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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Statorspulen- oder Statorwicklungs-Anordnung und insbesondere,
jedoch nicht ausschließlich,
auf die Statorwicklungs-Anordnung
eines Transversalfluss-Motors.
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Die
Statorspule oder Statorwicklung eines konventionellen elektrischen
Motors umfasst typischerweise lange gerade Abschnitte, durch durch
gekrümmte
Endwindungen miteinander verbunden sind. Die Wicklung wird üblicherweise
auf dem Motor dadurch befestigt, dass die geradlinigen Abschnitte mechanisch
in Nuten eingepresst werden. Wie dies in der
US 6,130,495 beschrieben ist, können die
einzelnen geradlinigen Abschnitte mit einem halbleitenden Band umwickelt
werden. Die Wicklung wird dann durch einen Presssitz oder durch
Nut-Verschlusseinrichtungen
an ihrem Platz gehalten. Die Wicklung kann im Vakuum druckimprägniert werden.
Ein Kunststoff kann der Nut zugeführt und komprimiert werden,
wenn die Temperatur der Wicklung ansteigt.
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Im
Betrieb treten unterschiedliche thermische Ausdehnungen zwischen
der Wicklung und der Wicklungsbefestigung auf, doch ergeben die
Endwindungen der Wicklung eine gewisse Flexibilität, die ein gewisses
Ausmaß an
Bewegung zwischen den geradlinigen Abschnitten der Wicklung und
den Nuten ermöglicht.
Diese Bewegung reicht üblicherweise aus,
um die unterschiedliche thermische Ausdehnung zu berücksichtigen.
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Wenn
keine Nuten vorgesehen sind, um die Bewegung der Wicklungen zu begrenzen,
wie in der
US 4,954,739 ,
ist es erforderlich, die Wicklungen unter Verwendung eines harten
Kunststoffes mit einer guten Biegefestigkeit festzulegen, um eine
Bewegung zu verhindern, weil dies in nachteiliger Weise die Fähigkeit
der Wicklung beeinflusst, ein Drehmoment zu erzeugen.
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Konventionelle
Wicklungen, wie bei der
US 5,066,881 ,
haben ebenfalls halbleitende Umwicklungen, um die erforderliche
Erdung zu erzielen. Die Nuten sind typischerweise die Einrichtungen, über die elektrisch
leitende Erdungspfade für
die Umwicklung geschaffen werden.
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In
verschiedenen Anwendungen ergibt sich jedoch eine Forderung nach
genau hergestellten Statorwicklungen, die eine hohe mechanische
und elektrische Integrität
haben. Diese Forderung existiert beispielsweise in Transversalfluss-Motoren
(TFMs), die Permanentmagnet-Maschinen sind, die für den Schiffsantrieb
entwickelt werden.
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Im
Gegensatz zu der geometrisch komplexen elektrischen Statorwicklung
konventioneller Motoren hat ein TFM eine einfache Solenoid- (d.h.
eine im Wesentlichen kreisförmige)
Wicklung. Obwohl diese Form geometrisch einfach ist, erfordert ihre
Herstellung und ihr Betrieb bei hohen Spannungen hochentwickelte
Herstellungs- und Einbautechniken.
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Beispielsweise
stellt der Betrieb der TFM-Statorwicklungen bei hohen Spannungen
und hohen Schaltgeschwindigkeiten, wie sie beispielsweise bei der
Verwendung von Wechselrichter-basierten Antrieben auftreten, erhebliche
Anforderungen an den Motor. In einer sehr tief gekühlten Wicklung,
wie sie in der
US 4,363,981 beschrieben
ist, ruft die Bewegung der Wicklung Reibungswärme aufgrund der relativen
Gleitbewegung hervor. Um dieses Problem zu lösen, ist die obere Oberfläche einer
porösen
nachgiebigen Bahn mit der unteren Oberfläche der Wicklungen verbunden
und auf einer Befestigungsplattform ohne Anhaften abgelegt, und
dies ermöglicht
es der Wicklung, gegenüber
der oberen Oberfläche
der Befestigungsplattform zu gleiten. Die Wicklung ist somit nicht
sicher an der Plattform befestigt.
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Insbesondere
hat es sich als schwierig herausgestellt, das übliche Befestigungsverfahren
der Wicklung an dem Motor derart anzupassen, dass die unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungen, die im Gebrauch auftreten, berücksichtigt
werden, während
gleichzeitig die Forderungen nach einer kontrollierten elektrischen
Erdung der halbleitenden Umwicklung der Wicklung und nach einer
Wärmeabfuhr durch
Wärmeleitung
erfüllt
sind.
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Das
Problem wird durch den beschränkten Raum
verschärft,
der für
die Wicklung und die Wicklungsbefestigung in dem Gesamt-TFM zur
Verfügung steht.
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Entsprechend
ergibt die vorliegende Erfindung eine Statorwicklungs-Anordnung,
die eine Statorwicklung und eine Befestigungsplattform (4)
mit einer im Wesentlichen ebenen Aufnahmeoberfläche für die Statorwicklung aufweist,
wobei die Wicklung eine kreisförmige
Form aufweist und eine Reihe von Windungen aus mit einer Isolation
bedecktem leitendem Draht umfasst und eine äußere halbleitende Erdungs-Umwicklung (2)
aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung mit der Befestigungsplattform
(4) über
eine elastisch verformbare Verbindungsschicht (5) verbunden
ist, wobei die Verbindungsschicht (5) eine thermische Leitfähigkeit
von zumindest 0,1 W/mK und einen spezifischen elektrischen Widerstand,
der größer oder
gleich dem der Erdungs-Umwicklung (2) ist, und eine Shore-A-Härte von
höchstens
85 aufweist.
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Vorzugsweise
hat die Verbindungsschicht eine thermische Leitfähigkeit von zumindest 0,1 W/mK
und besonders bevorzugt von zumindest 0,627 W/mK. Eine höhere thermische
Leitfähigkeit wird
bevorzugt, um Temperaturdifferenzen zwischen der Statorwicklung
und der Befestigungsplattform zu verringern, sowohl zur Verringerung
der differentiellen thermischen Effekte, als auch dazu, einen erheblichen
Teil der Wärmeabfuhr
von der Wicklung zu bewirken.
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Vorzugsweise
hat die Verbindungsschicht einen spezifischen elektrischen Widerstand,
der im Wesentlichen gleich dem der Erdungs-Umwicklung ist. Typischerweise
hat die Erdungs-Umwicklung einen spezifischen Oberflächenwiderstand
in dem Bereich von 0,5 bis 2 kΩ/Quadrat,
und vorzugsweise von ungefähr
1 kΩ/Quadrat.
Bei dieser Anordnung kann die Verbindungsschicht den Erdpfad für die Erdungs-Umwicklung
ergeben.
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Die
Erzielung von flexiblen Verbindungsschichten mit einer gut definierten
zuverlässigen
und wiederholbaren niedrigen elektrischen Leitfähigkeit kann schwierig sein,
und alternativ kann die thermisch leitende Verbindungsschicht ein
elektrischer Isolator sein, d.h. im Wesentlichen vollständig elektrisch
nichtleitend. In diesem Fall hat die Anordnung vorzugsweise weiterhin
elektrische Erdungs-Einrichtungen zum elektrischen Erden dieser
Erdungs-Umwicklung der Statorwicklung.
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Der
Elastizitätsmodul
der Verbindungsschicht sollte ausreichend niedrig sein, um die unterschiedliche
thermische Ausdehnung, die im Betrieb zwischen der Statorwicklung
und der Befestigungsplattform auftritt, ohne Reißen oder Ablösen aufzunehmen.
Die Verbindungsschicht hat eine Shore-A-Härte von höchstens 85 und besonders bevorzugt
in dem Bereich von 65 bis 85. Im Allgemeinen kann, je kleiner die
Shore-A-Härte der
Verbindungsschicht ist, diese eine um so größere mechanische Ausdehnung
aufnehmen.
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Die
Befestigungsplattform hat eine im Wesentlichen ebene Aufnahmeoberfläche für die Wicklung.
Weiterhin ist die Wicklungsoberfläche, die auf die Befestigungsplattform
gerichtet ist, im Wesentlichen eben. Somit verbindet bei manchen
Ausführungsformen
die Verbindungsschicht aufeinander gerichtete ebene parallele Oberflächen. Dies
trägt zur Verringerung
des Raums bei, der von der Verbindungsschicht belegt wird, und fördert gleichförmige thermische,
elektrische und physikalische Eigenschaften über die gesamte Schicht.
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Vorzugsweise
ist die Verbindungsschicht aus Gummi und besonders bevorzugt aus
Silikon-Gummi gebildet.
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Die
Befestigungsplattform kann wassergekühlt sein, und sie kann eine
ringförmige
Ausnehmung umfassen, deren Boden als Aufnahmeoberfläche für die Wicklung
dient. Der Innendurchmesser der ringförmigen Ausnehmung ist vorzugsweise
kleiner als der Innendurchmesser der Wicklung, und der Außendurchmesser
der ringförmigen
Ausnehmung ist vorzugsweise größer als
der Außendurchmesser der
Wicklung.
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Vorzugsweise
wird die Dicke der Verbindungsschicht durch elektrisch isolierende
Abstandsstücke
kontrolliert, die an Intervallen auf der Aufnahmeoberfläche angeordnet
sind.
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Die
Anordnung kann weiterhin getrennte Erdungs-Einrichtungen umfassen,
die die obere Oberfläche
der Wicklung mit der Befestigungsplattform über flexible leitende Laschen
verbinden. Die getrennten Erdungs-Einrichtungen können die
Form eines leitenden Streifens, leitender Drähte, die an regelmäßigen Intervallen
zum Anhaften gebracht sind, oder einer leitenden Farbe aufweisen.
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Weiterhin
wird eine elektrische Maschine geschaffen, die die Statorwicklungs-Anordnung des vorhergehenden
Gesichtspunkts aufweist. Die Maschine kann ein Transversalfluss-Motor
sein.
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Die
Erfindung wird nunmehr ausführlicher unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 einen
Querschnitt durch eine Statorwicklung und eine Befestigungsplattform
eines TFM gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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2 Teile
der oberen und äußeren Flächen der
Wicklung nach 1 zeigt.
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1 zeigt
einen Querschnitt durch eine Statorwicklung und eine Befestigungsplattform
eines TFM gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Die
Wicklung weist eine Kreisform auf und umfasst eine Reihe von Windungen 1 aus
leitendem Draht, der durch eine Isolation bedeckt ist, und eine äußere Erdungs-Umwicklung 2.
Die Wicklung ist mit ihrer unteren Oberfläche auf einer ebenen Aufnahmeoberfläche angeordnet
dargestellt, die den Boden einer ringförmigen Ausnehmung ist, der
in einer wassergekühlten
Plattform 4 gebildet ist. Die Innen- und Außendurchmesser
der Ausnehmung sind jeweils geringfügig kleiner und größer als
die Innen- und Außendurchmesser
der Wicklung.
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Eine
Verbindungsschicht 5 aus thermisch leitendem Silikon-Gummi
verbindet die Wicklung mit der Aufnahmeoberfläche und stellt weiterhin sicher, dass
die Wicklung nicht in direkten Kontakt mit der Plattform kommt,
so dass die elektrische Isolation der Wicklung und der Plattform
in geeigneter Weise kontrolliert wird.
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Um
die Verbindungsschicht zu bilden, werden Isolier-Abstandsstücke 16,
die die abschließende
Dicke der Schicht kontrollieren, unter Intervallen auf der Aufnahmeoberfläche angeordnet.
Der Silikon-Gummi, der vor der Aushärtung eine gießbare Flüssigkeit
ist, wird in die Ausnehmung zumindest bis zur Ebene der Abstandsstücke eingegossen,
und dann wird die Wicklung sorgfältig
auf die Abstandsstücke
aufgelegt. Der Gummi wird durch Erhitzen der Plattform und der Wicklung
in einem Ofen ausgehärtet,
oder er kann kalt gehärtet
werden, in Abhängigkeit
von der Gummi-Spezifikation.
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Im
Betrieb nimmt der relativ niedrige Elastizitätsmodul des Gummis die unterschiedlichen
thermischen Spannungen auf, die sich zwischen der Wicklung und der
Plattform ausbilden. Die relativ hohe thermische Leitfähigkeit
des Gummis fördert
jedoch die Wärmeströmung von
der Wicklung auf die Plattform, was zur Verringerung dieser thermischen Spannungen
beiträgt
und außerdem
die Wicklung auf einer sicheren Betriebstemperatur hält.
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Bei
manchen Ausführungsformen
kann der Silikon-Gummi einen spezifischen elektrischen Widerstand
aufweisen, der gleich dem der Erdungs-Umwicklung ist, wobei in diesem
Fall der Gummi den Erdungspfad für
die Erdungs-Umwicklung der Wicklung bilden kann. Bei der Ausführungsform
nach 1 ist jedoch der Silikon-Gummi ein elektrischer Isolator, so
dass getrennte Erdungs-Einrichtungen für die Erdungs-Umwicklung in
Form von leitenden Streifen 7 bereit gestellt werden, die
unter regelmäßigen Intervallen
um die obere Oberfläche der
Wicklung durch einen leitenden Epoxyd-Kunststoff zum Anhaften gebracht
werden. Diese Streifen werden dann mit der (elektrisch leitenden)
Befestigungsplattform über
flexible leitende Laschen 8 verbunden. Die Streifen und
Lachen sind ebenfalls in 2 gezeigt, die Teile der oberen
und äußeren Flächen der
Wicklung zeigt. Der Abstand der Streifen stellt sicher, dass sich
keine hohen Spannungen auf den Wicklungsoberflächen aufbauen, während der Gesamt-Oberflächenwiderstand
der Wicklung im Wesentlichen durch die relativ kleine Kontaktfläche der
Streifen nicht beeinflusst wird.
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In
anderen Ausführungsformen
können
die leitenden Streifen durch einen leitenden Draht oder Drähte ersetzt
werden, die mit der Wicklung während der
Herstellung der Wicklung verbunden werden können. Alternativ kann eine
leitende Farbe anstelle der Streifen verwendet werden.
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Ein
geeigneter Silikon-Gummi zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung
ist das Produkt vom Typ R-2949 von der Firma Nusil Technology, 1050
Cindy Lane, Carpinteria, Ca 93013, USA. Nach dem Aushärten über 30 Minuten
bei 150°C
hat dieses Material eine Typ-A-Shore-Härte von 75, eine Zugfestigkeit
von 2,8 MPa, eine Dehnung von 75%, eine Reißfestigkeit von 7,0 kN/m und
eine thermische Leitfähigkeit
von 0,627 W/mK. Dies ist ein Zwei-Komponenten-Silikon-Gummi, der
unter Vakuum nach dem Mischen entgast werden sollte, eine Verarbeitungszeit
bei 25°C
von ungefähr
2 Stunden und eine Betriebstemperatur von –115°C bis 260°C aufweist.
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Andere
geeignete Silikon-Gummis sind das Produkt vom Typ EERTV1075 der
Firma Abersil und das Produkt vom Typ Q1-9226 der Firma Dow Corning.
Andere geeignete Gummimaterialien sind dem Fachmann bekannt, von
denen einige eine Kalthärtung
anstelle einer Warmhärtung
ermöglichen.