abnehmenden Biegeradien wächst die Gefahr, daß die bereits vor der Verformung aufgebrachte, dünne Isolierschicht beschädigt wird. Durch große Biegeradien wird der Raum in den Verbindungsköpfen schlecht ausgenutzt und mit der Leiterlänge steigen Gewicht und ohmsche Verluste an.

Im 3. Band "Die Wicklungen elektrischer Maschinen" von H. Sequenz (Wien 1954) werden Kunststäbe beschrieben, die in den Nuten in verdrillte Teilleiter aufgeteilt und auf beiden Seiten außerhalb des weichmagnetischen Körpers kurzgeschlossen sind. Zur Verbindung der Kunststäbe werden die Enden tangential verbogen bzw. abgekröpft. Da aufgrund der großen Querschnitte nur große Biegeradien realisierbar sind, entstehen ausladende Verbindungsköpfe. Insbesondere die großen radialen Abmessungen der Kunststäbe erschweren in mehrphasigen Vollpolmaschinen das Ausweichen der Leiterstränge in den Verbindungsköpfen und erfordern zusätzliche Maßnahmen zur Vergrößerung der Kontaktflächen an den Verbindungsstellen.

Aus der US-PS 41 15 915 ist eine elektrische Maschine und ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, in dem ein vielfach geschleifter Leiteraufbau aus einzelnen Leiterabschnitten hergestellt wird, wobei auf Isolationsscheiben aufgebrachte Leiterbahnen Nutstäbe unterschiedlicher Polteilungen miteinander verbinden. Durch die große Anzahl der Verbindungsleiterbauformen und der zu realisierenden Verbindungsstellen ergibt sich mit diesem Verfahren jedoch ein hoher Fertigungsaufwand. Eine Bündelung von unterschiedlich langen Leiterstäben erschwert die Herstellung der Verbindungsstellen zusätzlich. Die große Anzahl und die Bauform der Verbindungsstellen lassen eine erhöhte Störanfälligkeit erwarten, wobei eine Reparaturmöglichkeit nur eingeschränkt besteht, da alle Verbindungsstellen - außer den äußersten - nachträglich nicht mehr zugänglich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Maschine derart weiterzubilden, daß eine kostengünstige und einfache Herstellung mit guten Kontroll- und Nachbesserungsmöglichkeiten sowie ein hoher Wirkungsgrad und ein geringes Maschinengewicht ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 oder 13 gelöst.

Durch den erfindungsgemäßen Leiteraufbau aus Kunststäben, die durch U-förmige oder O- förmige Verbindungsleiter verbunden werden, entfällt bei der Konzeption der Verbindungsköpfe die Einschränkung durch zu berücksichtigende Biegeradien. Große, rechteckförmige Verbindungsquerschnitte und das flächige Aneinanderfügen von Leitersträngen im Verbindungskopf ermöglichen einen stabilen und kompakten Aufbau des gesamten Leiteraufbaus. Aufgrund der hohen Raumausnutzung in den Verbindungsköpfen und der kurzen Verbindungslängen ergeben sich hohe Leistungsdichten bzw. geringe ohmsche Verluste, wodurch bei vorgegebener Leistung die Maschine kleiner und leichter und/oder mit höherem Wirkungsgrad ausgelegt werden kann.

Durch die Verwendung von Kunststäben wird der Herstellungsaufwand reduziert, da weniger Verbindungsleiter und Verbindungsleiterbauformen hergestellt, eingesetzt und kontaktiert werden müssen. Zusätzlich wird eine kostengünstige Herstellung erreicht, indem die Anzahl der unterschiedlichen Verbindungsleiterbauformen durch die Ausnutzung von Symmetrien weiter vermindert wird. Das Aufteilen des Stromes vor jeder Nut und das Zusammenführen der parallelgeschalteten Teilströme nach jeder Nut verkleinert die Anzahl der zu realisierenden Verbindungsstellen, wodurch sich die Herstellung vereinfacht, ohne daß die einseitige Stromverdrängung eine Widerstandserhöhung verursacht. Außerdem wird der Anteil des Leitervolumens in den Verbindungsköpfen durch den Verzicht auf unnötig viele Isolierschichten vergrößert und damit der Leiterwiderstand und der thermische Widerstand weiter vermindert. Damit verbessert sich auch die Ableitung der Verlustwärme aus den Verbindungsköpfen über den weichmagnetischen Körper oder direkt zu einem anliegenden Kühlkörper.

Vorteilhafte Ausführungsformen weisen schleifenlose Leiterstränge auf und alle Kunststäbe einer Phase sind in Reihe geschaltet. Die Stege von Leitersträngen unterschiedlicher Phasen liegen innerhalb einer Polteilung in Stegschichten mit unterschiedlichem Abstand zu einer der beiden Stirnflächen des weichmagnetischen Körpers axial hintereinander.

Wenn jeder zweite Verbindungsleiter mit den beiden Kunststäben, mit denen er einen elektrisch leitfähigen Kontakt aufweist, schon vor dem Einsetzen in den weichmagnetischen Körper zu einer Einheit verbunden wird, halbiert sich die Anzahl der beim eigentlichen Montageprozeß am weichmagnetischen Körper zu realisierenden Verbindungsstellen.

Die u-förmigen bzw. o-förmigen Verbindungsleiter umschließen die von ihnen kontaktierten Kunststabenden von drei bzw. vier Seiten, wobei sie in den Verbindungsköpfen den Raum ausnutzen, der im weichmagnetischen Körper von den Zähnen eingenommen wird. Damit ein Verbindungsleiter jeweils links und rechts des Kunststabendes die volle Zahnbreite einnehmen kann, sind die Leiterquerschnittsvergrößerungen benachbarter Nuten in verschiedenen Ab­ ständen zur Stirnseite des weichmagnetischen Körpers angeordnet. Zusätzlich wird die Kontakt­ fläche zwischen Verbindungsleitern und Kunststäben durch eine axiale Vergrößerung des Leiterquerschnitts der auf Nuthöhe liegenden Enden der Verbindungsleiter erhöht und damit eine Verringerung des Übergangswiderstands zwischen den beiden Leiterelementen erreicht. Die Leiterquerschnittsvergrößerung verbessert die Raumausnutzung, trägt zur Eigenstabilität des Leiteraufbaus bei und erleichtert den Montageprozeß, indem Stegschichten als ringförmige Pakete vorgefertigt werden können. Hierbei füllen die Leiterstränge zweier benachbarter Nuten einen zwei Nutteilungen entsprechenden Raum in Nuthöhe vollständig aus.

Wenn die Leiterquerschnittsvergrößerungen von Leitersträngen benachbarter Nuten axial teilweise flächig aneinanderliegen, und ihre axiale Länge zusammen gerade die gesamte Breite eines Verbindungskopfes ergibt, entstehen halbierte Verbindungsköpfe. Die beiden näher an den Stirnseiten des weichmagnetischen Körpers liegenden Hälften werden im folgenden als innere Verbindungskopfhälften und die beiden Anderen als äußere Verbindungskopfhälften be­ zeichnet. Bestehen die inneren Hälften aus Einheiten so liegen alle bei der Montage zu reali­ sierenden Verbindungsstellen nun in den äußeren Verbindungskopfhälfte und sind somit für Messungen und Nachbesserungen zugänglich. Die Verbindungskopfhälften können vor der eigentlichen Montage am weichmagnetischen Körper zu ringförmigen Paketen zusammengefügt werden, wodurch sich die Automatisierbarkeit aller Arbeitsschritte vereinfacht und die Mög­ lichkeit besteht zwischendurch und am Ende Qualitätskontrollen vorzunehmen.

In vorteilhaften Ausführungsformen weisen die Kunststab- bzw. Einheitenenden einen sich zum Ende hin konisch verjüngenden Querschnitt auf. Ergänzend oder alternativ können auch die Aussparungen der Verbindungsleiter entsprechend konisch ausgestaltet sein. Beim Aufpressen der äußeren Verbindungsleiter erfolgt nun eine geringfügige Verformung der isolierschicht­ freien Enden, woraus ein paßgenaues Anliegen der Kontaktflächen trotz unvermeidlicher Fertigungstoleranzen resultiert.

Die Einteilung der Ausführungsformen erfolgt im wesentlichen nach zwei Kriterien. Erstens werden Ausführungsformen mit einem Kunststab pro Nut (einlagig) und mit zwei Kunststäben pro Nut (zweilagig) unterschieden und zweitens die Verbindungsleiter in U-förmige und O- förmige Bauformen eingeteilt. In der einfachsten Bauform der Erfindung, mit nur einem Kunst­ stab pro Nut ergibt sich ein Leiteraufbau mit einer sehr geringen Anzahl von Leiterelementen und Leiterelementbauformen. Die Anzahl der unterschiedlichen Leiterelementtypen ist von der Anzahl der Nuten pro Polteilung abhängig.

Mit zwei Kunststäben pro Nut kann in den Verbindungsköpfen der Raum auf Höhe der Stege über den gesamten Umfang vollständig und gleichmäßig zur Stromleitung genutzt werden. Bei nur einem Stromkreis pro Phase durchfließt der Strom, alternierend zwischen den beiden Ver­ bindungsköpfen, den ganzen Umfang der Maschine, ändert nun seinen Umlaufsinn und durchströmt alle bereits zuvor von ihm benutzen Nuten ein zweites Mal. Zu- und Ableitung erfolgen in etwa nebeneinander. Anstatt seine Flußrichtung zu ändern kann der Strom die Maschine auch bereits nach dem ersten Umlauf verlassen. Damit besteht die Möglichkeit durch ein Umschalten zwischen Reihen- und Parallelschaltung entweder die Anzahl der Motorstrom­ kreise bzw. das Moment oder die Anzahl der in Reihe geschalteten Nutstäbe bzw. die indu­ zierte Spannung zu verdoppeln.

Bei einer weiteren, auf geringe Herstellungskosten ausgelegten speziellen Ausführungsform für hohe Drehzahlen entspricht die Anzahl der Nuten pro Polteilung einem Vielfachen der Phasen­ anzahl. Benachbarte Nuten gehören dabei zur gleichen Phase, indem die Ableitung eines Leiterstranges direkt mit der Zuleitung eines benachbarten Leiterstranges verbunden wird. Für die gewünschten hohen Ansteuerspannungen wird die Anzahl der in reihegeschalteten Nutstäbe erhöht, ohne daß sich die Anzahl der Polteilungen und damit die mit der Kommutierungs­ frequenz ansteigenden Ummagnetisierungs- und Schaltverlusten erhöhen. Weiterhin besteht auch hier die Möglichkeit durch Umschalten der beiden Verbindungen von seriellen in par­ allelen Betrieb die Spannung zu halbieren und dafür den Strom zu verdoppeln.

Anwendungsgebiete für erfindungsgemäße Maschinen ergeben sich in allen Bereichen in denen entweder hohe Drehzahlen von kleinen Maschinen oder hohe Drehmomente von ringförmigen Maschinen gewünscht werden. Der hierbei charakteristische Leiteraufbau ist - unabhängig von der Art der Erregung - in Gleichstrom-, Synchron-, Induktions- oder Reluktanzmaschinen einsetzbar. Besonders vorteilhaft ist jedoch der Einsatz von leistungsstarken Dauermagneten, da sich durch ein starkes Erregerfeld auch bei niedrigen Drehzahlen hohe Induktions­ spannungen ergeben.

Zur Herstellung der Verbindungsleiter, Kunststäbe bzw. Einheiten sind zahlreiche präzise Bearbeitungsvarianten denkbar, die alle vollautomatisierbar sind und damit eine kostengünstige Massenfertigung der wenigen Leiterelementbauformen ermöglichen, wobei eine hohe Material­ ausnutzung angestrebt wird.

Neben dem Herausschneiden aus Leiterblechen können Verbindungsleiter auch als Profil stranggepreßt und in Teile, deren Länge etwa der Breite der entsprechenden Verbindungskopf­ hälfte entspricht, gescheibt werden. Anschließend in eine kreisförmige Vorrichtung gelegt werden auf einer Drehmaschine, bei U-förmigen Verbindungsleitern jeweils ein Steg und bei O-förmigen Verbindungsleitern zwei Stege, aller in der Vorrichtung fixierten Leiterelemente auf die gewünschte Stegbreite abgespant. Alle Verbindungsleiter haben nun - bis auf die Aus­ sparungen - ihre endgültigen Außenabmessungen und werden abschließend mit einer tempera­ turstabilen und mechanisch belastbaren Isolationsschicht überzogen.

Bei Maschinen mit ungerader Phasenanzahl bzw. ohne halbierte Verbindungsköpfe bzw. in Ausführungsformen ohne vollständige Raumausnutzung entfällt das Abspanen der Stege.

Kunststäbe können einstückig - z. B. aus Blech gestanzt und verformt - hergestellt oder aus mehreren Stromleitern zusammengefügt und an den isolierschichtfreien Enden zusammen­ gepreßt bzw. verschmolzen werden. Für gewichtsoptimierte Ausführungsformen wird an die Enden der vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Kunststäbe auf einer Länge, die der halben Verbindungskopfbreite entspricht, Aluminium - z. B. durch Reibschweißen oder durch Kristalli­ sation direkt aus der Schmelze - angefügt.

Einheiten sind sowohl in einem separaten Arbeitsschritt durch Verschweißen von Kunststäben und Verbindungsleitern als auch durch Stanzen, Biegen, Kalt- oder Warmverformen und ggf. Nachbearbeiten einstückig herstellbar. In einem besonders materialsparenden Verfahren werden die Verbindungsleiter an die Kunststabenden angegossen.

Bei der Montage am weichmagnetischen Körper werden die Einheiten der beiden inneren Verbindungskopfhälften zuerst nur so weit in die Nuten eingeschoben, daß Einheitstegschichten kompakte, scheibenförmige Pakete mit einem der Verbindungskopfbreite entsprechenden Abstand vor der jeweiligen Stirnfläche des weichmagnetischen Körpers bilden. Anschließend werden die beiden inneren Verbindungskopfhälften gleichzeitig in den weichmagnetischen Körper eingeschoben, wodurch die Nutstabenden in einem der halben Verbindungskopfbreite entsprechenden Abstand vor den Stirnseiten des weichmagnetischen Körper auf die für sie vorgesehenen Aussparungen in der gegenüberliegenden inneren Verbindungskopfhälfte treffen. Durch diesen Abstand können kleine Versetzungen zwischen den Nutstäben und Aussparungen aufgrund der Fertigungstoleranzen leichter ausgeglichen werden. Um Verkantungen zu ver­ meiden weisen die Enden der Nutstäbe eine sich konisch verjüngende Form auf.

Die Kunststabenden bekommen vor dem Zusammenfügen mit den Verbindungsleitern eine leicht konische Form. In einem parallel hierzu verlaufenden Bearbeitungsprozeß, werden in die Verbindungsleiter ebenfalls entsprechend konisch gestaltete Aussparungen eingearbeitet. Beim Zusammenpressen von Kunststäben und Verbindungsleitern wird so eine hohe Paßgenauigkeit erzielt. Erfolgt das Aufpressen unter erhöhten Temperaturen wird durch diese Ausgestaltung ein Diffusionsschweißprozeß ermöglicht. Zusätzlich werden die Kontaktstellen mit einem Laser noch lokal so stark erwärmt, daß die beiden Leiterelemente an den Verbindungsstellen inein­ ander verschmelzen, wodurch der Übergangswiderstand sehr niederohmig wird.

Damit störende Oxidschichten die Leitfähigkeit an den Materialübergängen nicht stört, sollten die Bearbeitungsschritte vollautomatisch unter Schutzgasbedingungen stattfinden. Alternativ oder ergänzend können die Kontaktflächen auch direkt nach der Bearbeitung der Oberflächen mit einer dünnen Kontaktschicht z. B. aus Silber überzogen werden. Bei zu hohen Widerstands­ werten ist ein Nachbessern durch wiederholtes, gezieltes Aufschmelzen und/oder zusätzliches lokales Aufbringen von Leitermaterial möglich.

Die Zeichnungen stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.

Fig. 1A drei Stromleiter beim Zusammensetzen zu einem Kunststab;

Fig. 1b einstückiger Kunststab mit Isolierschicht;

Fig. 2 perspektivische Ansicht von sechs Verbindungsleiterbauformen;

Fig. 3a, 3b perspektivische Ansicht von zwei Einheiten;

Fig. 4 einlagiger Leiterverlauf und Motorquerschnitte einer Asynchronmaschine und einer permanenterregten Maschine;

Fig. 5 zweilagiger Leiterverlauf und Motorquerschnitte einer Asynchronmaschine und einer permanenterregten Maschine;

Fig. 6 Seitenansichten aller acht Stegschichten aus einer vierphasigen, einlagigen Maschine mit U-förmigen Verbindungsleitern;

Fig. 7 Seitenansichten aller acht Stegschichten aus einer vierphasigen, zweilagigen Maschine mit O-förmigen Verbindungsleitern;

Fig. 8 perspektivischer Ausschnitt aus einem Verbindungskopf einer vierphasigen, einlagigen Maschine mit U-förmigen Verbindungsleitern;

Fig. 9 perspektivischer Ausschnitt aus einem Verbindungskopf einer vierphasigen, zweilagigen Maschine mit O-förmigen Verbindungsleitern;

Fig. 10 perspektivischer Ausschnitt aus einem Verbindungskopf einer dreiphasigen, einlagigen Maschine mit U-förmigen Verbindungsleitern;

Fig. 11 perspektivischer Ausschnitt aus einem Verbindungskopf einer dreiphasigen zweilagigen Maschine mit O-förmigen Verbindungsleitern.

Fig. 1a zeigt das Zusammensetzen eines Kunststabes aus drei plattenförmigen Stromleitern 1, die durch zwei Isolierschichten 2 im mittleren Bereich parallelgeschaltet sind. In den beiden Enden liegen die Stromleiter nach dem flächigen Aufeinandergefügen unisoliert aufeinander. Die Verschmelzung der Kunststabenden erfolgt spätestens beim Realisieren der Verbindung mit einem gemeinsamen Verbindungsleiter. Mit Kunststäben wird das Prinzip realisiert, den Leiterstrang vor dem Eintreten in eine Nut in mehrere parallelgeschaltete Stromleiter aufzuteilen und ihn beim Nutaustritt jeweils wider zu einem Verbindungsleiter zusammenzufassen.

Fig. 1b zeigt den prinzipiellen Aufbau eines einstückigen Kunststabes 3 mit integrierten Isolierschichten 2, wobei eine Ausführungsform mit einfach herstellbaren rechteckförmigem Querschnitt gewählt wurde. Es ist nicht ersichtlich ob die Isolierschicht nachträglich in einen stranggepreßten Nutstab eingearbeitet, das Leitermaterial aus der Schmelze um die temperaturstabileren Isolierschichten herumgegossen oder ein Stromleiterpaket verschmolzen wurde. Ein Kunststab wird nur von einem Strom durchflossen und kann beliebige Querschnitte aufweisen.

In Fig. 2 sind typische Verbindungsleiterbauformen dargestellt.

Fig. 2a zeigt einen U-förmiger Verbindungsleiter aus einer äußersten Stegschicht einer vier­ phasigen Maschine mit einlagigem Leiteraufbau und halbierten Verbindungsköpfen. Durch seine symmetrischen Enden 4 ist der Verbindundungsleiter baugleich mit den Verbindungsleiter der inneren Stegschicht der gleichen Verbindungskopfhälfte. Die axiale Breite des Verbin­ dungsleiters weist in Nuthöhe die doppelte Stegbreite auf. Mit seinen verbreiterten Enden 4 nutzt der Verbindungsleiter in den Verbindungsköpfen auch den Raum aus, der im weich­ magnetische Körper von den Zähnen eingenommen wird. Durch die Verbindung mit einem Kunststabende vergrößert sich die tangentiale Ausdehnung des Leiterquerschnitts in Nuthöhe auf die Breite zweier Nutteilungen. Insgesamt beträgt die tangentiale Verbindungsleiterlänge sechs Nutteilungen. Der Steg 5 des Verbindungsleiters verläuft unterhalb der Kunststabenden. Daraus ist zu erkennen, daß der dargestellt U-förmige Verbindungsleiter zu einem Leiteraufbau gehört, der radial innerhalb des Luftspaltes liegt.

Fig. 2b zeigt einen O-förmigen Verbindungsleiter, der zur innersten Stegschicht einer inneren Verbindungskopfhälfte aus einem vierphasigen Leiteraufbau gehört, weshalb die Verbreiterung 6 auf die doppelte Stegbreite nur auf eine Seite erfolgt. Die Verbreiterungen an den Seiten der Aussparungen 7 erhöhen die Kontaktfläche und nutzen die volle Zahnbreite aus. Aus der Form eines O-förmigen Verbindungsleiters ist dagegen nicht ersichtlich ob der Leiteraufbau innerhalb oder außerhalb des Luftspaltes liegt. In der einlagigen Ausführungsform ermöglicht das Raumangebot die unterschiedliche Ausgestaltung der beiden Verbindungsleiterenden. Hierbei nutzt das linke Verbindungsleiterende 8 Lücken in der zweitinnersten Stegschicht aus, indem die axiale Verbreiterung auf den Stegbereich ausgedehnt wird. Weisen alle Verbindungsleiter derart unterschiedlich ausgestaltete Enden auf, wird in einlagigen Ausführungsformen auch im Stegbereich eine vollständige Raumausnutzung erreicht, ohne daß sich die Anzahl der Ver­ bindungsleiterbauformen erhöht.

Fig. 2c zeigt einen U-förmigen Verbindungsleiter aus der äußersten Stegschicht eines vier­ phasigen, zweilagigen Leiteraufbaus, der radial außerhalb des Luftspaltes angeordnet ist. Der dargestellte Verbindungsleiter verbindet Nutstäbe mit unterschiedlichem Abstand zum Luftspalt und weist daher keine spiegelsymmetrischen Enden 9 auf. Die unsymmetrischen Enden erlauben es in tangentialer Richtung Verbindungsleiter gleicher Bauform flächig aneinander zu reihen. Durch die konische Ausgestaltung der Aussparungen 7 in den Enden der Verbindungs­ leiter, können die Kunststabenden auch in der zweilagigen Ausführungsform von allen vier Seiten vom Verbindungsleiter umschlossen werden. Die Aussparungen in den Verbindungs­ leiterenden nehmen dann die Form eines Fensters an. Beim Aufpressen können die Nutstaben­ den zusätzlich etwas in eine zum Verschweißen günstige Richtung verbogen werden.

Fig. 2d zeigt einen O-förmigen Verbindungsleiter aus der äußersten Stegschicht eines vier­ phasigen, zweilagigen Leiteraufbaus, der ebenfalls Kunststäbe mit unterschiedlichem Abstand zum Luftspalt verbindet. Die Aussparung 7 für die sich zum Ende hin konisch verjüngenden Nutstabenden ist durch eine schraffierte Fläche angedeutet. Die tangentiale Länge des Ver­ bindungsleiters entspricht fünf Nutteilungen minus einer Zahnbreite.

Fig. 2e zeigt einen O-förmiger Verbindungsleiter in der einlagigen Ausführungsform mit konisch ausgestalteten Enden. Die Verbreiterung 6 der Enden des dargestellten Verbindungs­ leiters erfolgt auf beiden Seiten der Stege 5 jeweils um eine Stegbreite, womit es sich um einen Verbindungsleiter aus einer mittleren Schicht einer äußeren Verbindungskopfhälfte aus einem sechsphasigen Leiteraufbau handelt. Die tangentiale Ausdehnung des Fensters (= vier Nut­ teilungen) entspricht gerade der Hälfte der Ausdehnung des gesamten Verbindungsleiters (= acht Nutteilungen).

Fig. 3a zeigt eine Einheit 10 bestehend aus einem U-förmigen Verbindungsleiter 11 und zwei Kunststäben 3 mit sich konisch verjüngenden Enden 12. Die tangentiale Leiterquerschnittsver­ größerung 13 an den Verbindungsstellen erfolgt um jeweils eine Zahnbreite auf beide Seiten der Kunststäbe und axial jeweils um eine Stegbreite ebenfalls in beide Richtungen, woraus ersichtlich wird, daß es sich um eine Einheit aus der zweitinnersten Stegschicht eines sechs­ phasigen einlagigen Leiteraufbaus handelt. Der Steg 5 liegt hierbei wie der weichmagnetische Körper radial innerhalb des Luftspaltes. Weiterhin wird deutlich wie die Leiterquerschnitts­ vergrößerungen 13 die Übergangsflächen zwischen den tangential schmalen Kunststäben 11 und den axial schmalen Stegen 5 wesentlich vergrößern, wodurch keine für den Stromfluß kriti­ schen Verengungen entstehen.

Fig. 3b zeigt eine Einheit 10 mit O-förmigem Verbindungsleiter 14 in der zweilagigen Aus­ führungsform, wobei Kunststäbe 3 mit unterschiedlichem Abstand zum Luftspalt miteinander verbunden sind. Wegen der Anordnung der Leiterquerschnittsvergrößerungen 13 handelt es sich um eine Einheit aus der zweitinnersten Stegschicht einer vierphasigen Maschine mit halbierten Verbindungsköpfen. Die axiale Vergrößerung der Verbindungsleiterenden führt zu einer Verdoppelung der Übergangsflächen zu den Nutstäben. Das Verengungsproblem an den Über­ gangsstellen von den Leiterquerschnittsvergrößerungen 13 zu den Stegen 5 wird bei O-förmigen Verbindungsleitern durch den zweiten Steg entschärft.

In Fig. 4 wird anhand von Querschnittszeichnungen der einlagige Leiteraufbau dargestellt.

Fig. 4a zeigt schematisch den schleifenlosen Leiterverlauf in einem einlagigen Leiteraufbau mit sechs Nuten pro Polteilung, wobei die sechs unterschiedlichen Leiterstränge durch separate Schraffurwinkel gekennzeichnet sind. Die sechs Schraffurarten werden auch in den nachfol­ genden Fig. 4b und 4c beibehalten. Die waagerechten Balken 15 stellen die Kunststäbe dar und die senkrechten Balken 16 die Verbindungsleiter in ihrer jeweiligen Stegschicht. Um graphische Überschneidungen zu vermeiden erscheint die Verbindung zwischen den Kunst­ stäben und den Verbindungsleitern unterbrochen und die Bereiche der Leiterquerschnittsver­ größerungen 13 sind nur anhand einer dichteren Schraffur erkennbar. Die tangentiale Aus­ dehnung der Leiterquerschnittsvergrößerungen fällt in den äußeren Verbindungskopfhälften 17 um eine Nutbreite größer aus als in den inneren Verbindungskopfhälften 18, da jeder Nutstab nur auf einer Seite bis in eine äußere Verbindungskopfhälfte hineinragt. Im weichmagnetischen Körper 19 in benachbarten Nuten verlaufende Leiterstränge besitzen ihre Leiterquerschnittsver­ größerungen auf beiden Seiten immer in unterschiedlichen Verbindungskopfhälften 17, 18 und die axiale Ausdehnung der Leiterquerschnittsvergrößerungen 13 entsprechen der Hälfte der Verbindungskopfbreite. Neben den Überschneidungen, die sich durch den versetzten, schleifen­ losen Verlauf der Leiterstränge ergeben, soll Fig. 4a vor allem die Lage der in Fig. 4b und 4c gezeigten Querschnitte durch die Maschine zeigen.

Fig. 4b zeigt drei Querschnitte einer Induktionsmaschine, wobei die Ausdehnung des Kurz­ schlußkäfigs 20 axial über den weichmagnetischen Rückschluß 21 hinausragt und daher nur den Einsatz von U-förmigen Verbindungsleiterbauformen 10 zuläßt. Die magnetischen Rückschlüsse weisen in Stator und Rotor die gleiche gekreuzte Schraffur auf.

Fig. 4c basiert dagegen auf einer permanenterregten Maschine, deren Magnete 22 sogar eine geringfügig kleinere axiale Länge aufweisen als der weichmagnetische Rückschluß 21.

Auf die Ausweitung der Leiterquerschnittsvergrößerungen auf die Stegbereiche und damit die vollständige Raumausnutzung wird in Fig. 4 verzichtet.

Fig. 5 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig. 4, jedoch in der Ausführungsform eines zweilagigen, sechsphasigen Leiteraufbaus.

Die in Fig. 5a schematisch dargestellten zwölf Leiterstränge sind wiederum durch unter­ schiedliche Schraffurwinkel gekennzeichnet, wobei die Schraffuren phasengleicher Leiter­ stränge, deren Verbindungsleiter zusammen eine Stegschicht ausnutzen, senkrecht aufeinander stehen. In den Nuten verlaufen die versetzten Leiterstränge somit übereinander, wobei die analog zu Fig. 4 verlaufenden Leiterstränge eine dichter Schraffur aufweisen. Die um eine Polteilung versetzt verlaufenden Leiterstränge überschneiden sich in der radialen Projektion an den Kunststabenden. Auf eine Darstellung der Leiterquerschnittsvergrößerungen wurde daher verzichtet, so daß der Leiterverlauf überschaubar bleibt. Hierfür wird aus der Länge der die Verbindungsleiter darstellenden Balken 23 ersichtlich, ob das Verbindungsleiterende mit dem oberen oder unteren Nutstab verbunden wird, wobei jeder Verbindungsleiter Nutstäbe mit unterunterschiedlichem Abstand zum Luftspalt miteinander verbindet.

Die Maschinenquerschnitte in Fig. 5b zeigen wieder eine Asynchronmaschine mit Kurzschluß­ käfig 20 und U-förmigen Verbindungsleitern 10 und in Fig. 5c eine permanenterregte Maschine mit O-förmigem Verbindungsleiter 14, wobei der Stegraum von den zwölf Leitersträngen gleichmäßig ausgenutzt wird und sich in Nuthöhe jeweils zwei Leiterquerschnittsvergrößer­ ungen den Raum teilen.

Fig. 6 zeigt einen vier Polteilungen umfassenden Ausschnitt aus den Stirnseitenansichten aller acht Stegschichten 24 bis 31 eines einlagigen Leiteraufbaus mit U-förmigen Verbindungsleitern 10 aus einer vierphasigen Maschine mit halbierten Verbindungsköpfen. Die vier Leiterstränge sind anhand des unterschiedlichen Schraffurwinkels zu unterscheiden. In den vier Stegschichten 24, 25 und 30, 31 der beiden äußeren Verbindungskopfhälften 32, 35 teilen sich jeweils Verbindungsleiter 11 eines Leiterstranges den Raum mit den Leiterquerschnittsvergrößerungen 13 des Leiterstranges aus der übernächsten Nut. Dagegen müssen in den vier Stegschichten 26 bis 29 der inneren beiden Verbindungskopfhälften 33, 34 zusätzlich die Kunststäbe 3 der jeweils außen liegenden Leiterstränge berücksichtigt werden.

Fig. 7 zeigt einen vier Polteilungen umfassenden Ausschnitt aus den Stirnseitenansichten aller acht Stegschichten 36 bis 43 eines zweilagigen Leiteraufbaus mit O-förmigen Verbindungs­ leitern 14 aus einer vierphasigen Maschine mit halbierten Verbindungsköpfen. Die acht Leiterstränge sind ebenfalls anhand der unterschiedlichen Schraffurwinkel zu unterschieden, wobei die um eine Polteilung versetzten Leiterstränge einer Phase unterschiedlich dicht schraf­ fiert sind. Die Verbindungsleiter verbinden Kunststäbe 3 mit unterschiedlichem Abstand zum Luftspalt miteinander, weshalb in den beiden äußeren Verbindungskopfhälften 44, 47 nun zwei unterschiedliche Verbindungsleiterbauformen benötigt werden im Gegensatz zu nur einer Bauform in Fig. 6. Die Stegschichten 36, 37 und 42, 43 der beiden inneren Verbindungs­ kopfhälften 45, 46 unterscheiden sich von den vier Stegschichten 38 bis 41 der äußeren Ver­ bindungskopfhälften 44, 47 wiederum nur durch die hindurchlaufenden Nutstäbe.

Fig. 8 zeigt einen Ausschnitt aus einem Verbindungskopf des Leiteraufbaus aus Fig. 6 in einer dreidimensionalen Darstellung beim Einschieben der Einheiten in den weichmagnetischen Körper. Zur besseren Anschauung bestehen alle vier Stegschichten 24 bis 27 aus Einheiten 10. Real werden dagegen vorzugsweise die beiden inneren Verbindungskopfhälften 33, 34 aus Ein­ heiten aufgebaut, da die äußeren Verbindungsstellen tangential um eine Nutbreite größer ausfallen und jederzeit von außen zugänglich sind. Dies ist an der nach außen gerichteten Leiterquerschnittsvergrößerung 13 der zweitäußersten Stegschicht 25 erkennbar. In der Dar­ stellung sind alle axialen Leiterquerschnittsvergrößerungen fiktiv wie eine zusätzliche axiale Schicht dargestellt. Real werden die Einheiten 10 wie in Fig. 3 gezeigt einstückig vorgefertigt. Nach dem axialen Zusammenschieben liegen alle vier dargestellten Stegschichten flächig aufeinander.

Fig. 9 zeigt einen jeweils vier Einheiten 10 pro Stegschicht umfassenden Ausschnitt aus dem Leiteraufbau von Fig. 7 in einer dreidimensionalen Darstellung. Die Stegschichten 36 bis 39 weisen - damit die Bauformen sichtbar sind - wiederum einen ausreichenden Abstand zuein­ ander auf und die um eine Polteilung versetzten Leiterstränge unterscheiden sich durch unter­ schiedliche dichte Schraffuren. Die Anordnung kann als Momentaufnahme beim Einschieben in den weichmagnetischen Körper betrachtet werden.

Ähnlich wie in Fig. 8 und 9 sind in Fig. 10 und 11 Ausschnitte aus Verbindungsköpfen dreidimensional dargestellt, wobei es sich allerdings um dreiphasige Maschinen ohne halbierte Verbindungsköpfe handelt. Daher erfolgt keine axiale Leiterquerschnittsvergrößerung und die Stegbreite wird zur Kompensation der unterschiedlichen Innenwiderstände stärker variiert. Der Hohlraum 51 der zwischen den beiden durchlaufenden Kunststäben in der inneren Stegschicht 50 besteht, kann jedoch - wenn der Fertigungsaufwand nicht zu hoch ist - durch eine axiale Ausdehnung der mittleren Stegschicht 49 zur Stromleitung genutzt werden. Die überschnei­ dungsfreien äußeren Stegschichten 48 decken in den dargestellten Ausführungsformen die gesamte Außenfläche ab.

Alternativ können die beiden äußeren Stegschichten jedoch auch wie bei halbierten Verbin­ dungsköpfen Fenster aufweisen in denen die axialen Leiterquerschnittsvergrößerungen der zweitäußersten Stegschichten bis nach außen reichen. Wenn dann die inneren Stegschichten aus Einheiten aufgebaut werden, sind auch bei ungerader Phasenanzahl alle bei der Montage zu realisierenden Verbindungsstellen von außen zugänglich.

Claims (20)

1. Mehrphasige elektrische, Maschine, deren Rotor als zylindrischer Körper innerhalb oder außerhalb des Stators rotiert und die einen weichmagnetischen Körper mit Nuten auf­ weist, an dessen Stirnseiten jeweils ein Verbindungskopf vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiterstrang aus ohne Biegeradien vorgefertigten Verbindungsleitern (11, 14) und Kunststäben, (3) zusammengesetzt ist, wobei die Verbindungsleiter U-förmige (11) oder O-förmige (14) Scheiben sind, die in zur Stirnseite des weichmagnetischen Körpers parallelen Schichten (24 bis 27) liegen.

2. Mehrphasige elektrische Maschine, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zweite Verbindungsleiter (11, 14) eines Leiterstranges jeweils mit den Kunststäben (3) mit denen er leitend verbunden ist, eine vorgefertigte Einheit (10) bilden.

3. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleiter (11, 14) in Teil­ bereichen (4), die tangential flächig an den Enden (12) der Stromleiter (1) oder Nut­ stäbe (3) anliegen eine größere axiale Ausdehnung aufweisen als jener Bereich (5) der Verbindungsleiter, dessen Abstand zur Luftspaltoberfläche größer als die Nuttiefe ist.

4. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterquerschnitt an den mit den Verbindungsleitern zusammengefügten Enden der Kunststäbe (3) gegenüber dem Leiterquerschnitt im weichmagnetischen Körper (19) tangential vergrößert ist, wobei diese Leiterquerschnittsvergrößerungen (13) der Leiterstränge benachbarter Nuten, axial in versetzten Schichten angeordnet sind.

5. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterquerschnittsvergrößerung (13) der Leiterstränge einer Nut in Nutrichtung teilweise flächig an den beiden Leiterquer­ schnittsvergrößerungen von Leiterstrangen der benachbarten Nuten anliegen und zusammen in Nutrichtung die axiale Ausdehnung des Verbindungskopfes bilden, womit der Verbindungskopf in zwei Hälften (17, 18) unterteilt ist.

6. Mehrphasige elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiteraufbau in den Verbindungsköpfen (23) selbsttragend ist, wobei in den inneren Schichten oder den inneren Verbindungskopfhälften (18) die Breite der Leiterquerschnittsvergrößerungen etwa der Summe aus Nutbreite und zweifacher Zahnbreite entspricht und in den äußeren Schichten oder den äußeren Verbindungskopfhälften (17) die Breite der Leiterquerschnittsvergrößerungen etwa der Summe aus zweifacher Nutbreite und zweifacher Zahnbreite entspricht.

7. Mehrphasige elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Stromleiter (1) oder Nutstäbe (3), die in eine äußere Verbindungskopfhälfte (17) hineinragen einen sich zum Ende (12) hin konisch verjüngenden Querschnitt aufweisen.

8. Mehrphasige elektrischen Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen (7) für die Enden der Kunststäbe (3) in den zu einer äußeren Verbindungskopfhälfte (17) gehörenden Ver­ bindungsleitern (11, 14) mit zunehmendem Abstand von der Stirnseite des weichmagne­ tischen Körpers (19) eine kleiner Querschnittsfläche aufweisen.

9. Mehrphasige elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Nut des weichmagnetischen Körpers (19) jeweils nur ein oder zwei Kunststäbe (3) angeordnet sind.

10. Mehrphasige elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kunststäbe (3) eine Nut in den beiden Verbindungsköpfen (23) jeweils mit unterschiedlichen Verbindungsleitern (11, 14) verbunden sind, deren Stege (5) tangential entgegengesetzt verlaufen.

11. Mehrphasige elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verbindungsköpfe (23) ring­ förmige Scheiben (36 bis 39) mit rechteckförmigem Querschnitt sind, deren Volumen außer Leitermaterial nur dünne Klebe- und Isolierschichten aufweist.

12. Mehrphasige elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Ableitung eines An­ schlußelements direkt mit der Zuleitung des zu einer benachbarten Nuten gehörenden Anschlußsegments verbunden ist.

13. Verfahren zur Herstellung einer mehrphasigen elektrischen Maschine, deren Rotor als zylindrischer Körper innerhalb oder außerhalb des Stators rotiert und die einen weichmagnetischen Körper mit Nuten aufweist, an dessen Stirnseiten jeweils ein Verbindungskopf vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiterstrang aus ohne Biegeradien vorgefertigten Verbindungsleitern (11, 14) und Kunststäben (3) zusammengefügt wird, daß die Verbindungsleiter (11, 14) als U-förmige oder O-förmige Scheiben aus Leiterblechen geschnitten oder von einem gepreßten Profil gescheibt werden und mit den Enden von Kunststäben (3) oder Einheiten (10) elektrisch leitfähig verbunden werden, derart, daß die Scheiben in zu den Stirnseiten des weichmagnetischen Körpers parallelen Schichten liegen.

14. Verfahren zur Herstellung einer mehrphasigen elektrischen Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zweite Verbindungsleiter mit den beiden Kunststäben, mit denen er elektrisch leitend verbunden wird, in einem der eigentlichen Leitermontagen am weichmagnetischen Körper vorgelagerten Arbeitsschritt zu einer Einheit zusammengefügt wird.

15. Verfahren zur Herstellung einer mehrphasigen elektrischen Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststabenden in eine einem Verbindungsleiter entsprechende Form mit aufgeschmolzenem Leitermaterial gesteckt werden.

16. Verfahren zur Herstellung einer mehrphasigen elektrischen Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß alle Einheiten, die eine innere Schicht bzw. eine innere Hälfte eines Verbindungskopfes bilden, vor dem axialen Einschieben in die Nuten zu einem ringförmigen Paket zusammengefaßt werden.

17. Verfahren zur Herstellung einer mehrphasigen elektrischen Maschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden inneren Verbindungskopfhälften als Einheitenpakete gleichzeitig in den weichmagnetischen Körper eingeschoben werden.

18. Verfahren zur Herstellung einer mehrphasigen elektrischen Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu den äußeren Schichten oder der äußeren Hälfte des Verbindungskopfes gehörenden Verbindungsleiter zu einem selbsttragenden scheibenförmigen Paket zusammengefaßt werden und anschließend auf Enden der Einheiten bzw. Kunststäbe aufgeschoben werden.

19. Verfahren zur Herstellung einer mehrphasigen elektrischen Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Verfahrensschritte oder der gesamte Herstellungsprozeß vollautomatisch unter Schutz­ gasbedingungen stattfinden.

20. Verfahren zur Herstellung einer mehrphasigen elektrischen Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ bindungen zwischen Stromleitern oder Nutstäben und Verbindungsleitern nachträglich durch Aufbringen zusätzlicher Schichten aus Leitermaterial in ihrer Leitfähigkeit verbes­ sert werden.