EP3874581A1 - Formlitze, stator oder rotor einer elektrischen maschine, sowie elektrische maschine - Google Patents

Formlitze, stator oder rotor einer elektrischen maschine, sowie elektrische maschine

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Publication number
EP3874581A1
EP3874581A1 EP19797661.6A EP19797661A EP3874581A1 EP 3874581 A1 EP3874581 A1 EP 3874581A1 EP 19797661 A EP19797661 A EP 19797661A EP 3874581 A1 EP3874581 A1 EP 3874581A1
Authority
EP
European Patent Office
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wire
heat exchange
stator
wires
rotor
Prior art date
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Pending
Application number
EP19797661.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Pascal HUSER
Martin STÖCK
Fabian LOSCH
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Jheeco eDrive AG Liechtenstein
Original Assignee
Jheeco eDrive AG Liechtenstein
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Filing date
Publication date
Application filed by Jheeco eDrive AG Liechtenstein filed Critical Jheeco eDrive AG Liechtenstein
Publication of EP3874581A1 publication Critical patent/EP3874581A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02K3/24—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors
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    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
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    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil

Definitions

  • the present invention relates to a stranded wire according to the preamble of claim 1, a rotor and / or stator according to the preamble of claim 9, and an electrical machine, in particular an electric motor, according to the preamble of claim 12.
  • An electric motor usually has a rotor (rotor) and a stator (stator), the rotor being rotatably mounted about a central axis with respect to the stator.
  • windings are provided in the stator, which are energized accordingly.
  • axially extending grooves for receiving a current-carrying winding are frequently introduced in the laminated core of the stator, with only the part of a coil running axially inside the groove contributing torque. It is also called the active length.
  • the active length Several coils can be placed in one slot.
  • the parts of the coil that connect the active lengths at the ends of the laminated core are torque-blind. This part of the winding lying axially outside the laminated core is also referred to as a winding head.
  • Coils generally consist of a large number of insulated (thin) wires (enamelled wire) that are wound directly in a pair of slots or used as a prefabricated coil.
  • insulated wires enamelled wire
  • coils with only one (thick) wire 1 solid conductor
  • 4-8 coils are also used per slot.
  • segment conductors composed of individual segments (segment conductors).
  • segment conductors (rod conductors) corresponding essentially to the groove shape are preferably inserted axially in grooves;
  • the winding head can only be completed after inserting the segment conductors by connecting the head ends of two segment conductors in pairs.
  • Segment conductors can be contacted via winding heads.
  • Segment leaders include I-shaped (rod ladder) and U-shaped (hairpin ladder), which are often designed as one-piece solid conductors.
  • Multi-part segment conductors represent a special case.
  • Strands are made up of a large number of conductors, preferably electrically insulated from one another, with the cross section being pressed or compacted into a desired shape.
  • Stranded wires can also be considered as wire packages. Only in the for further contact provided head ends of a stranded wire, the individual wires are electrically and mechanically connected to one another, with any existing insulation in the head region advantageously being removed or being removed. This is done, for example, by means of dilution crimping / electrode welding of the head end with a sleeve. The entire strand or individual strands of the strand can be twisted against one another.
  • Such shaped strands have become known, for example, in DE112015001994A5. In electric motors operated with (high-frequency) alternating current, they can advantageously be used to reduce parasitic effects such as eddy currents and skin effects.
  • the winding heads of electric motors get very hot. To prevent thermal failure, they are often cooled.
  • a dielectric fluid usually an oil
  • Oil cooling is usually implemented via a "cooling cap", which forms an annular channel surrounding the winding head, in which a cooling medium flows. Such cooling is shown for example in DE102017107165A1.
  • connection zones are individually covered with insulation resin or insulation caps. Both are disadvantageous because they hinder the thermal heat transfer. Alternatively, the distances between the contact points are chosen so large that separate insulation is no longer necessary. Another option is to insert strips of insulation paper. Similarly, when using interconnection bars, these should also be isolated from one another. For this purpose, connecting bars are covered, for example, with an insulation resin, insulation paper is inserted, or insulating spacers are inserted.
  • the object of the present invention is accordingly to propose a shaped strand which enables better cooling.
  • this object is achieved by a shaped strand with the characterizing features of claim 1.
  • the wire package and in particular the wires of the wire package are surrounded with electrical insulation.
  • the electrical contacting section is formed from a sleeve surrounding the at least two wires, in particular a metal sleeve, or a weld of the at least two wires.
  • the two possibilities are advantageous in terms of production technology for producing the contacting area.
  • the wires in the contacting section are preferably stripped.
  • the heat exchange section is designed as a wire bundle, in particular as a wire bundle which is formed from the individual wires of the shaped strand.
  • a wire bundle which is formed from the individual wires of the shaped strand.
  • Under the tuft is a to understand fanned out section of a wire package or a strand, in which the individual wires of the wire package are no longer strictly arranged and are in direct contact with one another.
  • a tuft of wire can be made relatively easily from the usually twisted wires of the shaped strand.
  • the wires of the wire bundle can be washed around on all sides by a cooling medium, so that there is a large heat exchange surface.
  • the wires in the heat exchange section are preferably untwisted and / or spliced in regions. These measures serve primarily to enlarge the heat exchange area provided.
  • the wires in the heat exchange section are not insulated. This measure also serves to improve the heat transfer between the wire or wires and the respective cooling medium.
  • the heat exchange section is designed as an extension of the shaped strand over the contacting area.
  • the heat exchange section is designed in a form suitable for directing and / or swirling the cooling medium.
  • These fluid flow guiding elements can provide additional swirling of the cooling flow and thus increase the overall heat transfer, since fewer quasi-static boundary layers are formed.
  • Another object of the present invention is to propose an improved rotor and / or stator for an electric motor, in particular to propose a rotor and / or stator which can be cooled better.
  • this object is achieved by a rotor and / or stator with the characterizing features of claim 9.
  • the advantages of the stranded wire according to the invention can be used accordingly for the rotor and / or stator. Further advantageous refinements of the proposed invention result in particular from the features of the subclaims.
  • the subjects or features of the various claims can in principle be combined with one another as desired.
  • the at least two shaped strands are connected to one another via the contacting section.
  • connection of the at least two shaped strands are electrically connected to one another by means of welding or by means of a connecting web.
  • Welding means in particular the direct welding of two contacting sections of two shaped strands.
  • a connecting web means in particular the indirect connection of two contacting sections of shaped strands via a connecting web. The contacting sections of the stranded wire and the connecting webs can be welded.
  • Another object of the present invention is to propose an improved electrical machine, in particular an improved electric motor, in particular an electrical machine, in particular an electric motor, which can be cooled better.
  • this object is achieved by an electrical machine, in particular an electric motor, with the characterizing features of claim 12.
  • the advantages of the rotor and / or stator according to the invention can be used accordingly for the electrical machine.
  • the electrical machine is equipped with a cooling device for cooling the heat exchange sections.
  • FIG. 2 shows an illustration of an electric motor with a cooling device for the winding heads in a cross-sectional illustration (upper part);
  • FIG. 3 shows a stator of an electric motor in a cross-sectional illustration
  • FIG. 4 shows a schematic manufacturing process of a shaped strand according to the invention and the end of a shaped strand according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic manufacturing process of a shaped strand according to the invention and the end of a shaped strand according to the invention
  • FIG. 6 shows a schematic manufacturing process of a shaped strand according to the invention, as well as the end of a shaped strand according to the invention
  • FIG. 7 shows a schematic manufacturing process of a shaped strand according to the invention, and the end of a shaped strand according to the invention
  • Fig. 8 is a schematic representation of a connection process between molded strand and
  • Fig. 9 is a schematic representation of a stranded wire according to the invention.
  • Fig. 10 shows a rotor according to the invention with a plurality of stranded wires, which over the
  • Contacting areas are interconnected, in particular welded together.
  • a shaped strand F according to the invention essentially comprises a first head end 1 and a second head end 2.
  • a wire package 3 is arranged between these head ends 1, 2.
  • the wire package 3 consists of a number of wires 31, but at least two wires, which are usually twisted together and preferably as one wire package Main insulation layer 32 are surrounded.
  • the shaped strand is also compacted and preferably has a rectangular or trapezoidal cross-sectional area.
  • the wires 31, preferably made of copper or a copper alloy, as such can also be individually equipped with an insulation 311, but also not insulated or partially stripped, in particular at the head ends.
  • At least one head end 1 or 2 of the shaped strand has a contacting section 11 and a heat exchange section 12.
  • the wire sections located there are electrically and mechanically connected to one another, this being possible using sleeves made of metal or welding of the individual wires 31 in this area.
  • the heat exchange section 12 is preferably designed as a wire bundle, in particular the wire bundle is formed from the individual wires 31 of the shaped strand, the individual wires in the heat exchange section preferably being untwisted and / or spliced in regions.
  • the individual wires 31 are preferably stripped in the heat exchange section 12, in particular not only from the common main insulation 32, but also from the individual wire insulation 311 which may be present.
  • the additional cooling surface formed by the heat exchange section 12 can be designed as an extension of the shaped wire F via the contact area 11. It does not then serve to conduct electricity, but primarily serves as a thermal bridge.
  • the area can be designed in various cross-sectional shapes, in particular for directing and / or swirling the cooling medium. As a result, a cooling surface, formed by single wire surfaces, is hereby proposed which is larger than the cross section of the stranded wire.
  • the heat exchange section 12 can be arranged between the wire package 3 and the contacting section 11 or next to the contacting section 11, that is to say at the end of the shaped strand.
  • the first case there is a sequence of wire pack 3, heat exchange section 12, contacting section 11, while in the second case there is a sequence of wire pack 3, contacting section 11 and heat exchange section 12 in the longitudinal direction of the shaped strand.
  • the heat exchange section 12 and the contacting section 11 are generally separate areas. The provision of a heat exchange section 12 has numerous advantages.
  • the heat exchange section 12 provides an additional impact surface for a cooling medium flowing through. The heat transfer can thus be increased locally.
  • the heat exchange section 12 can form fluid flow guide elements (not shown), which provide an additional swirling of the cooling flow and thus increase the overall heat transfer, since fewer quasi-static boundary layers are formed.
  • At least one of the shaped strands F described above can be installed in the stator S and / or rotor R of an electrical machine, in particular an electric motor.
  • An electric motor and / or electrical generator for example also in a unit, can be considered as the electrical machine.
  • each or a large number of the shaped strands used are shaped strands F according to the invention with the corresponding heat exchange sections 12.
  • At least two shaped strands F are connected to one another at least electrically, preferably electrically and mechanically, via their contacting section 11. This can be achieved, for example, by welding 6 of the contacting areas 11 and also by connecting the contacting areas by means of a connecting web 5.
  • the connection between the connecting web and the stranded wire can also be designed as a weld.
  • the invention can be used equally for direct interconnections as well as indirect interconnections with interconnection bars.
  • An electrical machine according to the invention in particular an electric motor, in turn comprises a rotor R and / or stator S according to the invention with at least one shaped strand F according to the invention.
  • a cooling device 4 is preferably used Cooling of the heat exchange sections equipped.
  • the cooling device 4 can comprise, for example, a cooling cap, which is arranged around the ends of the stranded wire, but in particular the heat exchange sections 12. It is preferably provided that the cooling device 4 is designed for cooling by means of a fluid, in particular an oil. For this purpose, an oil supply can be built into the cooling cap.
  • the wire package 3 is arranged between the contacting areas 11.
  • the individual wires 31 can be seen in cross section.
  • FIG. 2 shows a cross section of an electrical machine according to the invention, in particular an electric motor, comprising the rotor R and stator S (upper part) with an axis X. Furthermore, the essential elements of the cooling device, in particular the cooling cap 4 and the oil supply (without reference numerals), recognizable.
  • FIG. 3 shows the stator S of the electrical machine, in particular the electric motor, in a cross-sectional representation.
  • the direction of flow of a cooling medium, for example oil, and two connecting webs 5 are indicated.
  • Two shaped strands F according to the invention are provided per groove.
  • FIG. 4a shows, for example, a shaped blank with insulated individual wire ends 31 and 311, as well as its main insulation 32.
  • 4b shows the heat exchange section 12 and the contacting section 11 in the form of a sleeve.
  • the sleeve is applied, for example, by means of electrode welding.
  • the heat exchange section 12 is formed, for example, as a protruding protrusion.
  • the splicing is carried out automatically, for example, when the sleeve is applied or pressed.
  • 5b shows a possible intermediate step in the production of a shaped strand according to the invention, in particular the stripping of the insulation varnish 311 from the individual wires 31 for better heat transfer.
  • FIG. 7c shows the creation of a contacting section 11 by applying a sleeve to the end of the stripped individual wires 31.
  • FIG. 8a shows a welding of a stranded wire 3, in particular of the contacting area 11, to a connecting web 5.
  • An exemplary projection of the heat exchange section 12 is shown in FIG. 8a.
  • FIGS 9a and 9b schematically show how the cooling medium flows through the heat exchange section 12.
  • the cooling medium flows through the entire wire bundle and not just an outer contour.
  • FIG. 10 A development of a stator S or stator core B according to the invention is shown in sections in FIG. 10, the shaped strands being bent toward one another in pairs.
  • the contact areas 11 of the shaped strands F are welded directly to one another, that is to say they have a weld 6.
  • the winding head is enclosed by a cooling cap and an oil flows through it.
  • the heat transfer sections 12, which are otherwise surrounded by a main insulation, can be improved by the heat exchange sections 12 formed as a protrusion.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Manufacture Of Motors, Generators (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Formlitze (F), umfassend eine Drahtpaket aus mindestens zwei Drähten, wobei mindestens ein Kopfende der Formlitze (F), vorzugsweise beide Kopfenden, einen Kontaktierungsabschnitt (11) und einen Wärmeaustauschabschnitt (12) aufweist, einen Stator (S) oder Rotor eines Elektromotors, wobei der Rotor bzw. Stator (S) mit mindestens einer Formlitze (F) ausgestattet ist.

Description

Formlitze, Stator oder Rotor einer elektrischen Maschine, sowie elektrische Maschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Formlitze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Rotor und/oder Stator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9, sowie eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Ein Elektromotor weist gewöhnlich einen Rotor (Läufer) und einen Stator (Ständer) auf, wobei der Rotor gegenüber dem Stator um eine Mittelachse drehbar gelagert ist. Zur Ausbildung von magnetischen Kräften sind Wicklungen im Stator vorgesehen, die entsprechend bestromt werden. Zur Ausbildung des Stator-Erregerfelds sind im Blechpaket des Stators häufig über den Umfang verteilten axial verlaufenden Nuten zur Aufnahme einer stromführenden Wicklung eingebracht, wobei nur der axial innerhalb der Nut verlaufende Teil einer Spule drehmomentenbeitragend ist. Er wird auch als aktive Länge bezeichnet. In einer Nut können mehrere Spulen platziert sein. Demgegenüber sind die Teile der Spule, welche die aktiven Längen an den Stirnenden des Blechpakets verbinden drehmomentenblind. Dieser axial außerhalb des Blechpakets liegende Teil der Wicklung wird auch als Wickelkopf bezeichnet.
Spulen bestehen im Regelfall aus einer Vielzahl gegeneinander isolierter (dünner) Drähte (Lackdraht), die direkt in einem Nutenpaar gewickelt oder als vorgefertige Spule eingesetzt werden. Um den Nutenquerschnitt mit mehr Kupfer zu füllen (höherer Nutfüllungsgrad zur Erhöhung der Stromdichte), sind auch Spulen mit nur einem (dicken) , Draht1 (Massivleiter) gebräuchlich, wobei dann gewöhnlich mehrere (4-8) Spulen je Nut eingesetzt werden.
Zur Vereinfachung von Herstellung und Montage ist es bekannt, aus einzelnen Segmenten (Segmentleiter) zusammengesetzte Spulen zu verwenden. Hierbei werden im Wesentlichen der Nutenform entsprechende Segmentleiter (Stableiter) vorzugsweise axial in Nuten eingesetzt; Der Wickelkopf kann erst nach Einsetzen der Segmentleiter fertiggestellt werden, indem die Kopfenden von zwei Segmentleitern jeweils paarweise verbunden werden. Dabei können Segmentleiter über Wicklungsköpfe kontaktiert werden. Segmentleiter sind u.a. I-förmige (Stableiter) und U-förmige (Haarnadelleiter), die oft als einteilige Massivleiter ausgeführt sind.
Mehrteilige Segmentleiter (Formlitzen) stellen einen Sonderfall dar. Formlitzen sind aus einer Vielzahl von vorzugsweise gegeneinander elektrisch isolierten Einzeldrähten (Litze) aufgebaute Leiter, wobei der Querschnitt in eine gewünschte Form verpresst bzw. kompaktiert ist. Litzen können auch als Drahtpakete betrachtet werden. Nur in den zur weiteren Kontaktierung vorgesehenen Kopfenden einer Formlitze sind die Einzeldrähte elektrisch und mechanisch miteinander verbunden, wobei allfällige vorhandene Isolation im Kopfbereich vorteilhafterweise entfernt ist bzw. wird. Dies erfolgt beispielsweise über Fleißvercrimpen/Elektrodenschweißen des Kopfendes mit einer Hülse. Die Litze insgesamt oder einzelne Stränge der Litze können gegeneinander verdrillt sein. Derlei Formlitzen sind z.B. in DE112015001994A5 bekannt geworden. In mit (hochfrequentem) Wechselstrom betriebenen Elektromotoren können sie vorteilhaft eingesetzt werden, um parasitäre Effekte wie Wirbelströme und Skin-Effekte zu reduzieren.
Die Wicklungsköpfe von E-Motoren werden sehr heiß. Um thermisches Versagen zu verhindern, werden diese daher oftmals gekühlt. Als Kühlmedium kommt ein dielektrisches Fluid zum Einsatz (in aller Regel ein Öl). Die Ölkühlung ist zumeist über eine„Kühlkappe“ realisiert, welche einen den Wickelkopf umgebenden Ringkanal ausbildet, in dem ein Kühlmedium strömt. Eine derartige Kühlung ist beispielsweise in der DE102017107165A1 dargestellt.
Auch bei zusammengesetzten Wicklungen - d.h. Segmentleitern, welche in Statornuten eingeschoben werden und anschließend mittel- oder unmittelbar miteinander verbunden werden, ist diese Art der Wickelkopfkühlung bekannt. Unmittelbar meint z.B. dabei das Aufeinanderzubiegen der Stableiter und direktes Verschweißen; mittelbar meint den Einsatz von Verschaltungsstegen, welche die Distanz zwischen zwei Stableitern überbrückt. Für ein Beispiel zu Verschaltungsstegen vgl. z.B. US4321497A; für ein Beispiel zum Zueinanderbiegen vgl. z.B. US2014070639A1.
Für eine effektive Kühlung ist es vorteilhaft, diejenigen Stellen zu kühlen, bei denen ein hoher Wärmeübergangskoeffizient erreicht werden kann. Dies sind besonders jene Stellen, an denen keine Isolation (Hauptisolation und bei einer Formlitze auch die Einzeldrahtisolation) den Wärmeübergang zwischen Kühlmedium und elektrischem Leiter hindert. Zugleich muss aber zwischen den einzelnen Leitern eine ausreichende elektrische Isolierung bzw. eine ausreichend lange Kriechstrecke zur Vermeidung von Kurzschlüssen und Überschlägen gewährleistet sein.
Aus diesem Grund sind a) gesamte Wickelköpfe vollständig mit Harz vergossen oder b) die Verbindungszonen einzeln mit Isolationsharz oder Isolationskappen überzogen. Beides ist nachteilig, weil es den thermischen Wärmeübergang behindert. Alternativ sind die Abstände zwischen den Kontaktierungsstellen so groß gewählt, dass eine separate Isolierung nicht mehr notwendig ist. Eine weitere Möglichkeit ist das Einlegen von Streifen von Isolationspapier. Analog sollten bei Verwendung von Verschaltungsstegen auch diese gegeneinander isoliert sein. Hierfür sind Verschaltungsstege z.B. von einem Isolationsharz überzogen, Isolationspapier eingelegt, oder isolierende Abstandshalter eingefügt.
Wenngleich die bereits bekannt gewordenen Kühlungen des Wickelkopfbereiches recht gute Ergebnisse erzielen, so besteht dennoch ein Bedarf an Verbesserung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt entsprechend darin, eine Formlitze vorzuschlagen, welche eine bessere Kühlung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Formlitze mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass mindestens ein Kopfende der Formlitze, die ein in Form gebrachtes Drahtpaket (Litze) zur Leitung elektrischen Stroms aufweist, vorzugsweise beide Kopfenden, einen elektrischen Kontaktierungsabschnitt und einen Wärmeaustauschabschnitt aufweist, kann eine wesentlich effektiverer Kühlung der Formlitze im Bereich der Kopfenden erzielt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Gegenstände bzw. Merkmale der verschiedenen Ansprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Drahtpaket und insbesondere die Drähte des Drahtpaketes mit einer elektrischen Isolation umgeben sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der elektrische Kontaktierungsabschnitt aus einer die mindestens zwei Drähte umgebenden Hülse, insbesondere Metallhülse, oder eine Verschweißung der mindestens zwei Drähte gebildet ist. Die beiden Möglichkeiten stellen produktionstechnisch vorteilhafte zur Herstellung des Kontaktierungsbereiches dar. Vorzugsweise sind die Drähte im Kontaktierungsabschnitt abisoliert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Wärmeaustauschabschnitt als Drahtbüschel ausgestaltet ist, insbesondere als Drahtbüschel, welches aus den Einzeldrähten der Formlitze gebildet ist. Unter Drahtbüschel ist ein aufgefächerter Abschnitt eines Drahtpakets bzw. einer Litze zu verstehen, bei welchem die Einzeldrähte des Drahtpakets nicht mehr streng geordnet und in umittelbarem Kontakt nebeneinander liegen. Ein Drahtbüschel lässt sich aus den in der Regel verdrillten Drähten der Formlitze relativ einfach hersteilen. Zudem können die Drähte des Drahtbüschels allseitig von einem Kühlmedium umspült werden, so dass eine große Wärmeaustauschfläche vorliegt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Drähte im Wärmeaustauschabschnitt vorzugsweise bereichsweise entdrillt und/oder aufgespleißt sind. Diese Maßnahmen dienen vornehmlich der Vergrößerung der bereitgestellten Wärmeaustauschfläche.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Drähte in dem Wärmeaustauschabschnitt nicht isoliert sind. Auch diese Maßnahme dient der Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen dem Draht bzw. den Drähten und dem jeweiligen Kühlmedium.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Wärmeaustauschabschnitt als Verlängerung der Formlitze über den Kontaktierungsbereich ausgebildet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Wärmeaustauschabschnitt in einer zur Lenkung und/oder Verwirbelung des Kühlmediums geeigneten Form ausgestaltet ist. Diese Fluidstromleitelemente können für eine zusätzliche Verwirbelung der Kühlströmung sorgen und damit den Wärmeübergang insgesamt erhöhen, da weniger quasistatische Grenzschichten ausgebildet werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen verbesserten Rotor und/oder Stator für einen Elektromotor vorzuschlagen, insbesondere einen Rotor und/oder Stator vorzuschlagen, welcher besser gekühlt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Rotor und/oder Stator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Formlitze können entsprechend für den Rotor und/oder Stator nutzbar gemacht werden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Gegenstände bzw. Merkmale der verschiedenen Ansprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Formlitzen über den Kontaktierungsabschnitt miteinander verbunden sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das die Verbindung der mindestens zwei Formlitzen mittels Verschweißung oder mittels Verschaltungsstegs elektrisch miteinander verbunden sind. Mittels Verschweißung meint insbesondere die unmittelbare Verschweißung zweier Kontaktierungsabschnitte zweier Formlitzen. Mittels Verschaltungssteg meint insbesondere die mittelbare Verbindung zweier Kontaktierungsabschnitte von Formlitzen über einen Verschaltungssteg. Die Kontaktierungsabschnitte von Formlitze und Verschaltungsstegen können verschweißt sein.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine verbesserte elektrische Maschine, insbesondere einen verbesserten Elektromotor, vorzuschlagen, insbesondere eine elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor, vorzuschlagen, welche besser gekühlt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Rotors und/oder Stators können entsprechend für die elektrische Maschine nutzbar gemacht werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Gegenstände bzw. Merkmale der verschiedenen Ansprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine mit einer Kühleinrichtung zur Kühlung der Wärmeaustauschabschnitte ausgestattet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kühleinrichtung zur Kühlung mittels eines Fluids, insbesondere eines Öls, beaufschlagt ist. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
Fig. 1 eine Formlitze gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine Darstellung eines Elektromotors mit einer Kühleinrichtung für die Wickelköpfe in einer Querschnittdarstellung (oberer Teil);
Fig. 3 ein Stator eines Elektromotors in einer Querschnittdarstellung;
Fig. 4 ein schematischer Herstellprozess einer erfindungsgemäßen Formlitze, sowie Ende einer erfindungsgemäßen Formlitze;
Fig. 5 ein schematischer Herstellprozess einer erfindungsgemäßen Formlitze, sowie Ende einer erfindungsgemäßen Formlitze;
Fig. 6 ein schematischer Herstellprozess einer erfindungsgemäßen Formlitze, sowie Ende einer erfindungsgemäßen Formlitze;
Fig. 7 ein schematischer Herstellprozess einer erfindungsgemäßen Formlitze, sowie Ende einer erfindungsgemäßen Formlitze;
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Verbindungsprozesses zwischen Formlitze und
Verschaltungssteg mittels Schweißen;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Formlitze bzgl. einer
Anströmung mittels Kühlmittel;
Fig. 10 ein erfindungsgemäßer Rotor mit mehreren Formlitzen, die über die
Kontaktierungsbereiche miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt, sind.
Eine erfindungsgemäße Formlitze F umfasst im Wesentlichen ein erstes Kopfende 1, sowie ein zweites Kopfende 2. Zwischen diesen Kopfenden 1, 2 ist ein Drahtpaket 3 angeordnet.
Das Drahtpaket 3 besteht aus einer Anzahl von Drähten 31, mindestens aber zwei Drähten, die in der Regel miteinander verdrillt sind und als Drahtpaket vorzugsweise von einer Hauptisolationsschicht 32 umgeben sind. Die Formlitze ist zudem kompaktiert und weist vorzugsweise eine rechteckförmige oder trapezförmige Querschnittsfläche auf. Die Drähte 31, vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, als solches können ebenfalls einzeln mit einer Isolation 311 ausgestattet sein, aber auch nicht isoliert bzw. teilweise, insbesondere an den Kopfenden, abisoliert sein.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens ein Kopfende 1 oder 2 der Formlitze, vorzugsweise beide Kopfenden 1 und 2, einen Kontaktierungsabschnitt 11 und einen Wärmeaustauschabschnitt 12 aufweist.
Im Bereich des Kontaktierungsabschnitts 11 sind die dort befindlichen Drahtabschnitte elektrisch und mechanisch untereinander verbunden, wobei dies mithilfe von Hülsen aus Metall oder auch Verschweißung der Einzeldrähte 31 in diesem Bereich erfolgen kann.
Der Wärmeaustauschabschnitt 12 ist vorzugsweise als Drahtbüschel ausgestaltet, insbesondere wird das Drahtbüschel aus den Einzeldrähten 31 der Formlitze gebildet, wobei die Einzeldrähte im Wärmeaustauschabschnitt vorzugsweise bereichsweise entdrillt und/oder aufgespleißt sind.
Die Einzeldrähte 31 sind in dem Wärmeaustauschabschnitt 12 vorzugsweise abisoliert, insbesondere nicht nur von der gemeinsamen Hauptisolation 32, sondern auch von der gegebenenfalls vorhandenen Einzeldrahtisolation 311. Die durch den Wärmeaustauschabschnitt 12 gebildete zusätzliche Kühloberfläche kann als Verlängerung der Formlitze F über den Kontaktierungsbereich 11 ausgebildet sein. Sie dient dann nicht der Stromführung, sondern besitzt primär die Funktion einer Wärmebrücke. Der Bereich kann in verschiedenen Querschnittsformen ausgebildet sein, insbesondere zur Lenkung und/oder Verwirbelung des Kühlmediums. Im Ergebnis wird hiermit eine im Vergleich zum Querschnitt der Formlitze vergrößerte Kühloberfläche, gebildet durch Einzeldrahtoberflächen, vorgeschlagen.
Der Wärmeaustauschabschnitt 12 kann, im Hinblick auf das Drahtpaket 3, zwischen Drahtpaket 3 und Kontaktierungsabschnitt 11 oder neben dem Kontaktierungsabschnitt 11, also endseitig der Formlitze angeordnet sein. Im ersten Fall ergibt sich eine Abfolge Drahtpaket 3, Wärmeaustauschabschnitt 12, Kontaktierungsabschnitt 11, während sich im zweiten Fall eine Abfolge Drahtpaket 3, Kontaktierungsabschnitt 11 und Wärmeaustauschabschnitt 12 in Längsrichtung der Formlitze ergibt. Der Wärmeaustauschabschnitt 12 und Kontaktierungsabschnitt 11 sind in der Regel voneinander separate Bereiche. Das Vorsehen eines Wärmeaustauschabschnitts 12 weist zahlreiche Vorteile auf.
So ist die Kühlwirkung durch die vergrößerte Kühloberfläche hoch. Dies kann an einem Rechenbeispiel verdeutlicht werden. Ein normaler Formlitzkopf erzeugt mit etwa 3*6*10mm=150mm2 Wärmeaustauschfläche. Bei 15 Drähten mit 1mm2 Durchmesser erzeugt ein erfindungsgemäßer Wärmeaustauschabschnitt 12 etwa (d*pi)*h = l*3, 14*10=314mm2 Wärmeaustauschfläche.
Der Wärmeaustauschabschnitt 12 bietet für ein durchströmendes Kühlmedium eine zusätzliche Aufprallfläche. Der Wärmeübergang kann damit lokal erhöht werden.
Der Wärmeaustauschabschnitt 12 kann Fluidstromleitelemente (nicht dargestellt) ausbilden, welche für eine zusätzliche Verwirbelung der Kühlströmung sorgen und damit den Wärmeübergang insgesamt erhöhen, da weniger quasistatische Grenzschichten ausgebildet werden.
Mindestens eine der oben beschriebenen Formlitze F kann in dem Stator S und/oder Rotor R einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors, verbaut sein. Als elektrische Maschine kommt ein Elektromotor und/oder elektrischer Generator, beispielsweise auch in einer Einheit, in Frage. Zur Erzielung einer größtmöglichen Wärmeaustauschfläche handelt es sich vorzugsweise bei jeder oder einer großen Anzahl der verwendeten Formlitze um erfindungsgemäße Formlitzen F mit den entsprechenden Wärmeaustauschabschnitten 12.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass mindestens zwei Formlitzen F über ihren Kontaktierungsabschnitt 11 mindestens elektrisch, vorzugsweise elektrisch und mechanisch, miteinander verbunden sind. Dies kann beispielsweise über eine Verschweißung 6 der Kontaktierungsbereiche 11, als auch über eine Verbindung der Kontaktierungsbereiche mittels Verschaltungssteg 5 erreicht werden. Auch die Verbindung von Verschaltungssteg und Formlitze kann als Verschweißung ausgeführt sein. Die Erfindung kann gleichermaßen für unmittelbare Verschaltungen wie auch mittelbare Verschaltungen mit Verschaltungsstegen Einsatz finden.
Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, insbesondere ein Elektromotor, wiederum umfasst einen erfindungsgemäßen Rotor R und/oder Stator S mit mindestens einer erfindungsgemäßen Formlitze F. Vorzugsweise ist eine derartige elektrische Maschine mit einer Kühleinrichtung 4 zur Kühlung der Wärmeaustauschabschnitte ausgestattet. Die Kühleinrichtung 4 kann beispielsweise eine Kühlkappe umfassen, welche um die Formlitzenenden, insbesondere aber die Wärmeaustauschabschnitte 12, angeordnet ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung 4 zur Kühlung mittels eines Fluids, insbesondere eines Öls, ausgestaltet ist. Hierzu kann eine Ölversorgung in die Kühlkappe eingebaut sein.
Zu den Figuren im Einzelnen:
In der Fig. 1 ist eine Formlitze gemäß dem Stand der Technik mit lediglich Kontaktierungsbereichen 11 in Form von Hülsen dargestellt. Zwischen den Kontaktierungsbereichen 11 ist das Drahtpaket 3 angeordnet. Im Querschnitt sind die einzelnen Drähte 31 zu erkennen.
In der Fig. 2 ist ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors, umfassend den Rotor R und Stator S dargestellt (oberer Teil) mit einer Achse X. Ferner sind die wesentlichen Elemente der Kühleinrichtung, insbesondere die Kühlkappe 4 und die Ölversorgung (ohne Bezugszeichen), erkennbar.
In der Fig. 3 ist der Stator S der elektrischen Maschine, insbesondere des Elektromotors, in einer Querschnittdarstellung abgebildet. Angedeutet sind die Flussrichtung eines Kühlmediums, beispielsweise Öl, sowie exemplarisch zwei Verschaltungsstege 5. Es sind zwei erfindungsgemäße Formlitzen F pro Nut vorgesehen.
In den Fig. 4 bis 7 sind verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Formlitze F bzw. deren Kopfenden 1 dargestellt. Ferner sind einzelne Herstellungsschritte schematisch angedeutet.
In der Fig. 4a ist beispielsweise ein Formlitzrohling mit isolierten Einzeldrahtenden 31 und 311, sowie dessen Hauptisolierung 32 dargestellt. In Fig. 4b ist der Wärmeaustauschabschnitt 12 und der Kontaktierungsabschnitt 11 in Form einer Hülse erkennbar. Die Hülse wird beispielsweise mittels Elektrodenschweißen aufgebracht. Der Wärmeaustauschabschnitt 12 wird beispielsweise als vorgehaltener Überstand ausgebildet. Das Aufspleißen wird beispielsweise automatisch beim Aufbringen bzw. Verpressen der Hülse vorgenommen. In der Fig. 5b ist ein möglicher Zwischenschritt bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Formlitze dargestellt, insbesondere das Abisolieren des Isolationslacks 311 von den Einzeldrähten 31 für einen besseren Wärmeübergang.
In der Fig. 6b ist eine dreiecksförmige Gestaltung des Wärmeaustauschabschnittendes dargestellt.
In den Fig. 7 ist ein Beispiel für einen endseitigen Kontaktierungsbereich und einen zwischen Drahtpaket 3 und Kontaktierungsbereich 11 angeordneten Wärmeaustauschabschnitt 12 dargestellt.
In der Fig. 7b ist ein partielles Abisolieren der Einzeldrähte 31 im Kopfbereich der Formlitze F dargestellt, wobei dies sowohl den Kontaktierungsabschnitt als auch den
Wärmeaustauschabschnitt betrifft. In der Fig. 7c ist das Schaffen eines Kontaktierungsabschnitts 11 durch Aufbringen einer Hülse am Ende der abisolierten Einzeldrähte 31 dargestellt.
Das Entdrillen, dargestellt in der Fig. 7d, führt zu einem Aufbauchen eines
Wärmeaustauschabschnitts 12 zwischen dem Drahtpaket 3 und dem Kontaktierungsbereich 11.
In der Fig. 8a ist ein Verschweißen einer Formlitze 3, insbesondere des Kontaktierungsbereiches 11, mit einem Verschaltungssteg 5 dargestellt. In der Fig. 8a ist ein beispielhafter Überstand des Wärmeaustauschabschnitts 12 dargestellt.
In der Fig. 9a bzw. 9b ist schematisch dargestellt, wie das Kühlmedium den Wärmeaustauschabschnitt 12 durchströmt. Dabei durchströmt das Kühlmedium das gesamte Drahtbüschel und nicht etwa nur eine Außenkontur.
In der Fig. 10 ist eine Abwicklung eines erfindungsgemäßen Stators S bzw. Statorblechpakets B abschnittsweise dargestellt, wobei die Formlitzen paarweise aufeinander zugebogen sind. Die Kontaktbereiche 11 der Formlitzen F sind unmittelbar miteinander verschweißt, weisen also eine Verschweißung 6 auf. Der Wickelkopf wird durch eine Kühlkappe umschlossen und von einem Öl durchströmt. Durch die als Überstand ausgebildeteten Wärmeaustauschabschnitte 12 kann der Wärmeübergang der sonst von einer Hauptisolation umgebenen Formlitzen F verbessert werden. Es gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben sind selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Folgende Bezugszeichen werden in den Abbildungen verwendet:
R Rotor
S Stator
B Blechpaket (Stator)
F Formlitze
X Achse
1 erstes Kopfende
2 zweites Kopfende
3 Drahtpaket
4 Kühleinrichtung (Kühlkappe)
5 Verschaltungssteg
6 Verschweißung
11 Kontaktierungsabschnitt (Hülse)
12 Wärmeaustauschabschnitt
31 Draht
32 Isolation (Hauptisolation)
311 Isolation (Drahtisolation)

Claims

Ansprüche
1. Formlitze (F), umfassend ein Drahtpaket (3) aus mindestens zwei Drähten (31) zur Leitung von elektrischem Strom, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kopfende der Formlitze einen elektrischen Kontaktierungsabschnitt (11) und einen Wärmeaustauschabschnitt (12) aufweist.
2. Formlitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtpaket (3) und insbesondere die Drähte (31) des Drahtpaketes mit einer elektrischen Isolation (32 bzw. 311) umgeben sind.
3. Formlitze nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktierungsabschnitt (11) aus einer die mindestens zwei Drähte (31) endseitig umgebenden Hülse, insbesondere Metallhülse, oder einer endseitigen Verschweißung der mindestens zwei Drähte (31) gebildet ist.
4. Formlitze nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauschabschnitt (12) als Drahtbüschel ausgestaltet ist, insbesondere als Drahtbüschel, welches aus den Drähten (31) der Formlitze (3) gebildet ist.
5. Formlitze nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte (31) im Wärmeaustauschabschnitt (12) vorzugsweise bereichsweise entdrillt und/oder aufgespleißt sind.
6. Formlitze nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte (31) in dem Wärmeaustauschabschnitt (12) nicht isoliert sind.
7. Formlitze nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauschabschnitt (12) als Verlängerung der Formlitze (3) über den Kontaktierungsbereich (11) ausgebildet ist.
8. Formlitze nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauschabschnitt (12) in einer zur Lenkung und/oder Verwirbelung eines Kühlmediums geeigneten Form ausgestaltet ist.
9. Stator (S) oder Rotor (R) einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors und/oder elektrischen Generators, gekennzeichnet dadurch, dass Rotor (R) bzw. Stator (S) mit mindestens einer Formlitze gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüchen ausgestattet ist.
10. Stator oder Rotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Formlitzen (F) über den Kontaktierungsabschnitt (11) miteinander verbunden sind.
11. Stator oder Rotor gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Formlitzen (F) mittels Verschweißung (5) oder mittels Verschaltungssteg (4) miteinander verbunden sind.
12. Elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor und/oder elektrischer Generator, umfassend einen Stator (S) und einen Rotor (R), gekennzeichnet durch einen Stator (S) und/oder Rotor (R) gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Elektrische Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor mit einer Kühleinrichtung (4) zur Kühlung des mindestens einen Wärmeaustauschabschnittes (12) ausgestattet ist.
14. Elektrische Maschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (4) mit einem Fluid, insbesondere einem Öl, beaufschlagt ist.
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