WO2018086983A1 - Elektrische spulenanordnung aus litzenleitersegmenten - Google Patents

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WO2018086983A1
WO2018086983A1 PCT/EP2017/078076 EP2017078076W WO2018086983A1 WO 2018086983 A1 WO2018086983 A1 WO 2018086983A1 EP 2017078076 W EP2017078076 W EP 2017078076W WO 2018086983 A1 WO2018086983 A1 WO 2018086983A1
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WO
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conductor
individual
coil
coil arrangement
coil assembly
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PCT/EP2017/078076
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English (en)
French (fr)
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Mykhaylo Filipenko
Michael Frank
Thomas Gleixner
Jörn GRUNDMANN
Mercedes Herranz Gracia
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/47—Air-gap windings, i.e. iron-free windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/04—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing coils
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    • H02K2203/15—Machines characterised by cable windings, e.g. high-voltage cables, ribbon cables

Definitions

  • the present invention relates to said at least one conductor turn with two conductor branches, wherein the individual circuit branches are formed as Lit ⁇ zenleiter with a plurality of electrically conductive individual wires, an electrical Spulenan ⁇ order. Furthermore, the invention relates to an electrical machine with such a coil arrangement and a method for producing such an electrical coil arrangement.
  • wound coil arrangements are used in electrical machines for generating electromagnetic fields and / or for inducing electric currents through such fields.
  • find ge ⁇ wrapped coil assemblies use as stator windings or as rotor windings in such an electric ma- chines.
  • stranded conductors are usually used for such coil arrangements, at least in AC machines.
  • These stranded conductors each have a multiplicity of electrically conductive individual wires, which are usually insulated from one another by reducing the electrical losses by encasing them with an insulating material.
  • stranded wires are often initially pressed and then molded with a filler.
  • a disadvantage of a coil assembly with the described stranded conductors that they are typically relatively difficult to shape after the herstel ⁇ lung.
  • Forming at a very high filling factor is therefore generally difficult, making molding of already casted stranded conductors virtually impossible. Potting can therefore only take place after the stranded conductor is already in the desired shape.
  • stator windings are often designed as so-called air gap windings ⁇ .
  • air gap windings are thus not embedded in grooves of an iron core or other weichmag ⁇ genetic material, but it is arranged in the air gap region of the machine.
  • air gap windings are primarily used when the generated magnetic fields are so strong that, in a conventionally constructed machine, they lead to a saturation of the soft magnetic field.
  • stator windings designed as air gap windings are saved.
  • this also entails the disadvantage that there is little space available for the arrangement of winding heads in the axial end regions of such a coil arrangement.
  • distributed winding as often occurs in a coil arrangement in such a stator to bear, it is then particularly important to connect the arranged at different circumferential positions winding sections by possible space-saving Wick ⁇ ment heads together.
  • such coil arrangements are made by winding an expanded one
  • Winding arrangement the removal of heat from the conductor turns is difficult.
  • good thermal coupling to adesys ⁇ system, in particular to a fluid coolant such a cooling system is needed.
  • the space required for additional coolant channels is the all ⁇ common objective of a high filling factor of the conductive Materi- as opposed to a simultaneous geometrical stability.
  • the object of the invention is therefore to provide an electrical coil arrangement of the type mentioned, which avoids the disadvantages described above.
  • a coil arrangement is to be given with a stranded conductor, which is very compact overall and at the same time achieves a high filling factor of electrical conductor material, especially in the electrically active region.
  • the thermal connection to a cooling system should be facilitated.
  • a further object is to provide an electrical machine with such a coil arrangement and also to specify a production method for such a coil arrangement.
  • the electrical coil assembly according to the invention we ⁇ iquess comprises a conductor turn with at least two circuit branches.
  • the first conductor branch is designed as a forward conductor with respect to a predetermined current flow direction
  • the second conductor branch is designed as a return conductor with respect to this current flow direction.
  • the individual conductors are placed in branches respectively as pressed and having a gehär ⁇ ended filler in a stable form stranded conductors each having a plurality of electrically conductive individual wires formed.
  • the individual conductor branches are each formed as separate, prefabricated conductor segments, which are each subsequently connected in at least one end region in an electrically conductive manner with another associated conductor branch.
  • the two conductor branches belonging to the same conductor winding are in their end regions electrically connected to each other so that an electric current can flow through the loop-like conductor winding as a whole.
  • correspondingly most of the conductor branches are connected in their two end regions to adjacent conductor branches, so that a more complex coil arrangement arises.
  • the "associated conductor branch" with which a given conductor branch is electrically connected should be understood to mean either the other conductor branch of the same winding or the next conductor branch of the adjacent winding
  • “forward conductor” and “return conductor” are always electrically connected to one another alternately
  • the terms “forward conductor” and “return conductor” are to be understood not with respect to an absolute current flow direction, but only relative to one another, since when operating the coil assembly with alternating current, the absolute current flow direction is constantly changing.
  • Each conductor winding of the described coil arrangement here comprises at least two conductor branches, in order to enable a loop-like current flow over the respective turn.
  • a coil can also have more than two such optional conductor branches, especially one with each moving ⁇ che number of Hinleitern and return conductors, which are each bundles electrically connected in parallel.
  • Such an embodiment may be advantageous, for example, to embed cooling channels between the individual parallel-connected conductor branches of a bundle.
  • the individual conductor branches are generally designed as stranded conductors, which are in each case so stiff by the compression of the strand and the introduction and curing of the filler that very small bending radii can be achieved only with difficulty by simple winding. Therefore, in the case of According to the invention coil arrangement such low bending radii of the stranded conductor avoided in principle by the adjacent conductor branches are not formed from the same conductor piece, but from separate prefabricated conductor segments and only subsequently contacted.
  • subsequent contacting is to be understood in the present context to mean that the electrically conductive connection to the at least one other associated conductor branch is created only after the compression and hardening of the filler of the respective conductor segment attaching instead of the electrical contacts through which the parent coil geometry is formed. also the positioning of the individual conductor segments with each other to form the Wicklungsanord- drying, is carried out here before the formation of the electrical contacts.
  • This sequence described Pro ⁇ zessados is in the finished coil assembly insbesonde ⁇ re it can be seen that by the rigidity of the single ⁇ nen conductor segments after forming the electrical contact contacts no fundamental change in the geometry of the Wick ⁇ development arrangement is possible.
  • An essential advantage of the coil arrangement described is that a reversal point (ie a sharp bend) can be introduced into the winding by the subsequent electrical contacting of the prefabricated, hardened conductor segments in the region of the contact points, whose extremely low bending radius by bending the hardened filler in Form brought stranded conductor can not be achieved without destroying it or at least damaging it.
  • a very compact Spulenanord ⁇ tion can be created at the same time high dimensional stability.
  • the "hardened filler" of the stranded conductor may, for example, be understood to mean a casting compound with which the pressed stranded conductors are brought into a stable form by casting and subsequent hardening
  • the filler may also be understood as a baked enamel the, which is applied as a second lacquer layer on a single conductor surrounding insulating varnish and melts at elevated temperature and cured again after cooling.
  • the insulating varnish advantageously does not melt, so that then forms a matrix of baked enamel between the individual, still surrounded with insulating single conductors. It may also be a subsequently applied and then cured impregnating agent.
  • the electric machine according to the invention has at least one coil arrangement according to the invention.
  • You can beneficial ⁇ way include a plurality of such coil arrangements.
  • the advantages can be seen analogously to the advantages of the coil arrangement according to the invention described above.
  • the advantages of the manufacturing method according to the invention are that it enables the manufacture of the coil arrangement according to the invention in a particularly simple manner, without damaging the lead conductor.
  • the inventive method for producing a coil arrangement according to the invention comprises the following steps:
  • the coil assembly may include a plurality of conductor windings arranged in the manner of a distributed winding about a central axis of the coil assembly.
  • the coil arrangement can in particular also have a plurality of individual coils (partial coils) which are distributed over the circumference of the coil arrangement. These individual coils can in turn each have either only one or several turns.
  • the coil arrangement can therefore have a total of a cylinder-like structure, over the circumference of the individual windings (and possibly also the individual sub-coils) can be distributed.
  • the central axis of this arrangement (in this case, the cylinder axis) can then correspond in particular to the predetermined current flow direction mentioned above, with respect to which the "forward conductor" and "return conductor” form two opposite branches.
  • the ⁇ se conductor and return conductor need not necessarily be aligned along this axis. They only need to differ with respect to the directional component of their current flow direction along this axis.
  • the individual conductor windings of the coil arrangement - which may possibly also belong to separate individual coils - are advantageously distributed in at least two layers over the circumference of the coil arrangement. These layers differ in particular by their radial distance from the central axis of the coil arrangement.
  • a two-layer Spulenanord ⁇ tion in particular a pad and a top layer of conductor branches have.
  • a conductor branch of the base and a conductor branch of the top layer together can result in a complete turn.
  • the individual layers of the coil arrangement can each have a substantially cross-section have circular basic shape. However, this is not necessary raw ⁇ dingt - in non-circular basic shapes of the shortest distance of a layer of conductor branches of the central axis is to be understood len then the radial distance in a corresponding manner.
  • a significant advantage of a two or more layered arrangement of the conductor branches is that a plurality of coil turns can be produced without the conductor branches having to intersect within a layer for this purpose. Instead of this, the present ⁇ in a distributed winding crossover points between the conductor branches distributed over the different layers. By avoiding crossovers within the individual layers, a simpler and thus more densely packed coil arrangement can be made available. This is particularly advantageous for machines with high power density.
  • the individual prefabricated conductor segments can have a substantially uniform conductor cross-section with a substantially rectangular basic shape of the cross-sectional area.
  • the conductor segments can each have the basic shape of a rectangular wire or a flat band which, however, does not have to be completely planar overall, but can be brought into a more complex three-dimensional shape by shaping and hardening the filler. This more complex mold can then comprise only play planar portions at ⁇ .
  • a flat basic shape of the conductor segments is generally particular ⁇ It benefits in order to stack a plurality of such segments platzspa ⁇ rend within a parent coil array with high packing density. Again, this is beneficial ⁇ way to provide a machine with a compact design and correspondingly high power density.
  • the individual prefabricated conductor segments can each be based on a planar basic structure that can be divided by several Kink is shaped into a trough-shaped profile.
  • a sol ⁇ che shape of the conductor segments may be advantageous in order to represent a coil assembly with straight - especially in the axial direction - conductor sections and on both sides adjacent arranged oblique winding sections to bridge the present in the circumferential direction distances.
  • Such a form of winding is also referred to in the art as a "straight-with-end-turns" winding (eg in the article "Air-core armature shape: A comparison of helical and straight -with-end-turns windings" by James L.
  • the trough profile described can advantageously be produced by buckling a flat pressed stranded conductor, wherein, for example, either two or four such kinks can be introduced to produce a trough-shaped profile from the planar conductor:
  • two kinks can be made at the junctions between the central, straight conductor section and the adjacent inclined conductor sections.
  • the two optional additional kinks can further adjoin the outside of these respective oblique conductor sections and in each case transfer these into an end region which is provided for contacting with the next conductor segment or with an external circuit.
  • the coil arrangement can also be configured as an inclined winding (helical winding).
  • helical winding helical winding
  • the shaping takes place to form a three-dimensional structure after the pressing of the planar stranded conductor, but before hardening of the Grep ⁇ means .
  • the Litzenlei ⁇ ter is protected from a subsequent deformation of the desired structure.
  • a maintaining of the thus formed dreidimensiona ⁇ len structure may be effected by the curing of the filler.
  • the coil arrangement has a multiplicity of conductor segments which are of identical shape and have the same dimensions.
  • all conductor segments of a given Stromzier ⁇ direction ie, all Hinleiter and / or all return conductors
  • the conductor segments of different current flow directions and / or different layers can be the same shape and / or the same dimensions.
  • An essential advantage of the embodiment mentioned is that the production is considerably simplified by using identical parts.
  • a further advantage is that due to the high dimensional accuracy of the described conductor segments , there is also good stackability with a correspondingly high packing density.
  • the stranded conductors of the Spulenanord ⁇ voltage are configured so that the conductive element wires therein have a packing density of at least 70%, in particular less ⁇ least 75%.
  • density is above ⁇ geous to provide an electric machine with very high power density.
  • stranded conductors with such high packing densities can generally no longer be bent with low bending radii without damaging the stranded conductor. Such a damage For example, by fanning the individual wires of the strand in the region of the bend can be expressed.
  • a "small bending radius” should be understood to mean a bending radius which is less than three times the thickness of the strand (in the radial direction).
  • the conductive wires of the stranded conductor are single insbeson ⁇ particular from a normal conducting material - particularly advantageous ⁇ way of copper or a copper-containing material formed. This is particularly advantageous in order to achieve high conductivity, and in particular a ⁇ ho he current carrying capacity without a complicated cooling ⁇ device. In principle, but also a superconducting configuration of the individual wires possible.
  • the individual stranded conductors - ie the individual prefabricated conductor segments - advantageously each have a cross-sectional area of at least 50 mm 2, based on the sum of the individual conductive individual wires.
  • cross-sectional area which is the combined cross-sectional areas of all ⁇ individual wires to be understood within a prefabricated conductor segment.
  • Such a high conductor cross-section again is expedient to provide an electrical ⁇ cal machine within the advantageous ranges for Leis ⁇ processing and / or power density.
  • the Medmit ⁇ tel used for the shaping of the stranded conductor advantageously has a thermal conductivity of tendonss we ⁇ 0.5 W / (m * K), in particular even at least 1
  • Such a high thermal conductivity of the filler advantageously causes a high thermal Leitfä ⁇ total ability of the prefabricated conductor segment.
  • This total thermal conductivity can be in particular at least 3 W / (m * K) or even above 4 W / (m * K).
  • a strong compression can even with a conventional filler having a thermal conductivity in the range of about 0.2 W / (m * K) an entire thermal conduction Litz wire conductivity of 3 W / (m * K) or more can be achieved.
  • Coolant may flow around the coil assembly and / or flow in coolant channels embedded therein.
  • the filler may contain, for example, a polymer, in particular ⁇ sondere a silicone or epoxy resin.
  • a filler having an even higher thermal conductivity may additionally be embedded in such a polymer.
  • the individual wires of the stranded conductors can be enveloped by an insulating material over a predominant part of their longitudinal extent.
  • an insulating material may in turn comprise, for example, a polymer (in particular a polymer lacquer) or else an electrically insulating oxide.
  • this insulating material advantageously has a relatively high thermal conductivity, which may be in particular in the same range as the above-mentioned thermal conductivity of the filling ⁇ means.
  • the individual wires are such enfold of an insulating material, it is advantageous if this insulating material is removed from the end portions to be contacted with the vorgefer ⁇ saturated conductor segments.
  • Such Removal of fillers and / or insulation material may be effected for example by chemical or mechanical Nachbehand ⁇ development of the conductor segment.
  • This after-treatment can be carried out in particular after the pressing of the stranded conductor and before the positioning of the conductor segment in the coil arrangement and before the step of electrical contacting. It can be done either before or after the curing of the filler.
  • the mutually associated conductor branches can be connected to one another in their end regions by means of welding and / or solder joints.
  • the individual wires may have been exposed before the contacting step, as described in the previous paragraph.
  • Laser welding, laser soldering, resistance welding and / or resistance soldering are particularly suitable as contacting methods.
  • the individual conductor segments of the coil assembly can be advanced in part by way of which each have a flat base structure with two ⁇ against opposing major surfaces.
  • a plurality of spacers may be arranged on at least one of these main surfaces in at least one part of the conductor segments.
  • a coolant channel between adjacent conductor segments is kept free when stacking a plurality of such conductor segments.
  • This embodiment makes it possible to provide coolant channels with rela ⁇ tively small intervals within the coil assembly, without causing the fill factor of the conductive elements is too limited. This is made possible by the fact that the dimensionally stable prefabricated conductor segments in conjunction with relatively small-sized spacers allow a precise definition of coolant channels with a small cross-section.
  • the height of the spacers are between 0.5 mm and 5 mm.
  • the spacers can also be made of the material of the filler. forms, which allows a simple production of such structures by means of a casting mold. Alternatively, however, they may also have been arranged as additional elements on the surface of the conductor segment.
  • coolant channels between the conductor segments can also be embedded within the individual conductor segments. This can be made possible, for example, by inserting thin tubes between the individual wires of the stranded conductor to be cast.
  • the coil arrangement configured according to the invention may be the stator winding of the machine or form part of it.
  • such a machine may have a superconducting rotor winding which interacts electrically with the stator winding according to the invention.
  • the coil arrangement designed according to the invention is the rotor winding of the electrical machine, or that the rotor winding and stator winding are both designed in accordance with the principle of the present invention.
  • the inventively designed coil assembly of elec ⁇ cal machine can be designed in particular as an air gap winding. Again, this is particularly advantageous for achieving a high power density.
  • the electrical machine is advantageous for a nominal Leis ⁇ processing of at least 2 MW, designed in particular even at least 5 MW. Alternatively or additionally, it may advantageously have a power density of at least 10 kW / kg, in particular even at least 20 kW / kg.
  • a high power density is particularly relevant for generators or engines in vehicles, which must be moved when driving such a vehicle with be ⁇ .
  • Especially critical is the lack of density of electrical machines in aircraft. Regardless of the exact application and embodiment of the machine, this can generally be operated either as a motor and / or as a generator. Particularly advantageous, the machine can be designed as a synchronous machine.
  • the coil arrangement may, in particular in the embodiment as a stator winding, be a three-phase winding or a winding with a strand number n, where n is a multiple of three.
  • the electric machine is advantageous designed as an electric AC machine with a magnetic pole number p ⁇ staltet.
  • the magnetic pole number p of the electric machine can advantageously be between 2 and 12, in particular between 6 and 12 and particularly advantageously at exactly 8.
  • Such a configuration is particularly advantageous in order to achieve a high power density.
  • the preferred range can be set from the fact that on the one hand with an increasing number of poles, the radial air gap field and thus the induced voltage clamping ⁇ decreases, but that on the other hand increases with increasing number of poles, the electrical frequency at the same speed.
  • the second effect increases the induced voltage, so that IMP EXP ⁇ together in typical geometries results in an optimum for the performance within the ranges mentioned.
  • there are other effects for example, that at small Polzah ⁇ len a larger yoke thickness must be selected, which in turn affects the weight. Such factors also determine the preferred number of poles for optimum power density.
  • the method can advantageously in the production of the individual conductor segments and before their positioning within the coil assembly, the isolation of the individual conductors and / or the surrounding filler in one or more
  • Figure 1 is a schematic longitudinal section of an electrical
  • Figure 2 shows a schematic perspective view of an SPU ⁇ lena order according to a second embodiment
  • FIG. 3 shows a section of a coil arrangement according to the prior art
  • Figure 4 shows a schematic representation of a coil arrangement according to a third embodiment
  • Figure 5 is a schematic representation of a prefabricated
  • FIG. 6 shows a schematic detail view of an end region of a prefabricated conductor segment
  • Figure 7 is a schematic representation of a cylindrical
  • Coil arrangement with a plurality of individual coils shows,
  • Figure 8 is a schematic representation of a cylindrical
  • Figure 9 shows a single coil of the coil assembly of Figure 8.
  • the electrical machine 1 shows an electrical machine 1 according to a first embodiment of the invention is shown in a schematic longitudinal section.
  • the electrical machine 1 comprises a Ro ⁇ gate 7 and a stator 3.
  • the rotor 7 is by means of a ro Torwelle 9 rotatably mounted about a rotation axis A.
  • the rotor shaft 9 is supported via the bearing 10 against the housing Maschinenge ⁇ .
  • 11 Shown is a longitudinal section along the axis of rotation A, which is also the central machine axis.
  • the electric machine can basically be a motor or a generator or even a machine that can be operated in both modes.
  • the stator 3 has a stator winding 4 with a plurality of conductor turns wi.
  • This stator winding 4 may, for example, be in the form of a straight winding with straight end turns or else as a helical winding, as will become clearer in connection with the more detailed embodiments,
  • each of the individual conductor windings wi has at least two conductor branches on, one of which is formed with respect to the centra ⁇ len axis a as a go conductor and the other as a return conductor
  • the conductor branches of the individual conductor turns wi are distributed over two cylindrical outer surfaces, also called in connection with the present invention.
  • Winding layers are called. It is here to a base 4a in the region of an inner cylindrical lateral surface 20a and a top layer 4b in the region of an outer cylinder jacket surface 20b, with these two layers boxes into each other charged and concentrically about the central axis A angeord ⁇ net are.
  • associated conductor branches of the upper layer 4b and of the base 4a are connected to one another in an electrically conductive manner, so that a higher-order stator winding 4 results.
  • the upper layer 4b and the base 4a are electrically insulated from one another by a layer insulation 15. Alternatively or additionally, such an insulation of the two conductor layers can also be achieved by an insulating sheathing of each individual conductor branch.
  • stator winding 4 which are axially further in the subarea 1 occur during operation of the electric machine 1 in electromagnetic interaction a field of the rotor. This interaction takes place via an air gap 6 which lies radially between rotor 7 and stator 3.
  • the stator winding 4 is carried in the example shown by an amagnetically formed stator 5, so it is here an air gap winding without iron teeth between the turns of the winding.
  • the electric machine of FIG. 1 has a superconducting field winding 8 in the rotor 7.
  • the rotor 7 can be cooled in operation to a cryogenic temperature, the un ⁇ terrenz the critical temperature of the superconductor used is.
  • This operating temperature may ⁇ example, be in the range of approximately 20 K to 77 K.
  • the cooling can be achieved with a cooling system not shown in detail in the figure.
  • the cryogenic components should also be thermally insulated against the warm environment.
  • stator winding 4 in the electrical machine 1 of FIG. 1 from coil arrangements according to the present invention will be explained in more detail in connection with the following figures.
  • FIG. 2 shows a schematic perspective view of a single coil 21i, as may be used, for example, as part of a coil arrangement in the stator winding 4 of the electric machine of FIG.
  • the coil arrangements used will usefully have a multiplicity of such individual coils 21i, which are then distributed over the entire circumference of the stator winding, for example in the manner of a distributed winding.
  • a coil arrangement designed according to the invention comprises only a single such coil 21i.
  • the Darge in Figure 2 ⁇ presented single coil 21i has two conductor turns which are referred to herein as wl and w2.
  • Each of these two conductor windings w1 and w2 again has two individual conductor branches, one of which is in each case embodied as a forward conductor 23a and the other as a return conductor 23b.
  • the predetermined current flow direction 25 which is the same for the electric machine with the direction of the central axis A, thus differing in the relative current flows in the Hinleitern 23 a and the return conductors 23 b.
  • all four illustrated conductor branches 23a and 23b of the two windings w1 and w2 are formed as prefabricated conductor segments 27 which are each in the form of pressed stranded conductors and subsequently brought into a stable shape by casting with a filler. Since the conductor branches 23a and 23b to be electrically connected to one another in the axial end regions 17 belong to different winding layers, the radial distance r must be overcome here. In order to achieve such electrical contacting with little space, the individual conductor segments 27 are connected by subsequently introduced contact points 29 with each other. These electrical contacts 29 can be obtained, for example, by welding or soldering the prepositioned prefabricated conductor segments 27.
  • these contact points can therefore be, for example, welded or soldered joints, in which the conductor branches assigned to one another within the coil 21i are electrically connected to one another via their contact surfaces.
  • these contact surfaces thus a comparatively large-area electrical contact between the individual prefabricated stranded conductors 27 is produced, wherein in each case a plurality of individual wires of a conductor are brought into electrical contact with a plurality of individual wires of the other conductor.
  • the prefabricated conductor segments 27 are expediently freed of insulating material between the individual wires and of fillers before they are contacted in their end regions 17 or kept free from these materials from the outset.
  • the prefabricated conductor segments 27 in the coil 21i of FIG. 2 each have a trough-shaped longitudinal profile, wherein an axially extending inner conductor section 31a is flanked in each case by 2 inclined outer conductor sections 31b.
  • the axial length of the inner conductor sections 31a defines the axial length of the substantially electrically active region of the corresponding electrical machine.
  • the described casting of the prefabricated conductor segments 27 with a filler and the subsequent hardening of this filler make it possible to perform these conductor segments 27 very dimensionally stable and dimensionally stable.
  • the described subsequent contacting makes it possible, despite the low mobility of these prefabricated conductor segments, to bridge the radia ⁇ len distance r between the two illustrated winding layers with a small space requirement for the winding head. Since no one-piece conductor has to be bent herein, the winding head consists of only the end regions 17 of the circuit branches and arranged in between each contact ⁇ 29. The space required for this is much lower than would be zenleiters possible during the bending of a unitary, relatively stiff stranded wire ,
  • FIG. 3 shows for comparison a section of a similar conventional coil 21i of two turns w1 and w2.
  • conventional coil 21i was produced by winding a one-piece stranded conductor 28.
  • axial end regions 17 bridging the radial distance r between the two positions shown by a bending of this gene stranded conductor with a very tight bend radius is he ⁇ ranges.
  • This bending radius is substantially smaller than the width and even smaller than the thickness of the used liter ⁇ zenleiters 28.
  • This disadvantage is advantageously avoided in the embodiment according to the invention of the coil 21i according to FIG. It is not only achieved a stable electrical connection between the conductor branches in a confined space, but it is achieved by using the cured filler at the same time a high dimensional stability of the individual conductor branches.
  • a further advantage of the embodiment according to the invention can also be seen in FIG. 2: by casting the prefabricated conductor segments 27 with a filler, spacers in the region of the surfaces of the conductor segments 27 can be provided in a simple manner.
  • Such Abstandshal ⁇ ter enable well-defined with relatively little space cooling channels 35 between the adjacent Lei ⁇ terwindungen wl and w2 to be kept free. In such cooling channels 35, a fluid coolant flow, whereby an ef ⁇ efficient cooling of the individual conductor branches during operation of the electrical machine can be ensured.
  • FIG 4 shows a section of another coil 21i, which serves as the basis of a coil arrangement according to a further embodiment of the invention.
  • the SPU ⁇ lena order can therefore either 21i comprise only one or a plurality of individual coils OF SUCH.
  • the coil 21i illustrated here is constructed substantially similarly to the embodiment shown in Figure 2 In the game ⁇ coil 21i.
  • the coil 21i comprises two conductor branches wl and w2, each one Hinleiter 23a and a return conductor 23b have. These individual conductor branches are each formed here as prefabricated conductor segments 27.
  • the individual segments 27 each have an inner conductor section 31a and two inclined outer conductor sections 31b adjacent thereto.
  • these oblique conductor portions 31b each have an axial end portion 31c, which is also part of the prefabricated conductor segment.
  • these prefabricated conductor segments 27 likewise have a trough-shaped longitudinal profile, as in FIG. 2.
  • prefabricated conductor segments 27 also extend in their end regions 17 along the predetermined current flow direction 25, along which the inner conductor sections 31a are also aligned.
  • This predetermined current flow direction 25 corresponds in the entire coil arrangement of the stator winding 4 of an electric machine to the direction of the central axis of rotation A.
  • a larger contact area is created between the respective segments to be connected, which are electrically connected as shown in Figure 4 by the contact points 29 formed after the positioning of the conductor segments.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a single prefabricated conductor segment 27 in a schematic perspective view.
  • this prefabricated conductor segment 27 has a trough-shaped profile and a uniform, rectangular cross-section Wesentli ⁇ chen. Such surfaces in essential planar basic shape is favorable to stack such Porterseg ⁇ elements 27, or with such conductor segments formed coils 21i with a high packing density over the entire periphery of the coil assembly. This is illustrated by the complete coil arrangement 21 shown in FIG. In the view of Figure 5 can also be seen that the prefabricated conductor segments 27 may be provided on one or meh ⁇ of exemplary surface thereof with spacers 37th Here, only the inwardly facing surface of the upper ⁇ inner lead portion 31a is for example provided with such holders distance.
  • FIG. 6 shows, by way of example and very schematically, the end region 17 of a prefabricated conductor segment 27, as used in the coil arrangements according to the present invention Use can come.
  • three individual ⁇ wires 38 are shown as part of this stranded conductor here, which should, however, are representative of a much larger number of individual ⁇ wires, for example, some 10 to some 1000.
  • the number of wires can vary greatly, depending on which wire diameter and which Need Beer ampacity ⁇ be taken.
  • these individual wires 38 are each surrounded by an elec trically insulating ⁇ insulation material. 39
  • the isolated individual wires are again embedded together in a filling material 40.
  • This Ent ⁇ fernung may have been caused by a chemical and / or mechanical and / or thermal processes, for example by etching.
  • the now in this end region 17 exposed individual wires 38 (one of which as said one we ⁇ sentlich higher number is present) can now be electrically connected in this area with a subsequently to be created point of contact with another such conductor segment, for example by welding or soldering.
  • the individual wires 38 of the stranded conductor are twisted over its length ⁇ advantageous way to one another or stranded, but what of clarity, each ⁇ sake not shown in FIG. 6 Likewise, the individual conductors are brought into contact with each other in the end by a compaction, not shown here.
  • FIG. 7 shows a schematic perspective view of a coil arrangement 21 according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • This coil arrangement 21 has a multiplicity of individual coils 21i, which can be configured in each case similar to the exemplary embodiments of FIGS. 2 or 4, for example. These individual coils 21i are each stacked together so that overall results in a parent coil assembly 21 having a cylindrical basic shape.
  • This coil arrangement can be used, for example, as a stator winding 4 in an electrical machine 1, similar to that in FIG. 1.
  • the central axis A of the coil assembly then corresponds to the axis of rotation A of the electric machine.
  • the coil assembly 21 of Figure 7 has two different winding layers, namely a pad formed within an inner cylindrical surface 20a and a top layer formed within an outer cylindrical surface 20b.
  • Each of the individual coils (21) shown here (36) has, in turn, two conductor turns, similar to those in FIGS. 2 and 4 (indicated generally by the reference numeral wi), each turn wi having a forward conductor and a return conductor. It can now, for example, all the forward conductors of a ⁇ individual coils 21i be arranged within a common winding layer, and all the return conductors can be located within the Toggle the winding layer. In this way, a very high packing density is achieved over all individual coils 21i overall, since crossovers of the individual conductor branches within one winding layer are advantageously avoided.
  • Figure 7 shows an example of a mixture of the previously discussed possible types of contact points 29:
  • the individual conductor segments 27 have also Endabschnit ⁇ te 31c extending along the same predetermined direction of current flow 25 which here the direction of the central cylinder axis A corresponds.
  • the conductor segments 27 thus have an additional click in their axial end regions 17a, as a result of which the overall overlap between the segments to be joined is increased and the electrical resistance in the region of the contact points 29 is reduced.
  • each of the inclined outer conductor portions 31b are in their overlapping area connected directly with each other without a separate contact section in the axial direction is created by a further bend.
  • the entire coil arrangement 21 can be made significantly shorter in the axial direction. It is thus achieved that the axial length of the entire coil arrangement 21 does not exceed the electrically active length of this coil arrangement more than necessary, which essentially corresponds to the axial length of the straight inner conductor sections 31a.
  • the same type of contacting and conductor shape would expediently be selected in both axial end regions 17a and 17b. The two different variants are explained here only by way of example with the aid of a common figure.
  • FIG 8 shows another embodiment of a coil arrangement ⁇ 21, which is also suitable in particular as Statorwick ⁇ development of an electrical machine.
  • This coil arrangement 21 also has a plurality (here twelve) of individual coils 21i. Each of these individual coils 21i extends over the entire circumference of the coil assembly 21 and has four forward conductors 23a and four return conductors 23b.
  • This structure is illustrated by Figure 9, in which only a selected coil 21i of the coil assembly of Figure 8 is shown.
  • the division of such a ver ⁇ divided coil shown in four reciprocating four return conductor corresponds to the configuration of the stator winding for use in a5.3po- beam electrical machine, in other words a machine ne, whose rotor is designed to form an eight-pole rotating magnetic field.
  • Each of these conductor elements 23a, 23b is in turn formed as a pre-fabricated-saturated conductor segment 27, which is present analogous to the take precedence before ⁇ embodiments as pressed and having a cured filler in a solid form matched stranded conductor.
  • the individual conductor segments are formed here as helical sections. It is therefore a helical winding whose individual helical ladder ⁇ branches are connected in turn in their axial end portions 17 via subsequently inserted contact points 29 between the prefabricated conductor segments.
  • all conductor segments of the upper layer can be formed equal to one another here and all the conductor segments of the base can be designed to be identical to one another. So the conductor segments can be made at game as ⁇ with the same mold within each of these two groups, which is especially advantageous contributes to ease of manufacture and reproducibility of the shape and hence a high packing density.
  • the individual coils 21 are assigned to three electrical lines 41, 42 and 43. net. These strands correspond to individual stages of the Dreipha ⁇ sen alternating current which can be generated either with the electric machine or converted into mechanical energy. Each strand has four circumferentially adjacent individual coils 21i, which are each composed of a plurality of connected to a conductor loop conductor branches.

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Abstract

Es wird eine elektrische Spulenanordnung (21) umfassend wenigstens eine Leiterwindung (wi; wl, w2) mit zwei Leiterzweigen (23a, 23b) beschrieben, von denen der erste Leiterzweig (23a) bezüglich der vorgegebenen Stromflussrichtung als Hinleiter und der zweite Leiterzweig (23b) bezüglich dieser Stromflussrichtung als Rückleiter ausgebildet ist. Dabei sind die einzelnen Leiterzweige (23a, 23b) als verpresste und mit einem gehärteten Füllmittel (40) in eine stabile Form gebrachte Litzenleiter mit einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Einzeldrähten (38) ausgebildet, wobei jeder einzelne Leiterzweig (23a, 23b) als separates, vorgefertigtes Leitersegment (27) gebildet ist, welches nachträglich in wenigstens einem Endbereich (17) elektrisch leitend mit einem anderen, zugeordneten Leiterzweig (23b, 23a) verbunden ist. Weiterhin werden eine elektrische Maschine (1) mit einer derartigen Spulenanordnung (21) und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Spulenanordnung (21) beschrieben.

Description

Beschreibung
ELEKTRISCHE SPULENANORDNUNG AUS LITZENLEITERSEGMENTEN Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Spulenan¬ ordnung, die wenigstens eine Leiterwindung mit zwei Leiterzweigen aufweist, wobei die einzelnen Leiterzweige als Lit¬ zenleiter mit einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Einzeldrähten ausgebildet sind. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einer solchen Spulenanordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen elektrischen Spulenanordnung.
Nach dem Stand der Technik werden gewickelte Spulenanordnun- gen in elektrischen Maschinen zur Erzeugung von elektromagnetischen Feldern und/oder zur Induktion von elektrischen Strömen durch solche Felder eingesetzt. Beispielsweise finden ge¬ wickelte Spulenanordnungen Anwendung als Statorwicklungen oder auch als Rotorwicklungen in derartigen elektrischen Ma- schinen. Wenn elektrische Maschinen mit besonders großen
Nennleistungen und/oder hohen Leistungsdichten benötigt werden, dann muss die Stromtragfähigkeit einer solchen Spulenanordnung entsprechend hoch sein, und gegebenenfalls muss außerdem ihr Gewichtsbeitrag entsprechend niedrig sein. Um diese Anforderungen zu erreichen, werden häufig zumindest in den Rotorwicklungen besonders leistungsstarker elektrischer Maschinen supraleitende Leitermaterialien eingesetzt. Diese haben den Vorteil eines vernachlässigbaren elektrischen Widerstandes sowie einer im Allgemeinen sehr hohen Stromtragfä- higkeit. Mithilfe solcher supraleitenden Wicklungen können vorteilhaft sehr hohe magnetische Flussdichten erreicht wer¬ den. Für die Statorwicklungen solcher leistungsstarker elektrischer Maschinen werden typischerweise normalleitende Lei¬ termaterialien, insbesondere kupferbasierte Leiter einge- setzt. Um die auch hier benötigten hohen Stromtragfähigkeiten zu gewährleisten, müssen diese Leiter einen vergleichsweise großen Querschnitt an Leitermaterial aufweisen. Um andererseits die beim Betrieb der elektrischen Maschine auftretenden Wechselstromverluste möglichst gering zu halten, werden für derartige Spulenanordnungen zumindest in Wechselstrommaschinen meist Litzenleiter eingesetzt. Diese Litzenleiter weisen jeweils eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Einzeldräh- ten auf, die zur Verringerung der elektrischen Verluste meist durch Umhüllung mit einem Isolationsmaterial elektrisch gegeneinander isoliert sind. Um dabei gleichzeitig einen hohen Anteil an Leitermaterial (einen hohen Füllfaktor der Einzel¬ drähte) und eine ausreichende mechanische Formstabilität zu erzielen, werden solche Litzenleiter oft zunächst gepresst und anschließend mit einem Füllmittel vergossen.
Nachteilig bei einer Spulenanordnung mit den beschriebenen Litzenleitern ist, dass sie typischerweise nach der Herstel¬ lung relativ schwierig zu formen sind. Insbesondere ist es schwierig, beim Herstellen einer Wicklung aus solchen ver- pressten und vergossenen Litzenleitern an den Umkehrpunkten der jeweiligen Windungen einen geringen Biegeradius zu erreichen. Das Formen bei sehr hohem Füllfaktor ist daher allgemein schwierig, das Formen von bereits vergossenen Litzenleitern praktisch unmöglich. Das Vergießen kann daher erst erfolgen, nachdem der Litzenleiter bereits in der gewünschten Form ist. Wenn für eine elektrische Maschine mit einer sehr hohen geforderten Leistungsdichte eine entsprechend kompakte und leichte Spulenanordnung bereitgestellt werden soll, ist es jedoch unter Umständen nötig, in den Endbereichen der Wicklung Leiterabschnitte mit vergleichsweise niedrigen Bie¬ geradien von nur wenigen mm vorzusehen. Bei elektrischen Maschinen mit supraleitenden Rotorwicklungen werden die Statorwicklungen häufig als sogenannte Luftspalt¬ wicklungen ausgeführt. Eine solche Statorwicklung ist also nicht in Nuten eines Eisenkerns oder eines anderen weichmag¬ netischen Materials eingebettet, sondern sie ist in der Luft- spalt-Region der Maschine angeordnet. Solche Luftspaltwicklungen werden vor allem dann eingesetzt, wenn die erzeugten Magnetfelder so stark sind, dass es bei einer herkömmlich aufgebauten Maschine zu einer Sättigung des weichmagneti- sehen, flussführenden Statormaterials kommen würde. Dies ist vor allem im Zusammenhang mit supraleitenden Rotorwicklungen der Fall. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von als Luftspaltwicklungen ausgeführten Statorwicklungen ist, dass der Platz und der Gewichtsbeitrag einer herkömmlichen flussführenden Struktur eingespart werden. Dies bedingt allerdings auch den Nachteil, dass in den axialen Endbereichen einer solchen Spulenanordnung wenig Platz für die Anordnung von Wicklungsköpfen zur Verfügung steht. Bei einer sogenannten verteilten Wicklung, wie sie häufig in einer Spulenanordnung in einem solchen Stator zum Tragen kommt, ist es dann besonders wichtig, die an verschiedenen Umfangspositionen angeordneten Wicklungsabschnitte durch möglichst platzsparende Wick¬ lungsköpfe miteinander zu verbinden. Klassischerweise werden solche Spulenanordnungen durch Wickeln eines ausgedehnten
Leiters „an einem Stück" hergestellt, indem also sowohl die axialen Abschnitte, als auch gegebenenfalls vorliegende schräge Abschnitte und auch die Wicklungsköpfe aus aufeinan¬ derfolgenden Abschnitten desselben einstückigen Leiters ge- bildet werden. Diese Art der Herstellung wird jedoch immer schwieriger, je kleiner die für eine kompakte Anordnung geforderten Biegeradien des Leiters sind.
Ein weiteres Problem bei den beschriebenen herkömmlichen Spu- lenanordnungen ist, dass insbesondere bei einer kompakten
Wicklungsanordnung die Abführung von Wärme aus den Leiterwindungen erschwert ist. Je höher die Nennleistung und/oder die Leistungsdichte der elektrischen Maschine ist, umso höher sind auch die Stromdichten in den elektrischen Leitern und umso höher ist entsprechend die dort entstehende Verlustwär¬ me. Um eine zu starke Überhitzung der Leiterwindungen zu vermeiden, ist eine gute thermische Ankopplung an ein Kühlsys¬ tem, insbesondere an ein fluides Kühlmittel eines solchen Kühlsystems nötig. Bei der Herstellung einer sehr kompakten Spulenanordnung mit dicht beieinanderliegenden, eng gewickelten Windungen eines relativ steifen Litzenleiters steht der Platzbedarf für zusätzliche Kühlmittelkanäle jedoch dem all¬ gemeinen Ziel eines hohen Füllfaktors des leitfähigen Materi- als bei gleichzeitiger geometrischer Stabilität grundsätzlich entgegen .
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische Spulen- anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, welche die vorab beschriebenen Nachteile vermeidet. Insbesondere soll eine Spulenanordnung mit einem Litzenleiter angegeben werden, die insgesamt sehr kompakt ist und gleichzeitig vor allem im elektrisch aktiven Bereich einen hohen Füllfaktor an elektri- schem Leitermaterial erreicht. Gleichzeitig soll möglichst die thermische Anbindung an ein Kühlsystem erleichtert werden. Eine weitere Aufgabe ist es, eine elektrische Maschine mit einer solchen Spulenanordnung anzugeben sowie weiterhin ein Herstellungsverfahren für eine solche Spulenanordnung an- zugeben.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Spulenanordnung, die in Anspruch 13 beschriebene elektrische Maschine sowie das in Anspruch 15 beschriebene Herstellungs- verfahren gelöst.
Die erfindungsgemäße elektrische Spulenanordnung umfasst we¬ nigstens eine Leiterwindung mit zumindest zwei Leiterzweigen. Von diesen beiden Leiterzweigen ist der erste Leiterzweig be- züglich einer vorgegebenen Stromflussrichtung als Hinleiter ausgebildet, und der zweite Leiterzweig ist bezüglich dieser Stromflussrichtung als Rückleiter ausgebildet. Die einzelnen Leiterzweige sind jeweils als verpresste und mit einem gehär¬ teten Füllmittel in eine stabile Form gebrachte Litzenleiter mit jeweils einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Einzeldrähten ausgebildet. Dabei sind die einzelnen Leiterzweige jeweils als separate, vorgefertigte Leitersegmente gebildet, welche jeweils nachträglich in wenigstens einem Endbereich elektrisch leitend mit einem anderen zugeordneten Leiterzweig verbunden sind.
Bei dieser Spulenanordnung sind also die beiden zu derselben Leiterwindung gehörenden Leiterzweige in ihren Endbereichen so miteinander elektrisch verbunden, dass ein elektrischer Strom durch die schleifenartige Leiterwindung als Ganzes fließen kann. Bei einer Spulenanordnung mit einer Vielzahl solcher Leiterwindungen sind entsprechend die meisten Leiter- zweige in ihren beiden Endbereichen mit benachbarten Leiterzweigen verbunden, sodass eine komplexere Spulenanordnung entsteht. Entsprechend soll unter dem „zugeordneten Leiterzweig", mit dem ein gegebener Leiterzweig elektrisch verbunden wird, entweder der andere Leiterzweig derselben Windung oder der nächste Leiterzweig der benachbarten Windung verstanden werden. In jedem Fall werden immer „Hinleiter" und „Rückleiter" abwechselnd miteinander elektrisch verbunden, sodass in der Spulenanordnung insgesamt ein schleifenartiger Stromfluss über eine oder mehrere Windungen ermöglicht wird. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind die Bezeichnungen „Hinleiter" und „Rückleiter" nicht in Bezug auf eine absolute Stromflussrichtung, sondern nur relativ zueinander zu verstehen, da sich bei einem Betrieb der Spulenanordnung mit Wechselstrom die absolute Stromflussrichtung ständig ändert.
Jede Leiterwindung der beschriebenen Spulenanordnung umfasst hier wenigstens zwei Leiterzweige, um einen schleifenartigen Stromfluss über die jeweilige Windung zu ermöglichen. Eine solche Windung kann jedoch auch optional mehr als zwei solche Leiterzweige aufweisen, insbesondere eine untereinander glei¬ che Anzahl von Hinleitern und Rückleitern, die jeweils bündelweise elektrisch parallel geschaltet sind. Eine solche Ausführungsform kann beispielsweise vorteilhaft sein, um Kühlkanäle zwischen den einzelnen parallelgeschalteten Leiterzweigen eines Bündels einzubetten.
Bei der erfindungsgemäßen Spulenanordnung sind also die einzelnen Leiterzweige allgemein als Litzenleiter ausgebildet, welche insbesondere jeweils durch das Verpressen der Litze und das Einbringen und Härten des Füllmittels so steif sind, dass sehr geringe Biegeradien durch einfaches Wickeln nur schwer erreicht werden können. Daher werden bei der erfin- dungsgemäßen Spulenanordnung solche geringen Biegeradien der Litzenleiter grundsätzlich vermieden, indem die benachbarten Leiterzweige nicht aus demselben Leiterstück, sondern aus separaten vorgefertigten Leitersegmenten gebildet und erst nachträglich kontaktiert werden. Unter der „nachträglichen" Kontaktierung soll im vorliegenden Zusammenhang verstanden werden, dass die elektrisch leitende Verbindung mit dem wenigstens einen anderen zugeordneten Leiterzweig erst nach dem Verpressen und der Härtung des Füllmittels des jeweiligen Leitersegments geschaffen wird. Insbesondere findet hier also die Formgebung der einzelnen Leitersegmente vor dem Anbringen der elektrischen Kontakte statt, durch die die übergeordnete Wicklungsgeometrie gebildet wird. Auch die Positionierung der einzelnen Leitersegmente zueinander, um die Wicklungsanord- nung auszubilden, erfolgt hier vor der Ausbildung der elektrischen Kontakte. Diese Reihenfolge der beschriebenen Pro¬ zessschritte ist bei der fertigen Spulenanordnung insbesonde¬ re daran zu erkennen, dass durch die Steifigkeit der einzel¬ nen Leitersegmente nach der Ausbildung der elektrischen Kon- takte keine grundlegende Änderung der Geometrie der Wick¬ lungsanordnung mehr möglich ist.
Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Spulenanordnung ist, dass durch die nachträgliche elektrische Kontaktierung der vorgefertigten, gehärteten Leitersegmente im Bereich der Kontaktstellen ein Umkehrpunkt (also ein scharfer Knick) in die Wicklung eingebracht werden kann, dessen äußerst geringer Biegeradius durch ein Biegen des mit gehärtetem Füllmittel in Form gebrachten Litzenleiter gar nicht erreicht werden kann, ohne diesen zu zerstören oder zumindest zu schädigen. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine sehr kompakte Spulenanord¬ nung bei gleichzeitig hoher Formstabilität geschaffen werden.
Unter dem „gehärteten Füllmittel" der Litzenleiter kann bei- spielsweise ein Vergussmittel verstanden werden, mit dem die verpressten Litzenleiter durch Verguss und anschließende Aushärtung in eine stabile Form gebracht sind. Alternativ kann unter dem Füllmittel jedoch auch ein Backlack verstanden wer- den, der als zweite Lackschicht auf einem die Einzelleiter umgebenden Isolierlack aufgebracht ist und bei erhöhter Temperatur schmilzt und nach dem Abkühlen wieder aushärtet. Bei diesem Erwärmen schmilzt der Isolierlack vorteilhaft nicht, so dass sich dann eine Matrix aus Backlack zwischen den einzelnen, nach wie vor mit Isolierlack umgebenen Einzelleitern ausbildet. Es kann sich auch um ein nachträglich aufgebrachtes und dann gehärtetes Imprägniermittel handeln. Wesentlich ist nur, dass das Füllmittel zwischen die Einzeldrähte des Litzenleiters eindringt und durch ein anschließendes Erhärten dem gesamten Litzenleiter eine stabile mechanische Form gibt. Diese Formstabilität soll gegenüber dem nur gepressten Lit¬ zenleiter durch das gehärtete Füllmittel wesentlich erhöht sein .
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist wenigstens eine erfindungsgemäße Spulenanordnung auf. Sie kann vorteil¬ haft auch mehrere derartige Spulenanordnungen umfassen. Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind die Vorteile analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Spulenanordnung zu sehen. Ebenso liegen die Vorteile des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens darin, dass es die Herstellung der erfindungsgemäßen Spulenanordnung auf besonders einfache Weise ermöglicht, ohne dass dabei der Lit- zenleiter geschädigt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung weist die folgenden Schritte auf :
- die Herstellung der Leitersegmente als einzelne vorgefer¬ tigte Bauteile durch Verpressen der Litzenleiter, anschließendes Versehen der jeweiligen Litzenleiter mit einem Füllmittel und Härten des Füllmittels
- die anschließende Positionierung der so vorgefertigten Lei- tersegmente als Leiterwindungen der Spulenanordnung
- sowie die anschließende elektrische Kontaktierung der
einander zugeordneten Leiterzweige in ihren Endbereichen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 13 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Spulenanordnung, der elektrischen Maschine und des Herstellungsverfahrens vor¬ teilhaft miteinander kombiniert werden.
Die Spulenanordnung kann eine Mehrzahl von Leiterwindungen umfassen, welche in der Art einer verteilten Wicklung um eine zentrale Achse der Spulenanordnung angeordnet sind. Dabei kann die Spulenanordnung insbesondere auch eine Mehrzahl von einzelnen Spulen (Teilspulen) aufweisen, welche über den Umfang der Spulenanordnung verteilt sind. Diese einzelnen Spulen können wiederum jeweils entweder nur eine oder auch meh- rere Windungen aufweisen. Die Spulenanordnung kann also insgesamt eine zylinderartige Struktur aufweisen, über deren Umfang die einzelnen Windungen (und gegebenenfalls auch die einzelnen Teilspulen) verteilt sein können. Die zentrale Achse dieser Anordnung (in diesem Fall also die Zylinderachse) kann dann insbesondere der eingangs genannten vorbestimmten Stromflussrichtung entsprechen, bezüglich derer „Hinleiter" und „Rückleiter" zwei entgegengesetzte Zweige ausbilden. Die¬ se Hinleiter und Rückleiter müssen jedoch nicht zwangsläufig entlang dieser Achse ausgerichtet sein. Sie müssen sich nur bezüglich der Richtungskomponente ihrer Stromflussrichtung entlang dieser Achse unterscheiden.
Die einzelnen Leiterwindungen der Spulenanordnung - die gegebenenfalls auch separaten Einzelspulen angehören können - sind vorteilhaft in wenigstens zwei Lagen über den Umfang der Spulenanordnung verteilt. Diese Lagen unterscheiden sich insbesondere durch ihren radialen Abstand von der zentralen Achse der Spulenanordnung. So kann eine zweilagige Spulenanord¬ nung insbesondere eine Unterlage und eine Oberlage von Lei- terzweigen aufweisen. Dabei können jeweils ein Leiterzweig der Unterlage und ein Leiterzweig der Oberlage zusammen eine vollständige Windung ergeben. Die einzelnen Lagen der Spulenanordnung können jeweils im Querschnitt eine im Wesentlichen kreisförmige Grundform aufweisen. Dies ist jedoch nicht unbe¬ dingt notwendig - bei nicht kreisförmigen Grundformen soll dann unter dem radialen Abstand in entsprechender Weise der kürzeste Abstand einer Lage von Leiterzweigen von der zentra- len Achse verstanden werden.
Ein wesentlicher Vorteil einer zwei- oder mehr lagigen Anordnung der Leiterzweige liegt darin, dass so eine Vielzahl von Spulenwindungen erzeugt werden kann, ohne dass sich hierfür die Leiterzweige innerhalb einer Lage kreuzen müssen. Statt¬ dessen verteilen sich die bei einer verteilten Wicklung vorliegenden Kreuzungspunkte zwischen den Leiterzweigen auf die unterschiedlichen Lagen. Durch die Vermeidung von Überkreuzungen innerhalb der einzelnen Lagen kann eine einfachere und hierdurch auch dichter gepacktere Spulenanordnung zur Verfügung gestellt werden. Dies ist insbesondere für Maschinen mit hoher Leistungsdichte von Vorteil.
Allgemein können die einzelnen vorgefertigten Leitersegmente einen im Wesentlichen einheitlichen Leiterquerschnitt mit im Wesentlichen rechteckiger Grundform der Querschnittsfläche aufweisen. Mit anderen Worten können die Leitersegmente jeweils die Grundform eines rechteckigen Drahtes oder eines flachen Bandes aufweisen, welcher/welches aber insgesamt nicht vollständig planar sein muss, sondern durch Formung und Härten des Füllmittels in eine komplexere dreidimensionale Form gebracht sein kann. Diese komplexere Form kann dann bei¬ spielsweise lediglich planare Abschnitte aufweisen. Eine flache Grundform der Leitersegmente ist allgemein beson¬ ders vorteilhaft, um eine Vielzahl solcher Segmente platzspa¬ rend innerhalb einer übergeordneten Spulenanordnung mit hoher Packungsdichte zu stapeln. Auch dies ist wiederum vorteil¬ haft, um eine Maschine mit kompakter Bauweise und entspre- chend hoher Leistungsdichte zur Verfügung zu stellen.
Die einzelnen vorgefertigten Leitersegmente können jeweils auf einer planaren Grundstruktur basieren, die durch mehrere Knicke zu einem wannenförmigen Profil geformt ist. Eine sol¬ che Form der Leitersegmente kann vorteilhaft sein, um damit eine Spulenanordnung mit geraden - insbesondere in axialer Richtung liegenden - Leiterabschnitten und dazu beidseitig benachbart angeordneten schrägen Wicklungsabschnitten zur Überbrückung der in Umfangsrichtung vorliegenden Abstände darzustellen. Eine solche Form der Wicklung wird in der Fachwelt auch als „straight-with-end-turns" Wicklung bezeichnet (z.B. im Artikel „Air-core armature shape : A comparison of helical and straight-with-end-turns windings" von James L. Kirtley, Electric Machines and Power Systems, 23:263-278, 1995) . Das beschriebene Wannenprofil kann vorteilhaft durch Knicken eines flachen gepressten Litzenleiters erzeugt werden, wobei beispielsweise entweder zwei oder vier solche Knickstellen eingebracht werden können, um aus dem planaren Leiter ein wannenförmiges Profil zu erzeugen: Insbesondere können zwei Knickstellen an den Übergängen zwischen dem zentralen, geraden Leiterabschnitt und den angrenzenden schrägen Leiterabschnitten vorgesehen sein. Die zwei optionalen zu- sätzlichen Knickstellen können weiter außen an diese jeweiligen schrägen Leiterabschnitte angrenzen und diese jeweils in einen Endbereich überführen, der zur Kontaktierung mit dem nächsten Leitersegment oder mit einem äußeren Stromkreis vorgesehen ist.
Alternativ kann die Spulenanordnung jedoch auch als Schrägwicklung (helikale Wicklung) ausgestaltet sein. Insbesondere für eine solche Anordnung ist es vorteilhaft, wenn die ein¬ zelnen vorgefertigten Leitersegmente als Helixabschnitte aus- gebildet sind.
Unabhängig von der genauen Form der einzelnen vorgefertigten Leitersegmente kann es vorteilhaft sein, wenn die Formgebung zur Bildung einer dreidimensionalen Struktur nach dem Pressen des planaren Litzenleiters, aber vor dem Härten des Füllmit¬ tels erfolgt. Alternativ ist es aber auch möglich - und unter Umständen besonders vorteilhaft - das Pressen zur Erzielung eines hohen Füllgrads und die Formgebung zur Bildung der ge- wünschten Struktur in einem gemeinsamen Prozessschritt durchzuführen. Durch die Zusammenfassung dieser beiden Schritte in einem Gemeinsamen Prozessschritt wird eine Doppelbelastung des Litzenleiters vermieden. Wenn der Litzenleiter nach die- sem Pressen und Formgeben gleich anschließend (beispielsweise noch in der Pressform) vergossen oder auf andere Weise mit einem gehärteten Füllmittel umgeben wird, ist der Litzenlei¬ ter vor einer anschließenden Deformation der gewünschten Struktur geschützt. Allgemein kann durch das Aushärten des Füllmittels ein Beibehalten der so geformten dreidimensiona¬ len Struktur bewirkt werden.
Allgemein und unabhängig von der genauen Form der vorgefertigten Leitersegmente ist es vorteilhaft, wenn die Spulenan- Ordnung eine Vielzahl untereinander gleich geformter und gleich dimensionierter Leitersegmente aufweist. Insbesondere können sogar alle Leitersegmente einer gegebenen Stromfluss¬ richtung (also alle Hinleiter und/oder alle Rückleiter) innerhalb einer gegebenen Wicklungslage gleich geformt und gleich dimensioniert sein. Besonders vorteilhaft können sogar die Leitersegmente unterschiedlicher Stromflussrichtungen und/oder unterschiedlicher Lagen gleich geformt und/oder gleich dimensioniert sein. Ein wesentlicher Vorteil der genannten Ausführungsform ist, dass die Herstellung durch Ver- wendung von Gleichteilen wesentlich vereinfacht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die hohe Formtreue der be¬ schriebenen Leitersegmente auch eine gute Stapelbarkeit mit entsprechend hoher Packungsdichte gegeben ist. Besonders vorteilhaft sind die Litzenleiter der Spulenanord¬ nung so ausgestaltet, dass die leitfähigen Einzeldrähte darin eine Packungsdichte von wenigstens 70 %, insbesondere wenig¬ stens 75 %, aufweisen. Eine solche Packungsdichte ist vor¬ teilhaft, um eine elektrische Maschine mit besonders hoher Leistungsdichte zur Verfügung zu stellen. Litzenleiter mit derart hohen Packungsdichten können jedoch allgemein nicht mehr mit geringen Biegeradien gebogen werden, ohne dass es zu einer Schädigung des Litzenleiters kommt. Eine solche Schädi- gung kann beispielsweise durch ein Auffasern der einzelnen Drähte der Litze im Bereich der Biegung zum Ausdruck kommen. Unter einem „geringen Biegeradius" soll im vorliegenden Zusammenhang ein Biegeradius verstanden werden, der kleiner als das Dreifache der Dicke der Litze (in radialer Richtung) ist.
Die leitfähigen Einzeldrähte des Litzenleiters sind insbeson¬ dere aus einem normalleitenden Material - besonders vorteil¬ haft Kupfer oder einem kupferhaltigen Material- gebildet. Dies ist besonders vorteilhaft, um ohne eine aufwendige Kühl¬ vorrichtung eine hohe Leitfähigkeit und insbesondere eine ho¬ he Stromtragfähigkeit zu erreichen. Grundsätzlich aber alternativ auch eine supraleitende Ausgestaltung der Einzeldrähte möglich .
Die einzelnen Litzenleiter - also die einzelnen vorgefertigten Leitersegmente - weisen vorteilhaft jeweils eine auf die Summe der einzelnen leitfähigen Einzeldrähte bezogene Querschnittsfläche von wenigstens 50 mm2 auf. Unter dieser ge¬ nannten Querschnittsfläche soll also die Summe der Quer¬ schnittsflächen aller Einzeldrähte innerhalb eines vorgefertigten Leitersegments verstanden werden. Ein derartig hoher Leiterquerschnitt ist wiederum zweckmäßig, um eine elektri¬ sche Maschine innerhalb der vorteilhaften Bereiche für Leis¬ tung und/oder Leistungsdichte zur Verfügung zu stellen.
Das für die Formgebung des Litzenleiters verwendete Füllmit¬ tel weist vorteilhaft eine thermische Leitfähigkeit von we¬ nigstens 0,5 W/ (m*K) , insbesondere sogar wenigstens 1
W/ (m*K) , auf. Eine derart hohe thermische Leitfähigkeit des Füllmittels bewirkt vorteilhaft eine hohe thermische Leitfä¬ higkeit des vorgefertigten Leitersegments insgesamt. Diese gesamte thermische Leitfähigkeit kann dabei insbesondere bei wenigstens 3 W/ (m*K) oder sogar oberhalb von 4 W/ (m*K) lie- gen. Durch ein starkes Verpressen kann sogar mit einem herkömmlichen Füllmaterial mit einer thermischen Leitfähigkeit im Bereich von etwa 0.2 W/ (m*K) eine gesamte thermische Leit- fähigkeit des Litzenleiters von 3 W/ (m*K) oder mehr erreicht werden .
Bei Verwendung von Materialien in den genannten Bereichen der thermischen Leitfähigkeit kann so eine effiziente Entwärmung der Litzenleiter, beispielsweise durch thermische Ankopplung an ein umgebendes Kühlmittel, erreicht werden. Bei entspre¬ chend hoher thermischer Leitfähigkeit der Leitersegmente kann so ein Abtransport der beim Betrieb freigesetzten Wärme an ein fluides Kühlmittel gewährleistet werden. Dieses fluide
Kühlmittel kann die Spulenanordnung umspülen und/oder in darin eingebetteten Kühlmittelkanälen strömen.
Um eine entsprechend hohe thermische Leitfähigkeit zu errei- chen, kann das Füllmittel beispielsweise ein Polymer, insbe¬ sondere ein Silikon oder Epoxidharz, enthalten. Zur weiteren Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit kann in ein solches Polymer zusätzlich noch ein Füllstoff mit einer noch höheren thermischen Leitfähigkeit eingebettet sein.
Allgemein können die Einzeldrähte der Litzenleiter auf einem überwiegenden Teil ihrer Längsausdehnung von einem Isolationsmaterial umhüllt sein. Eine solche elektrische Isolation der einzelnen Drähte ist zweckmäßig, um Wechselstromverluste in einem solchen Litzenleiter gering zu halten. Ein solches Isolationsmaterial kann beispielsweise wiederum ein Polymer (insbesondere einen Polymerlack) oder auch ein elektrisch isolierendes Oxid umfassen. Auch dieses Isolationsmaterial weist vorteilhaft eine vergleichsweise hohe thermische Leit- fähigkeit auf, die insbesondere im gleichen Bereich liegen kann wie die oben genannte thermische Leitfähigkeit des Füll¬ mittels .
Wenn die Einzeldrähte derart von einem Isolationsmaterial um- hüllt sind, dann ist es vorteilhaft, wenn bei den vorgefer¬ tigten Leitersegmenten dieses Isolationsmaterial von den zu kontaktierenden Endbereichen entfernt ist. Dies gilt in analoger Weise für das Füllmittel des Litzenleiters. Eine solche Entfernung von Füllmittel und/oder Isolationsmaterial kann beispielsweise durch chemische oder mechanische Nachbehand¬ lung des Leitersegments erfolgen. Diese Nachbehandlung kann insbesondere nach dem Pressen des Litzenleiters sowie vor der Positionierung des Leitersegments in der Spulenanordnung und vor dem Schritt der elektrischen Kontaktierung erfolgen. Sie kann entweder vor oder nach dem Härten des Füllmittels erfolgen . Allgemein können die einander zugeordneten Leiterzweige in ihren Endbereichen durch Schweiß- und/oder Lötverbindungen miteinander verbunden sein. Hierzu können die Einzeldrähte vor dem Schritt des Kontaktierens freigelegt worden sein, wie im vorherigen Absatz beschrieben. Als Kontaktierungsverfahren eignen sich insbesondere Laserschweißen, Laserlöten, Widerstandsschweißen und/oder Widerstandslöten (insbesondere mit Hartlot) .
Die einzelnen Leitersegmente der Spulenanordnung können vor- teilhaft jeweils eine flache Grundstruktur mit zwei gegen¬ überliegenden Hauptflächen aufweisen. Dabei kann bei wenigstens einem Teil der Leitersegmente auf jeweils zumindest einer dieser Hauptflächen eine Mehrzahl von Abstandshaltern angeordnet sein. Durch diese Abstandshalter wird entsprechend beim Stapeln mehrerer solcher Leitersegmente ein Kühlmittelkanal zwischen benachbarten Leitersegmenten freigehalten. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, Kühlmittelkanäle mit rela¬ tiv geringen Abständen innerhalb der Spulenanordnung vorzusehen, ohne dass dabei der Füllfaktor der leitenden Elemente allzu stark eingeschränkt wird. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die formstabilen vorgefertigten Leitersegmente im Zusammenspiel mit relativ klein dimensionierten Abstandshaltern eine präzise Definition von Kühlmittelkanälen mit geringem Querschnitt erlauben. Hierzu kann beispielsweise die Höhe der Abstandshalter (also die Abmessung in der Richtung senkrecht zur Leitersegmentoberfläche) zwischen 0,5 mm und 5 mm liegen. Allgemein können bei einer derartigen Ausführungsform die Abstandshalter ebenfalls aus dem Material des Füllmittels ge- bildet sein, was eine einfache Herstellung solcher Strukturen mithilfe einer Vergussform ermöglicht. Alternativ können Sie aber auch als zusätzliche Elemente auf der Oberfläche des Leitersegments angeordnet worden sein.
Alternativ oder zusätzlich zu der vorab beschriebenen Ausführungsform mit Kühlmittelkanälen zwischen den Leitersegmenten können solche Kühlmittelkanäle auch innerhalb der einzelnen Leitersegmente eingebettet sein. Dies kann beispielsweise durch Einfügen von dünnen Rohren zwischen den zu vergießen Einzeldrähten des Litzenleiters ermöglicht werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Maschine kann die erfindungsgemäß ausgestaltete Spulenanordnung die Statorwicklung der Maschine sein oder einen Teil davon ausbilden. Um eine besonders hohe Leistung und/oder Leistungsdichte zu erreichen, kann eine derartige Maschine eine supraleitende Rotorwicklung aufweisen, die elektrisch mit der erfindungsgemäßen Statorwicklung zusammenwirkt. Es ist jedoch grundsätzlich nicht ausgeschlossen, dass es sich bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Spulenanordnung um die Rotorwicklung der elektrischen Maschine handelt, oder dass Rotorwicklung und Statorwicklung beide nach dem Prinzip der vorliegenden Erfindung ausgestaltet sind.
Die erfindungsgemäß ausgestaltete Spulenanordnung der elek¬ trischen Maschine kann insbesondere als Luftspaltwicklung ausgestaltet sein. Auch dies ist zur Erzielung einer hohen Leistungsdichte besonders vorteilhaft.
Die elektrische Maschine ist vorteilhaft für eine Nennleis¬ tung von wenigstens 2 MW, insbesondere sogar wenigstens 5 MW ausgelegt. Alternativ oder zusätzlich kann sie vorteilhaft eine Leistungsdichte von wenigstens 10 kW/kg, insbesondere sogar wenigstens 20 kW/kg aufweisen. Eine hohe Leistungsdichte ist besonders für Generatoren oder Motoren in Fahrzeugen relevant, die beim Antrieb eines solchen Fahrzeuges mit be¬ wegt werden müssen. Ganz besonders kritisch ist die Leis- tungsdichte bei elektrischen Maschinen in Luftfahrzeugen. Unabhängig von der genauen Anwendung und Ausführungsform der Maschine kann diese allgemein entweder als Motor und/oder als Generator betrieben werden. Besonders vorteilhaft kann die Maschine als Synchronmaschine ausgestaltet sein.
Bei der Spulenanordnung kann es sich insbesondere bei der Ausführungsform als Statorwicklung um eine dreiphasige Wicklung handeln oder um eine Wicklung mit einer Strangzahl n, wobei n ein Vielfaches von drei ist.
Die elektrische Maschine ist vorteilhaft als elektrische Wechselstrom-Maschine mit einer magnetischen Polzahl p ausge¬ staltet. Die magnetische Polzahl p der elektrischen Maschine kann vorteilhaft zwischen 2 und 12, insbesondere zwischen 6 und 12 und besonders vorteilhaft bei genau 8 liegen. Eine derartige Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, um eine hohe Leistungsdichte zu erreichen. Der bevorzugte Bereich ergibt sich dabei daraus, dass einerseits mit steigender Pol- zahl das radiale Luftspaltfeld und somit die induzierte Span¬ nung sinkt, dass aber andererseits mit steigender Polzahl die elektrische Frequenz bei gleicher Drehzahl steigt. Der zweite Effekt steigert die induzierte Spannung, so dass sich insge¬ samt bei typischen Geometrien ein Optimum für die Leistung innerhalb der genannten Bereiche ergibt. Zusätzlich gibt es noch weitere Effekte, beispielsweise dass bei kleinen Polzah¬ len eine größere Jochdicke gewählt werden muss, was wiederum das Gewicht beeinflusst. Solche Faktoren bestimmen ebenfalls den bevorzugten Polzahlbereich für eine optimale Leistungs- dichte.
Bei dem Verfahren kann vorteilhaft im Rahmen der Herstellung der einzelnen Leitersegmente und vor ihrer Positionierung innerhalb der Spulenanordnung die Isolation der Einzelleiter und/oder das umgebenden Füllmittel in einem oder mehreren
Endbereichen des Litzenleiters entfernt werden. Anschließend kann vorteilhaft ein Kompaktieren der derart freigelegten Leiterenden erfolgen, um eine schlüssige Verbindung der Ein- zelleiter in diesem Bereich zu erzielen. Dieser Schritt trägt ebenfalls dazu bei, die spätere Kontaktierung des Leiterseg¬ ments in dem betreffenden Endbereich zu erleichtern. Nach dem Positionieren innerhalb der Spulenanordnung ist eine solche Kompaktierung dagegen aus Platzgründen deutlich schwerer zu erreichen .
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 einen schematischen Längsschnitt einer elektrischen
Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
Figur 2 eine schematische perspektivische Ansicht einer Spu¬ lenanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,
Figur 3 einen Ausschnitt einer Spulenanordnung nach dem Stand der Technik zeigt,
Figur 4 eine schematische Darstellung einer Spulenanordnung nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt, Figur 5 eine schematische Darstellung eines vorgefertigten
Leitersegments in der Spulenanordnung der Figur 4 zeigt,
Figur 6 eine schematische Detailansicht eines Endbereichs eines vorgefertigten Leitersegments zeigt,
Figur 7 eine schematische Darstellung einer zylindrischen
Spulenanordnung mit mehreren Einzelspulen nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt,
Figur 8 eine schematische Darstellung einer zylindrischen
Spulenanordnung mit mehreren Einzelspulen nach einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt und
Figur 9 eine einzelne Spule der Spulenanordnung der Figur 8 zeigt .
In Figur 1 ist eine elektrische Maschine 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im schematischen Längsschnitt gezeigt. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Ro¬ tor 7 und einen Stator 3. Der Rotor 7 ist mittels einer Ro- torwelle 9 um eine Rotationsachse A drehbar gelagert. Hierzu ist die Rotorwelle 9 über die Lager 10 gegen das Maschinenge¬ häuse 11 abgestützt. Gezeigt ist ein Längsschnitt entlang der Rotationsachse A, die gleichzeitig die zentrale Maschinenach- se ist. Bei der elektrischen Maschine kann es sich grundsätzlich um einen Motor oder einen Generator handeln oder auch um eine Maschine, die in beiden Modi betrieben werden kann.
Der Stator 3 weist eine Statorwicklung 4 mit einer Mehrzahl von Leiterwindungen wi auf. Diese Statorwicklung 4 kann beispielsweise als gerade Wicklung mit schrägen Endbereichen („straight with end turns") oder auch als helikale Wicklung ausgebildet sein, wie im Zusammenhang mit den detaillierteren Ausführungsbeispielen noch deutlich werden wird. In jedem Fall weist jede der einzelnen Leiterwindungen wi wenigstens zwei Leiterzweige auf, von denen einer bezüglich der zentra¬ len Achse A als Hinleiter und der andere als Rückleiter ausgebildet ist. Insgesamt sind die Leiterzweige der einzelnen Leiterwindungen wi auf zwei Zylindermantelflächen verteilt, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch als
Wicklungslagen bezeichnet werden. Es handelt sich hier um eine Unterlage 4a im Bereich einer inneren Zylindermantelfläche 20a und eine Oberlage 4b im Bereich einer äußeren Zylindermantelfläche 20b, wobei diese beiden Lagen ineinander ge- schachtelt und konzentrisch um die zentrale Achse A angeord¬ net sind. In den axialen Endbereichen 17 der Statorwicklung 4 sind einander zugehörige Leiterzweige der Oberlage 4b und der Unterlage 4a elektrisch leitend miteinander verbunden, sodass sich eine übergeordnete Statorwicklung 4 ergibt. Im axial in- nenliegenden Bereich 1 sind Oberlage 4b und Unterlage 4a durch eine Lagenisolation 15 elektrisch gegeneinander isoliert. Alternativ oder zusätzlich kann eine solche Isolation der beiden Leiterlagen aber auch durch eine isolierende Umhüllung jedes einzelnen Leiterzweiges erreicht werden.
Vor allem die im Teilbereich 1 axial weiter innenliegenden Bereiche der Statorwicklung 4 treten beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 in elektromagnetische Wechselwirkung mit einem Feld des Rotors. Diese Wechselwirkung findet über einen Luftspalt 6 hinweg statt, der radial zwischen Rotor 7 und Stator 3 liegt. Die Statorwicklung 4 wird im gezeigten Beispiel von einem amagnetisch ausgebildeten Statorträger 5 ge- tragen, es handelt sich hier also um eine Luftspaltwicklung ohne Eisenzähne zwischen den Windungen der Wicklung.
Die elektrische Maschine der Figur 1 weist im Rotor 7 eine supraleitende Feldwicklung 8 auf. Hierzu kann der Rotor 7 im Betrieb auf eine kryogene Temperatur gekühlt werden, die un¬ terhalb der Sprungtemperatur des verwendeten Supraleiters liegt. Diese Betriebstemperatur kann beispielsweise im Be¬ reich von etwa 20 K bis 77 K liegen. Die Kühlung kann mit einem in der Abbildung nicht näher dargestellten Kühlsystem erreicht werden. Die tiefkalten Komponenten sollten außerdem thermisch gegen die warme Umgebung isoliert sein.
Der genaue Aufbau der Statorwicklung 4 in der elektrischen Maschine 1 der Figur 1 aus Spulenanordnungen gemäß der vor- liegenden Erfindung soll im Zusammenhang mit den folgenden Figuren näher erläutert werden.
So zeigt Figur 2 eine schematische perspektivische Ansicht einer einzelnen Spule 21i, wie sie beispielsweise als Teil einer Spulenanordnung in der Statorwicklung 4 der elektrischen Maschine der Figur 1 zum Einsatz kommen kann. In typischen Statorwicklungen werden die verwendeten Spulenanordnungen zweckmäßig eine Vielzahl solcher einzelnen Spulen 21i aufweisen, die dann beispielsweise in der Art einer verteil- ten Wicklung über den gesamten Umfang der Statorwicklung verteilt angeordnet sind. Prinzipiell reicht es aber aus, dass eine gemäß der Erfindung ausgeführte Spulenanordnung nur eine einzelne derartige Spule 21i umfasst. Die in Figur 2 darge¬ stellte einzelne Spule 21i weist zwei Leiterwindungen auf, die hier als wl und w2 bezeichnet sind. Jede dieser beiden Leiterwindungen wl und w2 weist wiederum zwei einzelne Leiterzweige auf, von denen einer jeweils als Hinleiter 23a und der andere als Rückleiter 23b ausgebildet ist. Bezüglich der vorgegebenen Stromflussrichtung 25, die für die elektrische Maschine mit der Richtung der zentralen Achse A gleich ist, unterscheiden sich somit die relativen Stromflüsse in den Hinleitern 23a und den Rückleitern 23b.
Alle vier dargestellten Leiterzweige 23a und 23b der beiden Windungen wl und w2 sind im gezeigten Beispiel als vorgefertigte Leitersegmente 27 ausgebildet, die jeweils als ver- presste und anschließend durch Vergießen mit einem Füllmittel in eine stabile Form gebrachte Litzenleiter vorliegen. Da die in den axialen Endbereichen 17 miteinander elektrisch zu verbindenden Leiterzweige 23a und 23b unterschiedlichen Wicklungslagen angehören, muss zwischen ihnen hier der radiale Abstand r überwunden werden. Um eine derartige elektrische Kontaktierung mit geringem Platzbedarf zu erreichen, sind die einzelnen Leitersegmente 27 durch nachträglich eingebrachte Kontaktstellen 29 miteinander verbunden. Diese elektrischen Kontakte 29 können beispielsweise durch Schweißen oder Löten der vorpositionierten vorgefertigten Leitersegmente 27 erhal- ten werden. Mit anderen Worten kann es sich also bei diesen Kontaktstellen beispielsweise um Schweiß- oder Lötstellen handeln, bei denen die einander innerhalb der Spule 21i zugeordneten Leiterzweige über ihre Kontaktflächen elektrisch miteinander verbunden sind. Im Bereich dieser Kontaktflächen wird also ein vergleichsweise großflächiger elektrischer Kontakt zwischen den einzelnen vorgefertigten Litzenleitern 27 hergestellt, wobei jeweils eine Vielzahl von Einzeldrähten des einen Leiters mit einer Vielzahl von Einzeldrähten des anderen Leiters in elektrischen Kontakt gebracht werden. Um diese Kontaktierung zu ermöglichen bzw. zu erleichtern, werden die vorgefertigten Leitersegmente 27 zweckmäßig vor dem Kontaktieren in ihren Endbereichen 17 sowohl von Isoliermaterial zwischen den Einzeldrähten als auch von Füllmittel befreit oder von vorneherein von diesen Materialien freigehal- ten. Nach dem Freilegen der Endbereiche und vor der Positionierung der Litzenleiter in der Spulenanordnung können die Leiterenden noch kompaktiert werden, um sie besser kontaktieren zu können. Insgesamt liegen innerhalb der in Figur 2 gezeigten Spule 21i mit ihren zwei Windungen und vier Leiterzweigen drei nachträglich eingebrachte Kontaktstellen 29 vor, sodass eine übergeordnete Wicklung entsteht. In dem in Figur 2 hinten liegend dargestellten Endbereich sind die beiden außenliegenden Leiterzweige (vorderer Hinleiter 23a und hinterer Rück- leiter 23b) nicht mehr mit einem nachfolgenden Leiterzweig, sondern stattdessen mit einem äußeren Stromkreis verbunden. Dies schließt auch die Möglichkeit einer elektrischen Verbin¬ dung mit anderen derartigen Spulen 13i mit ein.
Die vorgefertigten Leitersegmente 27 in der Spule 21i der Figur 2 weisen jeweils ein wannenförmigen Längsprofil auf, wo- bei ein sich axial erstreckender innerer Leiterabschnitt 31a jeweils von 2 schräg liegenden äußeren Leiterabschnitten 31b flankiert wird. Die axiale Länge der inneren Leiterabschnitte 31a definiert hierbei die axiale Länge des wesentlichen elektrisch aktiven Bereichs der entsprechenden elektrischen Maschine.
Das beschriebene Vergießen der vorgefertigten Leitersegmente 27 mit einem Füllmittel und das anschließende Härten dieses Füllmittels ermöglichen es, diese Leitersegmente 27 sehr formstabil und dimensionstreu auszuführen. Die beschriebene nachträgliche Kontaktierung erlaubt es, trotz der geringen Beweglichkeit dieser vorgefertigten Leitersegmente den radia¬ len Abstand r zwischen den beiden dargestellten Wicklungslagen mit geringem Raumbedarf für den Wicklungskopf zu überbrü- cken. Da hier kein einstückiger Leiter gebogen werden muss, besteht der Wicklungskopf nur aus den Endbereichen 17 der Leiterzweige und den jeweils dazwischen angeordneten Kontakt¬ stellen 29. Der Platzbedarf hierfür ist wesentlich geringer, als dies beim Biegen eines einstückigen, relativ steifen Lit- zenleiters möglich wäre.
Figur 3 zeigt zum Vergleich einen Ausschnitt einer ähnlichen herkömmlichen Spule 21i aus zwei Windungen wl und w2. Diese herkömmliche Spule 21i wurde allerdings durch Wickeln eines einstückigen Litzenleiters 28 erzeugt. Im hier dargestellten axialen Endbereichen 17 wird eine Überbrückung des radialen Abstands r zwischen den beiden gezeigten Lagen durch ein Bie- gen dieses Litzenleiters mit einem sehr engen Biegeradius er¬ reicht. Dieser Biegeradius ist wesentlich kleiner als die Breite und sogar kleiner als die Dicke des verwendeten Lit¬ zenleiters 28. Durch eine derart enge Biegung kommt es sehr leicht zu einer Schädigung dieses Litzenleiters 28, bei- spielsweise durch ein Auffasern der Einzeldrähte im Krümmungsbereich. Dieser Nachteil wird bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Spule 21i gemäß Figur 2 vorteilhaft vermieden. Es wird dort nicht nur eine stabile elektrische Verbindung zwischen den Leiterzweigen auf engem Raum erreicht, sondern es wird durch Verwendung des gehärteten Füllmittels gleichzeitig eine hohe Formstabilität der einzelnen Leiterzweige erreicht .
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist ebenfalls in Figur 2 zu erkennen: durch das Vergießen der vorgefertigten Leitersegmente 27 mit einem Füllmittel können auf einfache Weise Abstandshalter im Bereich der Oberflächen der Leitersegmente 27 vorgesehen werden. Solche Abstandshal¬ ter ermöglichen es, mit vergleichsweise geringem Platzbedarf wohl definierte Kühlkanäle 35 zwischen den benachbarten Lei¬ terwindungen wl und w2 freizuhalten. In derartigen Kühlkanälen 35 kann ein fluides Kühlmittel strömen, wodurch eine ef¬ fiziente Entwärmung der einzelnen Leiterzweige beim Betrieb der elektrischen Maschine gewährleistet werden kann.
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Spule 21i, die als Grundlage einer Spulenanordnung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dient. Auch hier kann die Spu¬ lenanordnung darum entweder nur eine oder eine Vielzahl der- artiger einzelner Spulen 21i umfassen. Die hier dargestellte Spule 21i ist im Wesentlichen analog aufgebaut zu der im Bei¬ spiel der Figur 2 dargestellten Spule 21i. Auch hier umfasst die Spule 21i zwei Leiterzweige wl und w2, die jeweils einen Hinleiter 23a und einen Rückleiter 23b aufweisen. Diese einzelnen Leiterzweige sind auch hier jeweils als vorgefertigte Leitersegmente 27 gebildet. Sie können beispielsweise entwe¬ der durch Vergießen eines gepressten Litzenleiters mit einer Vergussmasse oder durch Imprägnieren mit einem Imprägniermittels und anschließendes Härten der Vergussmasse oder des Imprägniermittel (also des Füllmittels) in eine mechanisch feste Form gebracht werden. Auch hier weisen die einzelnen Segmente 27 jeweils einen inneren Leiterabschnitt 31a und zwei dazu benachbarte schräge äußere Leiterabschnitte 31b auf. Im Unterschied zum Beispiel der Figur 2 schließt sich an diese schrägen Leiterabschnitte 31b jeweils noch ein axialer Endabschnitt 31c an, der ebenfalls Teil des vorgefertigten Leitersegments ist. Mit anderen Worten weisen diese vorgefer- tigten Leitersegmente 27 ähnlich wie in Figur 2 ebenfalls ein wannenförmiges Längsprofil auf. Im Unterschied dazu weisen sie doch jeweils nicht nur zwei Knicke, sondern vier Knicke 32 pro Leitersegment 27 auf. Hierdurch wird erreicht, dass sich die vorgefertigten Leitersegmente 27 auch in ihren End- bereichen 17 entlang der vorgegebenen Stromflussrichtung 25 erstrecken, entlang derer auch die inneren Leiterabschnitte 31a ausgerichtet sind. Diese vorgegebene Stromflussrichtung 25 entspricht in der gesamten Spulenanordnung der Statorwicklung 4 einer elektrischen Maschine der Richtung der zentralen Rotationsachse A. Es wird also durch den zusätzlichen Knick in jedem Endbereich 17 erreicht, dass sich hier die jeweils elektrisch miteinander zu verbindenden Leitersegmente 27 entlang derselben Richtung 25 erstrecken. Hierdurch wird eine größere Kontaktfläche zwischen den jeweils zu verbindenden Segmenten geschaffen, die wie in Figur 4 gezeigt durch die nach dem Positionieren der Leitersegmente gebildeten Kontaktstellen 29 elektrisch verbunden werden. Ein Vorteil dieser Ausführungsform gegenüber dem Beispiel der Figur 2 ist also entsprechend der großflächigere Kontakt in den axialen Endbe- reichen 17. Hierdurch fallen unter Umständen die elektrischen Verluste im Bereich dieser nachträglich geschaffenen Kontaktstellen 29 niedriger aus. Die Ausführungsform gemäß Figur 2 weist jedoch den Vorteil auf, dass die gesamte Spulenanord- nung der Statorwicklung 4 axial deutlich kürzer ausgestaltet werden kann. Hierdurch kann eine kompaktere Bauform und ein niedrigeres Gewicht, also unter Umständen eine höhere Leis¬ tungsdichte erreicht werden. Welche Bauform insgesamt die günstigere ist, hängt unter anderem davon ab, wie viel Platz in axialer Richtung zur Verfügung steht und welche elektrischen Verluste im Bereich der Kontaktstellen 29 toleriert werden können. Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein einzelnes vor¬ gefertigtes Leitersegment 27 in schematische perspektivische Ansicht. Auch dieses vorgefertigte Leitersegment 27 weist ein wannenförmiges Profil und einen einheitlichen, im Wesentli¬ chen rechteckigen Querschnitt auf. Eine solche im wesentli- chen planare Grundform ist günstig, um derartige Leiterseg¬ mente 27, bzw. mit solchen Leitersegmenten ausgebildete Spulen 21i mit einer hohen Packungsdichte über den Umfang der gesamten Spulenanordnung zu stapeln. Dies wird durch die in Figur 7 gezeigte vollständige Spulenanordnung 21 verdeut- licht. In der Ansicht der Figur 5 ist weiterhin zu erkennen, dass das vorgefertigte Leitersegmente 27 auf einer oder meh¬ rerer seiner Oberflächen mit Abstandshaltern 37 versehen sein kann. Hier ist beispielhaft nur die nach innen weisende Ober¬ fläche des inneren Leiterabschnitts 31a mit solchen Abstands- haltern versehen. Dies ist jedoch nur beispielhaft zu verste¬ hen, und es kann vorteilhaft die gesamte nach innen weisende Oberfläche des Leitersegments (also auch im Bereich der äuße¬ ren Leiterabschnitte 31b) und/oder weitere Flächen des Lei¬ tersegments 27 mit solchen Abstandshaltern 37 versehen sein. Ein Vorteil derartiger Ausführungsformen mit Abstandshaltern ist, dass durch diese ein Kühlmittelkanal 35 zwischen benach¬ barten Leitersegmenten definiert werden kann, durch den ein fluides Kühlmittel strömen und so die Spulenanordnung effektiv kühlen kann.
Figur 6 zeigt beispielhaft und sehr stark schematisch den Endbereich 17 eines vorgefertigten Leitersegments 27, wie es in den Spulenanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann. Beispielhaft sind hier nur drei Einzel¬ drähte 38 als Teile dieses Litzenleiters gezeigt, die jedoch stellvertretend für eine wesentlich größere Zahl von Einzel¬ drähten stehen sollen, beispielsweise einige 10 bis einige 1000. Die Drahtzahl kann sehr stark schwanken, je nachdem welcher Drahtdurchmesser und welche Stromtragfähigkeit benö¬ tigt werden. Auf dem größten Teil der Länge des Leiterseg¬ ments 27 sind diese Einzeldrähte 38 jeweils von einem elek¬ trisch isolierenden Isolationsmaterial 39 umgeben. Die so isolierten Einzeldrähte sind wiederum gemeinsam in ein Füllmaterial 40 eingebettet. Dieses kann entweder als Vergussmit¬ tel in einem Vergussverfahren um die zuvor miteinander ver- pressten Einzeldrähte 38 gegossen worden sein oder es kann in einem Imprägnierverfahren als Imprägniermittel (beispielswei- se als Backlack) um die Einzeldrähte 38 herum aufgebracht worden sein. In jedem Fall ist das Füllmaterial 40 nach sei¬ nem Einbringen zwischen die Einzeldrähte 38 ausgehärtet wor¬ den, sodass das Leitersegment 27 hierdurch eine erhöhte me¬ chanische Festigkeit und Formstabilität erhalten hat. In dem gezeigten Endbereich 17, in dem dieses Leitersegment 27 an ein anschließendes Leitersegment innerhalb der Spulenanord¬ nung kontaktiert werden soll, sind hier sowohl Isolationsma¬ terial 39 als auch Füllmittel 40 entfernt worden. Diese Ent¬ fernung kann durch ein chemisches und/oder mechanisches und/oder thermisches Verfahren bewirkt worden sein, beispielsweise durch Ätzen. Die nun in diesem Endbereich 17 freiliegenden Einzeldrähte 38 (von denen wie gesagt eine we¬ sentlich höhere Anzahl vorliegt) können nun in diesem Bereich über eine nachträglich zu schaffende Kontaktstelle mit einem weiteren derartigen Leitersegment elektrisch verbunden werden, beispielsweise durch Schweißen oder Löten. Die Einzeldrähte 38 des Litzenleiters sind über dessen Länge vorteil¬ haft miteinander verdrillt beziehungsweise verseilt, was je¬ doch der Übersichtlichkeit halber in Figur 6 nicht gezeigt ist. Ebenso werden die Einzelleiter im Endbereich durch eine hier nicht dargestellte Kompaktierung miteinander in Kontakt gebracht . Figur 7 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer Spulenanordnung 21 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese Spulenanordnung 21 weist eine Vielzahl von einzelnen Spulen 21i auf, die zum Beispiel je- weils ähnlich wie in den Ausführungsbeispielen der Figuren 2 oder 4 ausgestaltet sein können. Diese einzelnen Spulen 21i sind jeweils so miteinander gestapelt, dass sich insgesamt eine übergeordnete Spulenanordnung 21 mit einer zylindrischen Grundform ergibt. Diese Spulenanordnung kann beispielsweise als Statorwicklung 4 in einer elektrischen Maschine 1 ähnlich wie in der Figur 1 zum Einsatz kommen. Die zentrale Achse A der Spulenanordnung entspricht dann also der Rotationsachse A der elektrischen Maschine. Die Spulenanordnung 21 der Figur 7 weist zwei unterschiedliche Wicklungslagen auf, nämlich eine Unterlage, die innerhalb einer inneren Zylindermantelfläche 20a ausgebildet ist, und eine Oberlage, die innerhalb einer äußeren Zylindermantelfläche 20b ausgebildet ist. Jede der gezeigten (hier 36) Einzelspulen 21i weist wiederum ähnlich wie in den Figuren 2 und 4 jeweils zwei Leiterwindungen auf (hier allgemein mit dem Bezugszeichen wi bezeichnet) , wobei jede Windung wi einen Hinleiter und einen Rückleiter aufweist. Es können nun beispielsweise alle Hinleiter der ein¬ zelnen Spulen 21i innerhalb einer gemeinsamen Wicklungslage angeordnet sein, und alle Rückleiter können innerhalb der an- deren Wicklungslage angeordnet sein. Auf diese Weise wird über alle einzelnen Spulen 21i insgesamt eine sehr hohe Packungsdichte erzielt, da Überkreuzungen der einzelnen Leiterzweige innerhalb einer Wicklungslage vorteilhaft vermieden werden .
Zur Verdeutlichung der verschiedenen möglichen Ausführungsformen zeigt die Figur 7 beispielhaft eine Mischung der zuvor diskutierten möglichen Arten der Kontaktstellen 29: So ist im vorne dargestellten axialen Endbereich 17a ein Kontaktie- rungstyp ähnlich wie in Figur 4 gezeigt. Mit anderen Worten weisen die einzelnen Leitersegmente 27 hier auch Endabschnit¬ te 31c auf, die sich entlang der gleichen vorgegebenen Stromflussrichtung 25 erstrecken, welche hier der Richtung der zentralen Zylinderachse A entspricht. Die Leitersegmente 27 weisen also in ihren axialen Endbereichen 17a einen zusätzlichen Klick auf, wodurch insgesamt der Überlapp zwischen den zu verbindenden Segmenten erhöht wird und der elektrische Wi- derstand im Bereich der Kontaktstellen 29 vermindert wird. Als Beispiel für eine andere Ausführungsform ist im hinten dargestellten axialen Endbereich 17b eine alternative Form und Art der Kontaktierung dargestellt, ähnlich wie im Bei¬ spiel der Figur 2. Hier werden also jeweils die schrägen äußeren Leiterabschnitte 31b in ihrem Überlappbereich direkt miteinander verbunden, ohne dass durch einen weiteren Knick ein eigener Kontaktabschnitt in axialer Richtung geschaffen wird. Hierdurch wird in dem hinteren axialen Endbereich 17b erheblich Platz eingespart, und die gesamte Spulenanordnung 21 kann in axialer Richtung deutlich kürzer ausgeführt werden. So wird erreicht, dass die axiale Länge der gesamten Spulenanordnung 21 nicht noch mehr als nötig über die elektrisch aktive Länge dieser Spulenanordnung hinausgeht, welche im Wesentlichen der axialen Länge der geraden, inneren Lei- terabschnitte 31a entspricht. In einer realen Spulenanordnung 21 würde zweckmäßig in beiden axialen Endbereichen 17a und 17b die gleiche Art von Kontaktierung und Leiterform gewählt. Die beiden unterschiedlichen Varianten sind hier nur beispielhaft mithilfe einer gemeinsamen Figur erklärt.
Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Spulen¬ anordnung 21, welche ebenfalls insbesondere als Statorwick¬ lung einer elektrischen Maschine geeignet ist. Auch diese Spulenanordnung 21 weist eine Mehrzahl (hier zwölf) einzelne Spulen 21i auf. Jede dieser einzelnen Spulen 21i erstreckt sich über den gesamten Umfang der Spulenanordnung 21 und weist dabei vier Hinleiter 23a und vier Rückleiter 23b auf. Dieser Aufbau wird durch Figur 9 verdeutlicht, in der nur eine ausgewählte Spule 21i der Spulenanordnung der Figur 8 dargestellt ist. Die gezeigte Aufteilung einer solchen ver¬ teilten Spule in vier Hin- und vier Rückleiter entspricht der Ausbildung der Statorwicklung zur Anwendung in einer achtpo- ligen elektrischen Maschine, mit anderen Worten einer Maschi- ne, deren Rotor zur Ausbildung eines achtpoligen rotierenden Magnetfeldes ausgelegt ist.
Jeder dieser Teilleiter 23a, 23b ist wiederum als vorgefer- tigtes Leitersegment 27 gebildet, welches analog zu den vor¬ herigen Ausführungsbeispielen als gepresster und mit einem gehärteten Füllmittel in eine feste Form gebrachter Litzenleiter vorliegt. Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen sind die einzelnen Leitersegmente hier als Helixabschnitte ausgebildet. Es handelt sich hier also um eine helikale Wicklung, deren einzelne helixartige Leiter¬ zweige in ihren axialen Endbereichen 17 wiederum über nachträglich eingefügte Kontaktstellen 29 zwischen den vorgefertigten Leitersegmenten verbunden sind. Auch bei einer solchen helikalen Wicklung (auch als Schrägwicklung bezeichnet) kommen die Vorteile der Erfindung wie oben beschrieben zum Tragen: auch hier kann eine sehr dichte Packung der einzelnen Spulen 21i erreicht werden und der Platzbedarf für die Verbindung der einzelnen Leiterzweige zwischen den beiden Wick- lungslagen (Unterlage 4a und Oberlage 4b) kann durch die nachträgliche Kontaktierung gering gehalten werden. Weiterhin wird durch das Verpressen und Härten der einzelnen Leitersegmente bei ihrer vorangehenden Fertigung eine hohe Formtreue und mechanische Festigkeit erreicht. Insbesondere können - sowohl hier als auch bei den vorherigen Ausführungsbeispielen - die Leitersegmente untereinander zumindest gruppenweise mit gleicher Form und Größe ausgestaltet werden. So können hier beispielsweise alle Leitersegmente der Oberlage untereinander gleich ausgebildet sein und es können alle Leitersegmente der Unterlage untereinander gleich ausgebildet sein. So können innerhalb jeder dieser beiden Gruppen die Leitersegmente bei¬ spielsweise mit der gleichen Gussform hergestellt werden, was besonders vorteilhaft zur einfachen Herstellbarkeit und zur Reproduzierbarkeit der Formgebung und somit zu einer hohen Packungsdichte beiträgt.
Bei der Spulenanordnung 21 der Figur 8 sind die einzelnen Spulen 21 drei elektrischen Strängen 41, 42 und 43 zugeord- net. Diese Stränge entsprechen einzelnen Phasen des Dreipha¬ sen-Wechselstroms, der mit der elektrischen Maschine entweder generiert oder in mechanische Energie umgesetzt werden kann. Jeder Strang weist vier in Umfangsrichtung nebeneinanderlie- gende Einzelspulen 21i auf, die jeweils aus einer Mehrzahl von zu einer Leiterschleife verbundenen Leiterzweigen zusammengesetzt sind.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Spulenanordnung (21) umfassend wenigstens eine Leiterwindung (wi,wl,w2) mit zwei Leiterzweigen (23a, 23b), von denen der erste Leiterzweig (23a) bezüglich einer vorge¬ gebenen Stromflussrichtung als Hinleiter ausgebildet ist und der zweite Leiterzweig (23b) bezüglich dieser Stromflussrichtung als Rückleiter ausgebildet ist,
- wobei die einzelnen Leiterzweige (23a, 23b) als verpresste und mit einem gehärteten Füllmittel (40) in eine stabile
Form gebrachte Litzenleiter mit einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Einzeldrähten (38) ausgebildet sind,
- und wobei die einzelnen Leiterzweige (23a, 23b) jeweils als separate, vorgefertigte Leitersegmente (27) gebildet sind, welche jeweils nachträglich in wenigstens einem Endbereich
(17) elektrisch leitend mit einem anderen zugeordneten Leiterzweig (23b, 23a) verbunden sind.
2. Spulenanordnung (21) nach Anspruch 1, welche eine Vielzahl von Leiterwindungen (wi,wl,w2) umfasst, welche in der Art einer verteilten Wicklung (4) um eine zentrale Achse (A) der Spulenanordnung (21) angeordnet sind.
3. Spulenanordnung (21) nach Anspruch 2, bei welcher die ein- zelnen Leiterwindungen (wi,wl,w2) in wenigstens zwei Lagen
(4a, 4b) über den Umfang der Spulenanordnung (21) verteilt sind .
4. Spulenanordnung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, bei welcher die einzelnen vorgefertigten Leitersegmente
(27) einen im Wesentlichen einheitlichen Leiterquerschnitt mit einer im Wesentlichen rechteckigen Grundform der Querschnittsfläche aufweisen. 5. Spulenanordnung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die einzelnen vorgefertigten Leitersegmente (27) auf einer ebenen Grundstruktur basieren, die durch mehrere Knicke (32) zu einem wannenförmigen Profil geformt ist.
6. Spulenanordnung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die leitfähigen Einzeldrähte (38) in den Litzenleitern (27) eine Packungsdichte von wenigstens 70%, insbesondere wenigstens 75%, aufweisen.
7. Spulenanordnung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Litzenleiter (27) jeweils eine summierte Querschnittsfläche der leitfähigen Einzeldrähte (38) von we- nigstens 50 mm2 aufweisen.
8. Spulenanordnung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das für die Formgebung des Litzenleiters (27) verwendete Füllmittel (40) eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 0,5 W/ (m*K) aufweist.
9. Spulenanordnung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Einzeldrähte (38) der Litzenleiter auf einem überwiegenden Teil ihrer Längsausdehnung von einem Iso- lationsmaterial (39) umhüllt sind.
10. Spulenanordnung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Leiterzweige (23a, 23b) in ihren End¬ bereichen (17) durch Schweiß- und/oder Lötverbindungen mit- einander verbunden sind.
11. Spulenanordnung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die einzelnen Leitersegmente (27) eine flache Grundstruktur mit zwei gegenüberliegenden Hauptflächen aufweisen,
wobei wenigstens bei einem Teil der Leitersegmente (27) auf zumindest einer dieser Hauptflächen eine Mehrzahl von Abstandshaltern (37) angeordnet ist, durch die beim Stapeln mehrere solcher Leitersegmente (27) ein Kühlmittelkanal (35) zwischen benachbarten Leitersegmenten (27) freigehalten wird.
12. Spulenanordnung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher innerhalb der einzelnen mit gehärtetem Füllmittel (40) versehenen Leitersegmente (27) wenigstens teilweise Kühlmittelkanäle eingebettet sind.
13. Elektrische Maschine (1), umfassend eine Spulenanordnung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 13, welche für eine Nennleistung von wenigstens 2 MW ausgelegt ist und/oder eine Leistungsdichte von wenigstens 10 kW/kg aufweist.
15. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spulenanordnung (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch
- die Herstellung der Leitersegmente (27) als einzelne vorge- fertigte Bauteile durch Verpressen der Litzenleiter, anschließendes Versehen der jeweiligen Litzenleiter mit einem Füllmittel (40) und Härten des Füllmittels
- die anschließende Positionierung der Leitersegmente (27) als Leiterzweige (23a, 23b) der Spulenanordnung (21)
- sowie die anschließende elektrische Kontaktierung der
einander zugeordneten Leiterzweige (23a, 23b) in ihren Endbereichen ( 17 ) .
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