WO2020207664A1 - Wicklung, rotor sowie elektromotor - Google Patents

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Andreas Jahnke
Thomas Becker
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/32—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
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    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/30—Windings characterised by the insulating material

Definitions

  • the present invention relates to a winding of a conductor element, a rotor for an electrical machine and an electrical machine.
  • Windings of the type in question are usually formed or manufactured from enameled wires. These are mostly copper wires that are coated with an electrically insulating lacquer layer during manufacture. There are a wide variety of winding techniques for producing the windings as such, for example a rotor winding of an electrical machine. The winding is often cast with a suitable potting compound, for example to increase the speed resistance. A major challenge here is in particular to achieve the highest possible packing densities or slot fill factors in order to increase the efficiency of the motors. For this z. B. Gleitopti mated enamelled wires proposed, see. for example DE 10 2010 039 168 A1.
  • EP 2 782 103 A1 explicitly aims to improve adhesion between the potting compound and the enameled wires, an adhesive layer being provided for this purpose between the insulation of the enamelled wire and the potting compound. Disregarding this, the problem has now also emerged in practice that cracks can arise in the insulation, in particular caused by the high speeds. These can be extremely problematic for the operating behavior, especially if they penetrate as far as the wire strands.
  • a winding of at least one conductor element is at least partially surrounded by a potting compound, the conductor element having an internal conductor material, and the conductor element having a first covering layer and a second covering layer for insulation, in particular for electrical insulation, the second covering layer is formed from a material different from a material of the first covering layer, and wherein the conductor element has at least one third covering layer, the ductility of the third covering layer being higher than the ductility of the potting compound.
  • the conductor element is, in particular, a conductor element with a round cross-section, in particular circular, in particular made of a metallic material such as B. Kup fer.
  • the conductor element can also have other cross-sections, such as, for example, a rectangular cross-section.
  • the materials of the first and the second cover layer advantageously differ, in particular in their structure or in their composition.
  • a material of the first cover layer is designed to provide the best possible adhesion on or to the conductor material, while the material of the second cover layer is selected or designed according to one embodiment to ensure a sufficiently high temperature resistance of the conductor element.
  • the first covering layer surrounds the conductor element directly or immediately.
  • the third covering layer advantageously fulfills a third function in that it is designed to stop the progress of cracks or the propagation of cracks in the winding, for example starting from the casting compound.
  • a material of the casting compound is a thermoset. Any crack that may or may not have occurred there can advantageously be stopped by the ductile third shell layer.
  • the third covering layer has a higher ductility, elasticity and / or a higher fracture toughness than the first covering layer and / or the second covering layer or also than the potting compound.
  • the third envelope layer can also be a have higher ductility, elasticity or fracture toughness than the first or second envelope layer. While the first covering layer according to one embodiment preferably surrounds the conductor material directly or immediately, the third covering layer can be positioned differently. According to one embodiment, however, the third covering layer can also be the innermost covering layer, that is to say that covering layer which directly surrounds or sheaths the conductor element.
  • the third covering layer is the outermost covering layer of the conductor element.
  • the first covering layer sheaths the conductor material expediently ßigerweise directly or immediately, where they z. B. is surrounded directly or immediately by the second envelope layer.
  • the third covering layer advantageously forms the outermost covering layer.
  • the third cover layer can also be arranged between the first cover layer and the second cover layer, the first cover layer forming the first layer. The actually best arrangement may have to be determined in each individual case.
  • several third envelope layers can also be provided.
  • a static friction acts between the first cover layer and the conductor element as a contact partner, which is greater than the friction between the third cover layer and one or the adjacent contact partners.
  • the first covering layer is preferably designed in such a way that it has optimal adhesion to the conductor material or conductor core itself.
  • the third shell layer has a reduced static friction and as a result can reach the state of sliding friction “faster” when a force is applied. Through this sliding, forces can be reduced, which also lead to the fact that crack growth or crack propagation from one layer to the next and in particular by the potting compound in the direction of the conductor material can be stopped.
  • the third shell layer is designed to reach the state of sliding friction more quickly than the other shell layers.
  • their static friction to the respective contact partner is designed to be lower than that of the other cover layers.
  • the covering layers each have a plurality of layers, the first covering layer having more layers than the third covering layer.
  • the first cover layer has seven layers, while the second cover layer has three layers and the third cover layer also has three layers.
  • Such a division can be useful because a total thickness the insulation cannot be increased at will. For example, if the first covering layer had ten layers in an original configuration (in the case of a conductor element with two covering layers), their number can expediently be reduced to seven layers, with three layers then being allocated to the third covering layer.
  • a material of the third covering layer is different from a material of the second covering layer.
  • a material of the second cover layer is preferably designed to achieve a certain temperature class or to provide a sufficiently high chemical resistance.
  • the material of the third covering layer is expediently selected to prevent crack propagation as far as possible.
  • the first shell layer, which z. B. rests directly on the conductor material, preferably has very good adhesive properties to this.
  • the conductor material is advantageously copper, or alternatively, for example, aluminum.
  • a material of the third cover layer and the first cover layer is a polyester (PES), in particular a THEIC-modified polyester (THEIC - trishydroxyethyl isocyanurate), a material of the second cover layer preferably being polyamideimide (PAI).
  • PES polyester
  • TEEIC THEIC-modified polyester
  • PAI polyamideimide
  • a degree of crosslinking of the material of the third covering layer is lower than a degree of crosslinking of the material of the first covering layer.
  • a desired ductility can thus be set in a targeted manner.
  • a temperature resistance of the second cover layer is higher than the temperature resistance of the other cover layers.
  • a desired temperature class of the conductor element can advantageously be set in this way.
  • the invention is also directed to a rotor for an electrical machine, comprising at least one winding according to the invention.
  • the invention is also directed to an electric motor or to an electric machine, comprising a rotor according to the invention.
  • the electrical machine is a current-excited synchronous machine, the rotor having one or more windings according to the invention.
  • an extremely speed-stable electric motor can thereby be provided which is characterized in particular by a high level of operational reliability.
  • any crack that may occur in the winding for example arising in the potting compound, can be held up or stopped. This means that the current-carrying conductor itself always remains sufficiently insulated.
  • Fig. 1 a cross section of an embodiment of a conductor element as
  • FIG. 1 shows a schematic view of a conductor element 1 which has a conductor material 10 that is round or circular in cross section.
  • the conductor material 10 is a copper wire, for example.
  • This is directly sheathed or surrounded by a first covering layer 11.
  • the first covering layer 11 in turn is sheathed or surrounded by a second covering layer 12.
  • a third envelope layer 20 is provided as the outermost layer, which is designed in particular to prevent crack propagation within a winding, for example starting from the potting compound (not shown here).
  • the third envelope layer 20 has, in particular, a correspondingly adjusted ductility.
  • the ductility or fracture toughness of the third covering layer 20 is greater than that of the first covering layer 11 and / or the second covering layer 12 or, in particular, greater or higher than that of a potting compound (not shown here) into which the conductor element 1 or the enamelled wire or the winding are embedded. This advantageously ensures that the current-carrying conductor is always provided with sufficient residual insulation.

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Abstract

Wicklung zumindest eines Leiterelements, wobei die Wicklung zumindest bereichsweise von einer Vergussmasse umgeben ist, und wobei das Leiterelement ein innenliegendes Leitermaterial sowie eine erste Hülllage und eine zweite Hülllage zur Isolation aufweist, wobei die zweite Hülllage aus einem zu einem Werkstoff der ersten Hülllage unterschiedlichen Werkstoff gebildet ist, und wobei das Leiterelement zumindest eine dritte Hülllage aufweist, wobei die Duktilität der dritten Hülllage höher ist als die Duktilität der Vergussmasse.

Description

Wicklung, Rotor sowie Elektromotor
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wicklung eines Leiterelements, einen Rotor für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine.
Wicklungen der in Rede stehenden Art werden in der Regel aus Lackdrähten ge formt oder hergestellt. Hierbei handelt es sich meist um Kupferdrähte, welche bei der Fertigung mit einer elektrisch isolierenden Lackschicht überzogen werden. Zum Herstellen der Wicklungen als solcher, beispielsweise einer Rotorwicklung einer elektrischen Maschine, gibt es die verschiedensten Wickeltechniken. Oft ist die Wicklung, beispielsweise um die Drehzahlfestigkeit zu steigern, mit einer geeigneten Vergussmasse vergossen. Eine große Herausforderung besteht vorliegend insbe sondere darin, möglichst hohe Packungsdichten bzw. Nutfüllfaktoren zu erreichen, um so die Wirkungsgrade der Motoren zu erhöhen. Hierfür werden z. B. gleitopti mierte Lackdrähte vorgeschlagen, vgl. beispielsweise die DE 10 2010 039 168 A1. Die EP 2 782 103 A1 stellt explizit darauf ab, eine Haftung zwischen der Verguss masse und den Lackdrähten zu verbessern, wobei hierzu zwischen der Isolation des Lackdrahts und der Vergussmasse eine Haftschicht vorgesehen wird. Dessen unge achtet hat sich in der Praxis nun zusätzlich das Problem herausgestellt, dass in den Isolationen, insbesondere auch hervorgerufen durch die hohen Drehzahlen, Risse entstehen können. Diese können, insbesondere wenn sie bis zu den Drahtlitzen Vor dringen, äußerst problematisch für das Betriebsverhalten sein.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wicklung, einen Rotor sowie eine elektrische Maschine anzugeben, welche sehr robust in Bezug auf ein Risswachstum bzw. in der Lage sind, eine Rissausbreitung, beispielsweise inner halb der Vergussmasse einer Wicklung, möglichst zu unterbinden oder zu verhin dern.
Diese Aufgabe wird durch eine Wicklung gemäß Anspruch 1 , durch einen Rotor ge mäß Anspruch 10 sowie durch einen Elektromotor gemäß Anspruch 11 gelöst. Wei tere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Be schreibung und der beigefügten Figur. Erfindungsgemäß ist eine Wicklung zumindest eines Leiterelements zumindest be reichsweise von einer Vergussmasse umgeben, wobei das Leiterelement ein innen liegendes Leitermaterial aufweist, und wobei das Leiterelement eine erste Hülllage und eine zweite Hülllage zur Isolation, insbesondere zur elektrischen Isolation, auf weist, wobei die zweite Hülllage aus einem zu einem Werkstoff der ersten Hülllage unterschiedlichen Werkstoff gebildet ist, und wobei das Leiterelement zumindest eine dritte Hülllage aufweist, wobei die Duktilität der dritten Hülllage höher als die Duktilität der Vergussmasse ist. Mit Vorteil ermöglicht eine derart mehrlagige Ge staltung, dass insbesondere ein in der Vergussmasse auftretender Riss besser auf genommen bzw. gestoppt oder abgeleitet werden kann, sodass gewährleistet ist, dass immer eine ausreichende Isolationswirkung gewährleistet ist. Bei den Hüllla gen handelt es sich insbesondere um Isolationslagen. Mit anderen Worten sind die stromführenden Leiter auch bei evtl entstehenden Rissen oder dergleichen in der Vergussmasse stets mit einer Restschichtdicke isoliert bzw. geschützt. Die dritte Hülllage kann mit Vorteil durch ihre Duktilität eine Rissausbreitung verhindern bzw. ein Risswachstum stoppen. Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Leiterelement insbesondere um ein im Querschnitt rundes, insbesondere kreisrun des, Leiterelement, insbesondere aus einem metallischen Werkstoff, wie z. B. Kup fer. Alternativ kann das Leiterelement aber auch andere Querschnitte, wie beispiels weise einen rechteckigen Querschnitt, aufweisen. Mit Vorteil unterscheiden sich die Werkstoffe der ersten und der zweiten Hülllage, insbesondere in ihrem Aufbau bzw. in ihrer Zusammensetzung. Bevorzugt ist ein Werkstoff der ersten Hülllage dahinge hend ausgelegt, eine möglichst gute Haftung am bzw. zum Leitermaterial bereitzu stellen, während der Werkstoff der zweiten Hülllage gemäß einer Ausführungsform dahingehend gewählt oder ausgelegt ist, eine ausreichend hohe Temperaturbestän digkeit des Leiterelements zu gewährleisten. Gemäß einer Ausführungsform umgibt die erste Hülllage das Leiterelement direkt bzw. unmittelbar. Die dritte Hülllage er füllt mit Vorteil eine dritte Funktion, indem sie ausgelegt ist, einen Rissfortschritt o- der eine Rissausbreitung in der Wicklung, beispielsweise ausgehend von der Ver gussmasse, aufzuhalten. Gemäß einer Ausführungsform ist ein Werkstoff der Ver gussmasse ein Duroplast. Ein dort ggf. entstehender oder entstandener Riss kann durch die duktile dritte Hülllage mit Vorteil aufgehalten werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die dritte Hülllage eine höhere Duktilität, Elast izität und/oder eine höhere Bruchzähigkeit auf als die erste Hülllage und/oder die zweite Hülllage bzw. auch als die Vergussmasse. Die dritte Hülllage kann auch eine höhere Duktilität, Elastizität oder Bruchzähigkeit als die erste oder die zweite Hüll lage aufweisen. Während die erste Hülllage gemäß einer Ausführungsform bevor zugt direkt bzw. unmittelbar das Leitermaterial umgibt, kann die dritte Hülllage unter schiedlich positioniert sein. Gemäß einer Ausführungsform kann die dritte Hülllage aber auch die innerste Hülllage sein, also diejenige Hülllage, welche das Leiterele ment direkt umgibt oder ummantelt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die dritte Hülllage die äußerste Hüll lage des Leiterelements. Die erste Hülllage ummantelt das Leitermaterial zweckmä ßigerweise direkt oder unmittelbar, wobei sie z. B. direkt bzw. unmittelbar von der zweiten Hülllage umgeben ist. Die dritte Hülllage bildet vorteilhafterweise die äu ßerste Hülllage. Weiter alternativ kann die dritte Hülllage auch zwischen der ersten Hülllage und der zweiten Hülllage angeordnet sein, wobei die erste Hülllage die in nerste Lage bildet. Die tatsächlich beste Anordnung muss ggf. im Einzelfall ermittelt werden. Darüber hinaus können auch mehrere dritte Hülllagen vorgesehen sein.
Gemäß einer Ausführungsform wirkt zwischen der ersten Hülllage und dem Lei terelement als Kontaktpartner eine Haftreibung, welche größer ist als die Haftrei bung der dritten Hülllage zu einem oder den angrenzenden Kontaktpartnern. Bevor zugt ist die erste Hülllage dahingehend gestaltet, dass sie eine optimale Haftung zum Leitermaterial oder Leiterkern selbst aufweist. Die dritte Hülllage weist demge genüber eine reduzierte Haftreibung auf und kann in der Folge bei Krafteinwirkung „schneller“ in den Zustand der Gleitreibung gelangen. Über dieses Gleiten können Kräfte abgebaut werden, welche ebenfalls dazu führen, dass ein Risswachstum o- der eine Rissausbreitung von einer Lage zur nächsten und insbesondere von der Vergussmasse in Richtung des Leitermaterials aufgehalten werden kann. Allgemei ner ausgedrückt ist die dritte Hülllage ausgelegt, schneller in den Zustand der Gleitreibung zu gelangen als die anderen Hülllagen. Insbesondere ist dazu deren Haftreibung zu den jeweiligen Kontaktpartner geringer ausgebildet als die der ande ren Hülllagen.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die Hülllagen jeweils eine Vielzahl von Schichten auf, wobei die erste Hülllage mehr Schichten aufweist als die dritte Hüll lage. Gemäß einer Ausführungsform weist die erste Hülllage sieben Schichten auf, während die zweite Hülllage drei Schichten aufweist und die dritte Hülllage ebenfalls drei Schichten. Eine derartige Aufteilung kann sinnvoll sein, da eine Gesamtdicke der Isolation nicht beliebig erhöht werden kann. Hatte die erste Hülllage beispiels weise in einer ursprünglichen Konfiguration (bei einem Leiterelemente mit zwei Hüll lagen) zehn Schichten, so kann deren Anzahl zweckmäßigerweise auf sieben Schichten reduziert werden, wobei dann drei Schichten auf die dritte Hülllage entfal len.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Werkstoff der dritten Hülllage zu einem Werk stoff der zweiten Hülllage unterschiedlich. Bevorzugt ist ein Werkstoff der zweiten Hülllage dahingehend ausgelegt, eine bestimmte Temperaturklasse zu erreichen bzw. eine ausreichend hohe chemische Beständigkeit bereitzustellen. Zweckmäßi gerweise ist der Werkstoff der dritten Hülllage dahingehend ausgewählt, eine Riss fortpflanzung möglichst zu unterbinden. Die erste Hülllage, welche z. B. direkt am Leitermaterial anliegt, weist bevorzugt sehr gute Hafteigenschaften zu diesem auf. Bei dem Leitermaterial handelt es sich mit Vorteil um Kupfer, alternativ beispiels weise aber auch um Aluminium.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Werkstoff der dritten Hülllage und der ersten Hülllage ein Polyester (PES), insbesondere eine THEIC-modifiziertes Polyester (THEIC - Trishydroxyethylisocyanurat), wobei ein Werkstoff der zweiten Hülllage bevorzugt Polyamidimid (PAI) ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Vernetzungsgrad des Werkstoffs der dritten Hülllage geringer als ein Vernetzungsgrad des Werkstoffs der ersten Hülllage. Damit kann gezielt eine gewünschte Duktilität eingestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Temperaturbeständigkeit der zweiten Hüll lage höher als die Temperaturbeständigkeit der anderen Hülllagen. Mit Vorteil kann darüber eine gewünschte Temperaturklasse des Leiterelements eingestellt werden.
Die Erfindung richtet sich auch auf einen Rotor für eine elektrische Maschine, um fassend zumindest eine erfindungsgemäße Wicklung.
Weiter richtet sich die Erfindung auf einen Elektromotor bzw. auf eine elektrische Maschine, umfassend einen erfindungsgemäßen Rotor. Insbesondere handelt es sich bei der elektrischen Maschine um eine stromerregte Synchronmaschine, wobei der Rotor ein oder mehrere erfindungsgemäße Wicklungen aufweist. Insbesondere kann dadurch ein extrem drehzahlfester Elektromotor bereitgestellt werden, welcher sich insbesondere durch eine hohe Betriebssicherheit auszeichnet. Durch die zu mindest eine dritte Hülllage des Leiterelements kann ein ggf. auftretender Riss in der Wicklung, beispielsweise entstehend in der Vergussmasse, aufgehalten bzw. gestoppt werden. Somit bleibt der stromführende Leiter selbst immer ausreichend isoliert.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform eines Leiterelements mit Bezug auf die beigefügte Figur.
Es zeigt:
Fig. 1 : einen Querschnitt einer Ausführungsform eines Leiterelements als
Bestandteil einer Wicklung.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Leiterelement 1 , welches ein im Querschnitt rundes bzw. kreisrundes Leitermaterial 10 aufweist. Insbesondere han delt es sich bei dem Leitermaterial 10 beispielsweise um einen Kupferdraht. Dieser ist direkt mit einer ersten Hülllage 1 1 ummantelt bzw. von dieser umgeben. Die erste Hülllage 11 wiederum ist von einer zweiten Hülllage 12 ummantelt bzw. umgeben. Als äußerste Lage ist eine dritte Hülllage 20 vorgesehen, welche insbesondere da hingehend ausgelegt ist, einen Rissfortschritt innerhalb einer Wicklung, beispiels weise ausgehend von der Vergussmasse (hier nicht gezeigt), zu unterbinden.
Hierzu weist die dritte Hülllage 20 insbesondere eine entsprechend eingestellte Duk tilität auf. Insbesondere ist die Duktilität bzw. Bruchzähigkeit der dritten Hülllage 20 größer als die der ersten Hülllage 1 1 und/oder der zweiten Hülllage 12 bzw. insbe sondere größer bzw. höher als die einer hier (nicht gezeigten) Vergussmasse, in welche das Leiterelement 1 bzw. der Lackdraht bzw. die Wicklung eingebettet sind. Hierdurch kann mit Vorteil gewährleistet werden, dass der stromführende Leiter im mer mit einer ausreichenden Restisolierung versehen ist. Bezugszeichenliste
1 Leiterelement, Lackdraht 10 Leitermaterial
11 erste Hülllage
12 zweite Hülllage
20 dritte Hülllage

Claims

Ansprüche
1. Wicklung zumindest eines Leiterelements (1),
wobei die Wicklung zumindest bereichsweise von einer Vergussmasse umge ben ist, und
wobei das Leiterelement (1) ein innenliegendes Leitermaterial (10) sowie eine erste Hülllage (11) und eine zweiten Hülllage (12) zur Isolation aufweist, wobei die zweite Hülllage (12) aus einem zu einem Werkstoff der ersten Hüll lage (11) unterschiedlichen Werkstoff gebildet ist, und
wobei das Leiterelement (1) zumindest eine dritte Hülllage (20) aufweist, wobei die Duktilität der dritten Hülllage (20) höher ist als die Duktilität der Ver- gussmasse.
2. Wicklung nach Anspruch 1 ,
wobei die dritte Hülllage (20) eine höhere Duktilität und/oder eine höhere Bruchzähigkeit als die erste Hülllage (11) und/oder die zweite Hülllage (12) aufweist.
3. Wicklung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die dritte Hülllage (20) die äußerste Hülllage ist.
4. Wicklung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zwischen der ersten Hülllage (11) und dem Leiterelement (1) als Kon taktpartner eine Haftreibung wirkt, welche größer ist als die Haftreibung der dritten Hülllage (20) zu einem oder den angrenzenden Kontaktpartnern.
5. Wicklung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Hülllagen (11 , 12, 20) jeweils eine Vielzahl von Schichten aufwei sen, und
wobei die erste Hülllage (11) mehr Schichten aufweist als die dritte Hülllage (20).
6. Wicklung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei ein Werkstoff der dritten Hülllage (20) zu einem Werkstoff der zweiten Hülllage (12) unterschiedlich ist.
7. Wicklung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei ein Werkstoff der dritten Hülllage (20) und der ersten Hülllage (11) PES ist, und
wobei ein Werkstoff der zweiten Hülllage (12) PAI ist.
8. Wicklung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei ein Vernetzungsgrad des Werkstoffs der dritten Hülllage (20) geringer ist als ein Vernetzungsgrad des Werkstoffs der ersten Hülllage (11).
9. Wicklung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei eine Temperaturbeständigkeit der zweiten Hülllage (12) höher ist als die
Temperaturbeständigkeit der anderen Hülllagen (11 , 20).
10. Rotor, umfassend zumindest eine Wicklung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
11. Elektromotor, umfassend einen Rotor nach Anspruch 10.
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