WO2004059818A1 - Elektrische maschine - Google Patents

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WO2004059818A1 PCT/EP2003/013967 EP0313967W WO2004059818A1 WO 2004059818 A1 WO2004059818 A1 WO 2004059818A1 EP 0313967 W EP0313967 W EP 0313967W WO 2004059818 A1 WO2004059818 A1 WO 2004059818A1
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Gerhard Dressel
Rudolf Senger
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/18—Windings for salient poles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/52—Fastening salient pole windings or connections thereto
    • H02K3/521—Fastening salient pole windings or connections thereto applicable to stators only
    • H02K3/522—Fastening salient pole windings or connections thereto applicable to stators only for generally annular cores with salient poles

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine with a stator and a rotor and a winding system which is at least on the stator and which at least partially has pole coils and a method for producing such an electrical machine.
  • Pole coils as an alternative to longed-for coils include the mechanical poles of the stator. These so-called pole coils are either wound directly on the mechanical poles or are wound on templates, which in turn are positioned on the poles.
  • US Pat. No. 3,339,097 discloses an electrical machine whose poles are equipped with templates which have pole coils constructed from round wire. The disadvantage of this is that these pole coils are constructed from round wire, so that there is a poor fill factor.
  • the invention is therefore based on the object of creating an electrical machine with pole coil windings which has increased fill factors compared to conventional pole coils and to specify a method for producing such a machine.
  • the task is solved in that the pole coils of the stator are wound from stranded conductors.
  • Stranded conductor consists of individual filaments, which can have different diameters and / or geometric cross-sectional shapes.
  • the stiffness or the flexibility can be influenced in a predeterminable manner by the choice of the cross sections of the individual filaments of the stranded conductor.
  • the individual filaments can also have artificially applied insulation layers.
  • the filaments can also be used bare within a stranded conductor, whereby thin insulation layers also form on bare filaments due to oxidation.
  • the winding space can be better used axially and tangentially compared to conventional winding processes.
  • the stranded wire with its filaments which are stranded together, gagged and, if necessary, pressed, can be deformed in almost any way.
  • the stranded wire therefore, has a rounded, square or generally polygonal cross section, and is advantageously provided with external insulation.
  • the outer insulation is preferably made of elastic material.
  • a pole coil can possibly also be constructed from several identical or different stranded conductors, which are twisted or laid in parallel.
  • the pole coils are preferably to be applied to electrically non-conductive coil bodies, which can be placed on the mechanical poles.
  • Another possibility is to wind individual poles separately before assembling the electrical machine and then to join the mechanical poles together in order to obtain the stand of an electrical machine.
  • a further possibility of producing an electrical machine is to provide the punched-packaged laminated core of the stator with individually wound poles, stranded conductors in particular being used as the electrical conductors.
  • the manual or mechanical deformability of the stranded conductor results in a comparatively good filling degrees.
  • the individual pole coils can be wound consecutively on several mechanical poles from a stranded conductor.
  • FIG. 1 shows a basic illustration of an electrical machine
  • FIG. 2 shows a cross section of a stator with its coils and the individual windings
  • FIG. 3 shows a section of such a stator with a tooth and the associated coil.
  • the stator 1 shows an electrical machine with a stator 1 and a rotor (not shown in more detail) in a housing 9.
  • the stator 1 as shown in principle, can be divided into segments 2, 2 'in the circumferential direction. An axial subdivision of the stand 1, not shown in more detail, is also possible.
  • the individual segments 2, 2 ' can be connected to one another in a material, positive or frictional manner.
  • Each segment 2, 2 'already has a pole coil in advance, in particular a stranded conductor.
  • the construction according to the invention of an electrical machine with pole coils made of stranded conductors can of course also be used in a case-less electrical machine (not shown in more detail).
  • 2 shows a segment 2 ', which together with further segments 2' results in the entire stand 1.
  • the stator 1 has teeth 4 in the radial direction, which are preferably comprised of coil bodies 3 and each have pole coils 5 made of stranded conductors.
  • the pole coils 5 are formed from round stranded conductors, which are shown without the filaments forming them for illustrative reasons. A comparatively better degree of filling is obtained from rectangular stranded conductors as shown in FIG. 3, which are inherently rectangular, or which are formed by a pressing process on the bobbin 3 or in the groove.
  • the stranded wire itself consists of individual filaments, which are advantageously choked or stranded.
  • the coil start 6 and the coil ends 7 are spatially separated from one another.
  • the outer layer at the coil start 6 has the lowest earth capacity, the inner layer at the coil end has the largest earth capacity.
  • the coil start 6 at the position with a lower earth capacity is electrically connected to a terminal of the electrical machine, that is to say with a converter or an electrical supply network, and the coil end 7 at the position with a high earth capacity is electrically conductively connected to the next pole coil 5 of this phase. This results in an extremely favorable voltage distribution for processes in the range up to a few MHz.
  • the stranded conductors can themselves be insulated or bare. If the insulated stranded conductors are used for the pole coils, no additional insulation between the sheet metal body of the stator 1 and the stranded conductors is necessary. If bare stranded conductors are used or only a small layer of insulation is applied over the strands or the individual filaments, insulation between the sheet metal body and the strand is necessary. The flexibility of the stranded conductors can be increased by using filaments of different diameters and / or cross-sections.
  • the filaments are optionally surrounded within their stranded conductor by an elastic filling compound, which is preferably designed to be conductive.

Abstract

Elektrische Maschine mit einem Ständer (1) und einem Läufer und einem zumindest auf dem Ständer (1) befindlichen Wicklungssystem aus Polspulen (5), wobei die Polspulen (5) aus Litzenleiter aufgebaut sind.

Description

Beschreibung
Elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem Läufer und einem zumindest auf dem Ständer befindlichen Wicklungssystem, das zumindest teilweise Polspulen aufweist und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen elektrischen Maschine.
Polspulen als Alternative zu gesehnten Spulen umfassen die mechanischen Pole des Ständers. Diese sogenannten Polspulen sind entweder direkt auf die mechanische Pole gewickelt, oder werden auf Schablonen gewickelt, die wiederum an den Polen positioniert werden.
So ist unter anderem aus US 3 339 097 eine elektrische Maschine bekannt, deren Pole mit Schablonen bestückt sind, die aus Runddraht aufgebaute Polspulen aufweisen. Nachteilig da- bei ist, ,dass diese Polspulen aus Runddraht aufgebaut sind, so dass ein schlechter Füllfaktor vorhanden ist.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine mit Polspulwicklungen zu schaffen, die gegen- über herkömmlichen Polspulen erhöhte Füllfaktoren aufweist und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Maschine anzugeben.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, dass die Polspulen des Ständers aus Litzenleitern gewickelt sind.
Litzenleiter besteht aus jeweils einzelnen Filamenten, die unterschiedliche Durchmesser und/oder geometrische Querschnittsformen aufweisen können. Durch die Wahl der Quer- schnitte der einzelnen Filamente des Litzenleiters lässt sich die Steifigkeit bzw. die Flexibilität in vorbestimmbarer Weise beeinflussen. Ebenso können die einzelnen Filamente künstlich aufgebrachte Isolationsschichten aufweisen. Die Filamente sind aber auch blank innerhalb eines Litzenleiter einsetzbar, wobei durch Oxidation sich auch auf blanken Filamenten dünne Isolations- schichten ausbilden.
Durch Verwendung von Litzenleitern kann der Wickelraum axial und tangential gegenüber herkömmlichen Wicklungsverfahren besser genutzt werden. Der Litzenleiter mit seinen Filamen- ten, die miteinander verseilt, verwürgt und gegebenenfalls verpresst sind, ist nahezu beliebig verformbar. Der Litzenleiter, weist damit einen rundlichen, viereckigen oder allgemein polygonalen Querschnitt auf, und ist vorteilhafterweise mit einer Außenisolierung versehen. Die Außenisolierung be- steht vorzugsweise aus elastischem Material.
Eine Polspule ist gegebenenfalls auch aus mehreren gleichen oder unterschiedlichen Litzenleitern aufbaubar, die verdrillt oder parallel verlegt sind.
Um eine Isolation insbesondere der nicht isolierten Litzenleiter gegenüber dem Blechkörper des Ständers zu erhalten, sind die Polspulen vorzugsweise auf elektrisch nicht leitende Spulenkörper aufzubringen, die auf die mechanischen Pole auf- setzbar sind.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einzelne Pole vor Montage der elektrischen Maschine separat zu bewickeln und anschließend die mechanischen Pole zusammenzufügen um so den Ständer einer elektrischen Maschine zu erhalten.
Eine weitere Möglichkeit eine elektrische Maschine herzustellen besteht darin, das stanzpaketierte Blechpaket des Ständers mit einzelnen umwickelten Polen zu versehen wird, wobei als elektrische Leiter insbesondere Litzenleiter verwendet werden. Durch die manuelle oder maschinelle Verformbarkeit der Litzenleiter ergibt sich ein vergleichsweise guter Füll- grad. Innerhalb einer Phase sind die einzelnen Polspulen zusammenhängend hintereinander auf mehrere mechanische Polen aus einem Litzenleiter wickelbar. Insbesondere ist es vorteilhaft, Spulenanfang und -ende jeder Polspule räumlich von- einander zu trennen, so dass ihre jeweilige Lage unterschiedliche Erdkapazitäten aufweisen und die Lage mit der jeweils geringsten Erdkapazität einer Polspule an der jeweiligen Eingangsspannung liegt.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 prinzipielle Darstellung einer elektrischen Maschine, FIG 2 einen Querschnitt eines Ständers mit seinen Spulen und den einzelnen Windungen, FIG 3 einen Ausschnitt eines derartigen Ständers mit einem Zahn und der dazugehörigen Spule.
FIG 1 zeigt eine elektrische Maschine mit einem Ständer 1 und einem nicht näher dargestellten Rotor in einem Gehäuse 9. Der Ständer 1 ist wie prinzipiell dargestellt in Umfangsrichtung in Segmente 2, 2' unterteilbar. Eine nicht näher dargestellte axiale Unterteilung des Ständers 1 ist ebenfalls möglich. Die einzelnen Segmente 2, 2' sind stoff-, form- oder reibschlüssig miteinander verbindbar. Jedes Segment 2, 2' weist bereits vorab eine Polspule auf, insbesondere einen Litzenleiter. Beim Zusammenbau der elektrischen Maschine sind lediglich die Segmente 2, 2' mechanisch und gegebenenfalls elektrisch zu verbinden.
Der erfindungsgemäße Aufbau einer elektrischen Maschine mit Polspulen aus Litzenleitern ist selbstverständlich auch bei einer nicht näher dargestellten gehäuselosen elektrischen Maschine anwendbar. FIG 2 zeigt ein Segment 2', das mit weiteren Segmenten 2' zusammengesetzt den gesamten Ständer 1 ergibt. Der Ständer 1 weist in radialer Richtung Zähne 4 auf, die vorzugsweise von Spulenkörpern 3 umfasst sind und die jeweils Polspulen 5 aus Litzenleitern aufweisen. Dabei sind die Polspulen 5 aus runden Litzenleitern gebildet, die aus darstellerischen Gründen ohne die sie bildenden Filamenten dargestellt sind. Einen vergleichsweise besseren Füllgrad erhält man aus rechteckför- igen Litzenleiter wie in FIG 3 dargestellt, die von Hause aus rechteckförmig sind, oder die durch einen Pressvorgang auf dem Spulenkörper 3 oder in der Nut gebildet werden.
Die Litzenleiter selbst besteht aus einzelnen Filamenten, die vorteilhafterweise verwürgt oder verseilt sind. Die Spulenan- fange 6 und die Spulenenden 7 sind räumlich voneinander getrennt. Die äußere Lage am Spulenanfang 6 hat die geringste Erdkapazität, die innere Lage am Spulenende hat die größte Erdkapazität. Der Spulenanfang 6 an der Lage mit geringerer Erdkapazität wird mit einer Klemme der elektrische Maschine, also mit einem Umrichter oder einem elektrischen Versorgungsnetz elektrisch verbunden und das Spulenende 7 an der Lage mit hoher Erdkapazität wird mit der nächsten Polspule 5 dieser Phase elektrisch leitend verbunden. Dadurch ergibt sich eine äußerst günstige Spannungsverteilung bei Vorgängen im Bereich bis zu einigen MHz.
Die Litzenleiter können selbst isoliert oder blank ausgeführt sein. Falls die isolierten Litzenleiter für die Polspulen verwendet werden ist keine zusätzliche Isolation zwischen Blechkörper des Ständers 1 und den Litzenleitern notwendig. Falls blanke Litzenleiter verwendet werden oder nur eine geringe Isolationsschicht über die Litzen bzw. die einzelnen Filamente aufgebracht ist, sind Isolierungen zwischen Blechkörper und Litze notwendig. Eine Steigerung der Flexibilität der Litzenleiter lässt sich durch Verwendung von Filamenten unterschiedlichen Durchmessers und/oder Querschnitts erreichen.
Die Filamente sind gegebenenfalls innerhalb ihres Litzenleiters von einer elastischen Füllmasse umgeben, die vorzugsweise leitfähig ausgebildet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine mit einem Ständer (1) und einem Läufer und einem zumindest auf dem Ständer (1) befindlichen Wicklungssystem, das zumindest teilweise Polspulen (5) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Polspulen (5) aus Litzenleiter aufgebaut sind.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Polspulen auf Spulenkörper (3) gewickelt werden.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Polspulen (5) einer Phase zusammenhängend aus einem Litzenleiter oder mehreren parallelen Litzenleitern wickelbar sind.
4. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1 durch folgende Schritte: - Stanzpaketieren zumindest des Ständers (1),
- Umwickeln der einzelnen mechanischen Pole des Ständers (1) mit Litzenleitern, derart, dass ein kontinuierliches Wickeln der Polspulen (5) möglich ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass vor dem Wickeln die Spulenkörper (3) auf die mechanischen Pole gesteckt werden.
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