WO2021094018A1 - Komponente einer elektrischen maschine - Google Patents

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WO2021094018A1
WO2021094018A1 PCT/EP2020/076260 EP2020076260W WO2021094018A1 WO 2021094018 A1 WO2021094018 A1 WO 2021094018A1 EP 2020076260 W EP2020076260 W EP 2020076260W WO 2021094018 A1 WO2021094018 A1 WO 2021094018A1
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component
pultrusion
grooves
conductor strands
profiles
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PCT/EP2020/076260
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French (fr)
Inventor
Uwe Knappenberger
Manuel Gaertner
Uwe Vollmer
Bastian Vogt
Andreas Heider
Claus-Christian Oetting
Heiko Wurster
Karim Bahroun
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention is based on a component of an electrical machine, in particular a rotor or stator, according to the preamble of the main claim.
  • a rotor of an electrically excited synchronous machine is already known from US 2017/0264175 A1, with a rotor body rotatable about a rotor axis, which has several salient poles and grooves formed between the salient poles, in each of the grooves electrical conductors of two adjacent individual coils one electrical Winding are arranged.
  • the manufacture of conventional electrical windings is comparatively complex, since it includes a winding process for winding the individual coils.
  • attempts are still being made to further increase the copper fill factor in the grooves.
  • Pultrusion profiles are already known from EP 3 283 279 B1, with a longitudinal extension and a specific cross-sectional shape, produced by means of a pultrusion process, comprising several fiber-shaped strands and an electrically insulating matrix material embedding the strands.
  • the component according to the invention of an electrical machine with the characterizing features of the main claim has the advantage that the production of the electrical winding is simplified by one or more pultrusion profiles being inserted into the grooves, each of which has a plurality of conductor strands designed as electrical conductors, in particular made of copper , Aluminum, carbon nanotubes or graphene, and an electrically insulating matrix material embedding the conductor strands, in particular a cured thermosetting molding compound, and each having a longitudinal extension and a extend certain cross-sectional shape through the grooves of the component body.
  • the conductor strands of pultrusion profiles from different grooves are connected to one another by means of connecting conductors, in particular soldered, welded or glued, so that the electrical winding is formed.
  • the manufacture of the electrical winding is particularly simple if only one pultrusion profile is provided in each of the grooves of the component.
  • the pultrusion profiles according to the invention are produced by means of the known pultrusion process in a pultrusion device, the pultrusion process producing an endless pultrusion profile which has a specific cross-sectional shape and is separated into the pultrusion profiles according to the invention by a cutting process.
  • the pultrusion profiles are used to produce an electrical winding of an electrical machine, in that the strands of the pultrusion profiles are designed as electrically conductive conductor strands and are correspondingly electrically connected in the end winding to form the electrical winding.
  • the conductor strands of each of the pultrusion profiles are electrically insulated from one another by providing a spacing between the conductor strands, the space between the conductor strands formed by the spacing being filled with the matrix material of the pultrusion profile, the embedded conductor strands of the pultrusion profiles and / or the connecting conductors are designed in particular without an insulation coating.
  • the insulation papers conventionally used in the grooves for electrical insulation of the electrical winding from the component for example a laminated core of a stator or rotor, can be dispensed with.
  • the sensitive conventional insulation coating or Lacquer insulation of the electrical conductors can be dispensed with, so that the material costs for the electrical conductors of the electrical winding can be reduced considerably and the rejects in the production of the component can be reduced.
  • the distance between the conductor strands in the respective pultrusion profile can be adjusted by introducing electrically insulating additives in the form of, for example, staple or continuous fibers, textiles or flat textile structures or in the form of a powder or granulate.
  • the material properties of the matrix material can also be set in a targeted manner, depending on the type and shape of the aggregate. These include the thermal conductivity to improve the heat dissipation from the conductor strands of the pultrusion profile, the mechanical properties to improve the speed stability and the thermal expansion coefficient to improve the bond with thermal expansion.
  • the cross-sectional shape of the pultrusion profiles has two profile sides facing the teeth of the respective groove, the conductor strands being arranged in one or more stack arrangements in the respective pultrusion profile, the stack arrangement being in the direction of one of the profile sides or in the radial direction extends the component axis of the component.
  • a single pultrusion profile is provided in the grooves and the cross-section of the pultrusion profiles is designed to correspond to the cross-section of the grooves or if several pultrusion profiles are arranged in the grooves and the common cross-section of the pultrusion profiles arranged in the same groove corresponds to the cross-section of the respective grooves Groove is formed.
  • the grooves of the component are each completely filled by a single pultrusion profile or by several pultrusion profiles.
  • the teeth of the component viewed in the radial direction with respect to the component axis, each have a cantilevered tooth head at their free end and that the pultrusion profiles of the component are each received positively in the respective groove and interact with the corresponding tooth heads in the respective groove are held. In this way a simple fixation of the pultrusion profiles in the grooves of the component is achieved. In the case of rotors, a high speed stability of the rotor is achieved in particular.
  • At least one cooling channel for a cooling medium, in particular a cooling liquid, to flow through is formed in the pultrusion profile. In this way, effective cooling of the conductor strands of the respective pultrusion profile can be achieved.
  • the conductor strands of the pultrusion profiles and the connecting conductors are rod-shaped and each have a rectangular conductor cross-section and the connecting conductors are each attached to the front end of the respective conductor strand transversely to the longitudinal extension of the respective pultrusion profile and a winding head is attached to the two end faces of the component form. In this way it can be achieved that when the electrical conductors are joined, the entire conductor cross-section of each conductor strand is contacted with the associated connecting conductor, so that additional ohmic losses are avoided.
  • a radius-free or bend-free transition is achieved between the conductor strands of the respective pultrusion profile and the corresponding connecting conductors and thus a very short end winding of the electrical winding in the axial direction with respect to the component axis, so that a correspondingly short axial length of the electrical machine can be achieved.
  • the conductor cross-section of the connecting conductors and the conductor cross-section of the conductor strands of the pultrusion profiles can be of the same size or different sizes.
  • a winding head unit is provided on each of the two end faces of the component, which includes all connecting conductors of the respective winding head and is designed to join the conductor strands of the pultrusion profiles with the corresponding connecting conductors, in particular for the simultaneous production of several or all joints. In this way, the electrical winding can be produced in a particularly simple and cost-effective manner.
  • the component of the electrical machine is a rotor of an electrically excited synchronous machine, the teeth of which are salient poles, the conductor strands facing the same salient pole two adjacent pultrusion profiles are each connected by means of the connecting conductors to form a single coil, and connecting conductors are provided which electrically connect the individual coils to one another to form the electrical winding of the rotor.
  • Fig.l shows a partial view of an end face of a rotor according to the invention of an electrical machine with pultrusion profiles arranged in grooves of the rotor according to a first embodiment
  • FIG. 2 a three-dimensional sectional view of the rotor according to FIG.
  • FIG. 3 shows a further three-dimensional sectional view of the rotor according to FIG. 1 with a view of the other end face of the rotor
  • FIG. 4 shows a partial view of the rotor according to the invention according to FIG. 1 with an im
  • FIG. 5 shows a three-dimensional sectional view of the pultrusion profile according to FIG.
  • Fig.l shows a partial view of an end face of a rotor according to the invention of an electrical machine with pultrusion profiles arranged in grooves of the rotor according to a first embodiment.
  • the invention relates to a component 1 of an electrical machine, for example a rotor or a stator of the electrical machine.
  • the component 1 is a rotor.
  • the invention can expressly also be provided on a stator.
  • the component 1 has a component body 2, for example a laminated core, which has a plurality of teeth 3 and grooves 4 formed between the teeth 3 and includes a component axis 5.
  • a component body 2 for example a laminated core, which has a plurality of teeth 3 and grooves 4 formed between the teeth 3 and includes a component axis 5.
  • electrical conductors 6 of an electrical winding 7 are arranged.
  • one or more pultrusion profiles 10 are arranged in the grooves 4 of the component body 2, each of which comprises a plurality of conductor strands 11 designed as electrical conductors 6 and an electrically insulating matrix material 12 that embeds the conductor strands 11 and each has a longitudinal extension and of a certain cross-sectional shape through the grooves 4 of the component body 2 and protrude from the respective groove 4 on both sides.
  • the pultrusion profiles 10 could each terminate flush with the respective end face of the component body 2.
  • An embodiment of a pultrusion profile 10 according to the invention is shown in FIG.
  • the conductor strands 11 of the pultrusion profiles 10 are made, for example, of copper, aluminum, carbon nanotubes or graphene.
  • the matrix material 12 can, for example, be a so-called thermosetting or thermoplastic matrix system.
  • the matrix material 12 can contain means for setting the material properties with regard to strength, heat conduction or thermal expansion, for example corresponding fibers, textile surfaces or powders or granulates.
  • the conductor strands 11 of pultrusion profiles 10 from different grooves 4 are connected to one another by means of connecting conductors 15, in particular soldered, welded or glued, so that the electrical winding 7 is formed.
  • the component 1 is a rotor of an electrically excited synchronous machine, the teeth 3 of which are salient poles, the conductor strands 11 of two adjacent pultrusion profiles 10 facing the same salient pole 3 being connected by means of the connecting conductors 15 to form a single coil.
  • further connecting conductors 14 are provided which electrically connect the individual coils to one another to form the electrical winding 7 of the rotor 1.
  • all further connecting conductors 14 are provided on one of the two end faces of the rotor 1.
  • the conductor strands 11 of each of the pultrusion profiles 10 are electrically insulated from one another by providing a distance A between each Conductor strands 11.
  • the intermediate space formed by the distance A between the conductor strands 11 is each filled with the matrix material 12 of the pultrusion profile 10.
  • the embedded conductor strands 11 of the pultrusion profiles 10 and / or the connecting conductors 15 can thereby be formed without the otherwise usual insulation coating.
  • the cross-sectional shape of the pultrusion profiles 10 each has two profile sides 20 which face the teeth 3 of the respective groove 4.
  • the conductor strands 11 in the respective pultrusion profile 10 are arranged, for example, in one or more stack arrangements 16, the stack arrangement 16 each extending in the direction of one of the profile sides 20 or in the radial direction with respect to the component axis 5 of the component 1.
  • two stack arrangements 16 are provided in each pultrusion profile 10, one stack arrangement 16 forming one coil side of one of the individual coils and the other stack arrangement forming one coil side of the respective adjacent individual coil.
  • a single pultrusion profile 10 is provided in the grooves 4 and the cross section of the pultrusion profiles 10 is designed to correspond to the cross section of the grooves 4.
  • several pultrusion profiles 10 can also be arranged in the individual grooves 4 and the common cross section of the pultrusion profiles 10 arranged in the same groove 4 can be designed to correspond to the cross section of the respective groove 4.
  • each pultrusion profile 10 is formed identically according to a first embodiment of the pultrusion profile 10 shown in FIGS. 1 to 3, that is to say they have the same conductor cross-section and the same cross-sectional shape.
  • At least one cooling channel 18 can be formed in each case for a cooling medium, in particular a cooling liquid, to flow through in order to effectively cool the conductor strands 11 of each pultrusion profile.
  • a cover-shaped fluid guide element on one of the two end faces of a rotor electrical machine, can be arranged and fastened, with which cooling liquid is collected from a cooling channel of a rotor shaft, not shown, of the rotor 1 and can be guided into the cooling channels 18 of the pultrusion profiles 10.
  • Fig. 2 shows a three-dimensional sectional view of the rotor according to Fig.l.
  • the conductor strands 11 of the pultrusion profiles 10 and the connecting conductors 15 are each rod-shaped or straight-legged and each have a rectangular conductor cross-section.
  • the connecting conductors 15 are each attached transversely to the longitudinal extension of the respective pultrusion profile 10 to the end face of the respective conductor strand 11 and each form a winding head on the two end faces of the component 1.
  • the connecting conductors 15 can also be angled or curved for connection to the corresponding conductor strands 11 and / or to achieve high speed stability.
  • the connecting conductors 15 can be joined to the corresponding conductor strand 11, for example by laser bonding or deep welding, in that the laser beam is irradiated into the connecting conductor 15 from a side facing away from the conductor strand 11.
  • the connecting conductors 15 can be embedded in an electrical insulation compound 21 provided on the respective end face of the component 1 for electrical insulation and / or for mechanical reinforcement of the end windings.
  • a winding head unit (not shown) can be provided on each of the two end faces of the component 1, which includes all connecting conductors 15 of the respective winding head and is designed to join the conductor strands 11 of the pultrusion profiles 10 with the corresponding connecting conductors 15, in particular for the simultaneous production of several or all of the joint connections provided for the respective end face. In this way, all connecting conductors 15 of each end winding are combined to form one of the end winding units.
  • FIG. 3 shows a further three-dimensional sectional view of the rotor 1 according to FIG. 1 with a view of the other end face of the rotor 1.
  • FIG. 4 shows a partial view of the rotor according to the invention according to FIG. 1 with a pultrusion profile according to a second embodiment.
  • the pultrusion profile 10 according to the second embodiment differs from the first embodiment only in that it has conductor strands 11 with different conductor cross-sections.
  • a higher copper filling factor in the grooves 4 of the component 1 can be achieved by means of the second embodiment compared to the first embodiment.
  • FIG. 5 shows a three-dimensional view of the pultrusion profile according to FIG.
  • the pultrusion profile 10 according to the invention is produced by means of a pultrusion process in a pultrusion device, the pultrusion process producing an endless pultrusion profile which has a specific cross-sectional shape and is divided into the pultrusion profiles 10 with the correct length by a separation process.
  • the endless pultrusion profile comprises several strands and a matrix material 12 embedding the strands.
  • the strands are designed as electrically conductive conductor strands 11 and in the pultrusion device at certain intervals and over a certain length by a sealing of the conductor strands set up in the pultrusion device 11 are not impregnated with matrix material 12 in order to automatically obtain pultrusion profiles 10 during the separation process which have ends of conductor strands 11 that are not electrically insulated at their ends.

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Abstract

Komponente (1) einer elektrischen Maschine, insbesondere Rotor oder Stator, mit einem Komponentenkörper (2), insbesondere einem Blechpaket, der mehrere Zähne (3) und zwischen den Zähnen (3) gebildete Nuten (4) aufweist, wobei in mehreren der Nuten (4) elektrische Leiter einer elektrischen Wicklung (7) angeordnet sind, wobei der Komponentenkörper (2) eine Komponentenachse (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - in den Nuten (4) jeweils ein oder mehrere Pultrusionsprofile (10) angeordnet sind, die jeweils mehrere als elektrische Leiter ausgebildete Leiterstränge (11), insbesondere aus Kupfer, Aluminium, Carbon-Nanotubes oder Graphen, und ein die Leiterstränge (11) einbettendes, elektrisch isolierendes Matrixmaterial (12), insbesondere eine ausgehärtete duroplastische Formmasse, umfassen und sich jeweils mit einer Längserstreckung und einer bestimmten Querschnittsform durch die Nuten (4) des Komponentenkörpers (2) hindurch erstrecken, dass - Leiterstränge (11) von Pultrusionsprofilen (10) aus unterschiedlichen Nuten (4) mittels von Verbindungsleitern (15) derart miteinander verbunden sind, insbesondere verlötet, verschweißt oder verklebt, dass die elektrische Wicklung (7) gebildet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Komponente einer elektrischen Maschine
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Komponente einer elektrischen Maschine, insbesondere Rotor oder Stator, nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist schon ein Rotor einer elektrisch erregten Synchronmaschine aus der US 2017/0264175 Al bekannt, mit einem um eine Rotorachse drehbaren Rotorkörper, der mehrere Schenkelpole und zwischen den Schenkelpolen gebildete Nuten aufweist, wobei in jeder der Nuten jeweils elektrische Leiter zweier benachbarter Einzelspulen einer elektrischen Wicklung angeordnet sind. Die Fertigung von herkömmlichen elektrischen Wicklungen ist vergleichsweise aufwendig, da sie einen Wickelprozess zum Wickeln der Einzelspulen umfasst. Außerdem wird weiterhin versucht, den Kupferfüllfaktor in den Nuten weiter zu erhöhen.
Es sind schon Pultrusionsprofile aus der EP 3 283 279 Bl bekannt, mit einer Längserstreckung und einer bestimmten Querschnittsform, hergestellt mittels eines Pultrusionsverfahrens, umfassend mehrere faserförmige Stränge und ein die Stränge einbettendes, elektrisch isolierendes Matrixmaterial.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Komponente einer elektrischen Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Herstellung der elektrischen Wicklung vereinfacht wird, indem in den Nuten jeweils ein oder mehrere Pultrusionsprofile eingesteckt sind, die jeweils mehrere als elektrische Leiter ausgebildete Leiterstränge, insbesondere aus Kupfer, Aluminium, Carbon-Nanotubes oder Graphen, und ein die Leiterstränge einbettendes, elektrisch isolierendes Matrixmaterial, insbesondere eine ausgehärtete duroplastische Formmasse, umfassen und sich jeweils mit einer Längserstreckung und einer bestimmten Querschnittsform durch die Nuten des Komponentenkörpers hindurch erstrecken. Die Leiterstränge von Pultrusionsprofilen aus unterschiedlichen Nuten sind erfindungsgemäß mittels von Verbindungsleitern derart miteinander verbunden, insbesondere verlötet, verschweißt oder verklebt, dass die elektrische Wicklung gebildet ist. Besonders einfach ist die Herstellung der elektrischen Wicklung, wenn in jeder der Nuten der Komponente nur ein Pultrusionsprofil vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäßen Pultrusionsprofile werden mittels des bekannten Pultrusionsverfahrens in einer Pultrusionseinrichtung hergestellt, wobei das Pultrusionsverfahren ein Endlos-Pultrusionsprofil erzeugt, das eine bestimmte Querschnittsform aufweist und durch einen Trennprozess in die erfindungsgemäßen Pultrusionsprofile getrennt wird. Erfindungsgemäß werden die Pultrusionsprofile zur Herstellung einer elektrischen Wicklung einer elektrischen Maschine verwendet, indem die Stränge der Pultrusionsprofile als elektrisch leitende Leiterstränge ausgebildet werden und im Wickelkopf zur Bildung der elektrischen Wicklung entsprechend elektrisch verbunden werden. Während bei einer konventionellen Steckwicklung, die nachträglich in einem diskontinuierlichen Prozess in einer elektrisch isolierenden Gießmasse eingebettet wird, Lufteinschlüsse zwischen den Leiterelementen entstehen können, kann dies bei dem kontinuierlichen Pultrusionsverfahren aufgrund einer luftdicht abgeschlossenen Werkzeugeinheit der Pultrusionseinrichtung vermieden werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Komponente einer elektrischen Maschine möglich.
Sehr vorteilhaft ist, wenn die Leiterstränge jedes der Pultrusionsprofile gegeneinander elektrisch isoliert sind durch Vorsehen jeweils eines Abstandes zwischen den Leitersträngen, wobei der durch den Abstand gebildete Zwischenraum zwischen den Leitersträngen jeweils mit dem Matrixmaterial des Pultrusionsprofils ausgefüllt ist, wobei die eingebetteten Leiterstränge der Pultrusionsprofile und/oder die Verbindungsleiter insbesondere ohne Isolationsbeschichtung ausgebildet sind. Auf diese Weise können zum einen die herkömmlich in den Nuten eingesetzten Isolationspapiere zur elektrischen Isolation der elektrischen Wicklung gegenüber der Komponente, beispielsweise ein Blechpaket eines Stators oder Rotors, entfallen. Zum anderen kann auf die empfindliche herkömmliche Isolationsbeschichtung bzw. Lackisolation der elektrischen Leiter verzichtet werden, so dass die Materialkosten für die elektrischen Leiter der elektrischen Wicklung erheblich verringert werden können und der Ausschuss bei der Produktion der Komponente gesenkt werden kann. Der Abstand zwischen den Leitersträngen im jeweiligen Pultrusionsprofil kann durch das Einbringen von elektrisch isolierenden Zuschlagsstoffen in Form von beispielsweise Stapel- oder Endlosfasern, Textilien oder textilen Flächengebilden oder in Form eines Pulvers oder Granulates eingestellt werden. Auf diese Weise können auch -je nach Art und Form des Zuschlagsstoffes- die Werkstoffeigenschaften des Matrixmaterials gezielt eingestellt werden. Hierzu zählen u.a. die thermische Leitfähigkeit zur Verbesserung der Wärmeabfuhr aus den Leitersträngen des Pultrusionsprofils heraus, die mechanischen Eigenschaften zur Verbesserung der Drehzahlfestigkeit und der thermische Ausdehnungskoeffizient zur Verbesserung der Verbundhaftung bei thermischer Ausdehnung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass die Querschnittsform der Pultrusionsprofile zwei den Zähnen der jeweiligen Nut zugewandte Profilseiten aufweist, wobei die Leiterstränge im jeweiligen Pultrusionsprofil in einer oder mehreren Stapelanordnungen angeordnet sind, wobei die Stapelanordnung sich in Richtung einer der Profilseiten oder in radialer Richtung bezüglich der Komponentenachse der Komponente erstreckt. Durch die Stapelanordnung wird ein möglichst hoher Kupferfüllfaktor in der jeweiligen Nut der Komponente erreicht.
Besonders vorteilhaft ist, wenn jeweils ein einziges Pultrusionsprofil in den Nuten vorgesehen und der Querschnitt der Pultrusionsprofile korrespondierend zum Querschnitt der Nuten ausgebildet ist oder dass jeweils mehrere Pultrusionsprofile in den Nuten angeordnet sind und der gemeinsame Querschnitt der in derselben Nut angeordneten Pultrusionsprofile korrespondierend zum Querschnitt der jeweiligen Nut ausgebildet ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Nuten der Komponente jeweils durch ein einziges Pultrusionsprofil oder durch mehrere Pultrusionsprofile voll ausgefüllt werden.
Auch vorteilhaft ist, wenn die Zähne der Komponente in radialer Richtung bezüglich der Komponentenachse gesehen jeweils an ihrem freien Ende einen beidseitig auskragenden Zahnkopf aufweisen und dass die Pultrusionsprofile der Komponente jeweils formschlüssig in der jeweiligen Nut aufgenommen und im Zusammenwirken mit den entsprechenden Zahnköpfen in der jeweiligen Nut gehalten sind. Auf diese Weise wird eine einfache Fixierung der Pultrusionsprofile in den Nuten der Komponente erreicht. Bei Rotoren wird insbesondere eine hohe Drehzahlfestigkeit des Rotors erzielt.
Des weiteren vorteilhaft ist, wenn in dem Pultrusionsprofil zumindest ein Kühlkanal zum Durchströmen mit einem Kühlmedium, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, ausgebildet ist. Auf diese Weise kann eine effektive Kühlung der Leiterstränge des jeweiligen Pultrusionsprofils erreicht werden.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Leiterstränge der Pultrusionsprofile und die Verbindungsleiter stabförmig ausgebildet sind und jeweils einen rechteckförmigen Leiterquerschnitt aufweisen und die Verbindungsleiter jeweils quer zur Längserstreckung des jeweiligen Pultrusionsprofils an das stirnseitige Ende des jeweiligen Leiterstrangs angefügt sind und an den beiden Stirnseiten der Komponente jeweils einen Wickelkopf bilden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass beim Fügen der elektrischen Leiter jeweils der gesamte Leiterquerschnitt jedes Leiterstrangs mit dem zugeordneten Verbindungsleiter kontaktiert wird, so dass zusätzliche ohmsche Verluste vermieden werden. Außerdem wird ein radienfreier bzw. biegungsfreier Übergang zwischen den Leitersträngen des jeweiligen Pultrusionsprofils und den entsprechenden Verbindungsleitern und dadurch ein in axialer Richtung bezüglich der Komponentenachse sehr kurz ausgeführter Wickelkopf der elektrischen Wicklung erreicht, so dass eine entsprechend kurze axiale Baulänge der elektrischen Maschine erzielbar ist. Der Leiterquerschnitt der Verbindungsleiter und der Leiterquerschnitt der Leiterstränge der Pultrusionsprofile kann gleich groß oder unterschiedlich groß ausgebildet sein.
Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn an den beiden Stirnseiten der Komponente jeweils eine Wickelkopfeinheit vorgesehen ist, die alle Verbindungsleiter des jeweiligen Wickelkopfes umfasst und zum Fügen der Leiterstränge der Pultrusionsprofile mit den entsprechenden Verbindungsleitern ausgebildet ist, insbesondere zum gleichzeitigen Herstellen mehrerer oder aller Fügeverbindungen. Auf diese Weise kann die elektrische Wicklung besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Komponente der elektrischen Maschine ein Rotor einer elektrisch erregten Synchronmaschine, dessen Zähne Schenkelpole sind, wobei die demselben Schenkelpol zugewandten Leiterstränge zweier benachbarter Pultrusionsprofile jeweils mittels der Verbindungsleiter zu einer Einzelspule verbunden sind und wobei Verbindungsleiter vorgesehen sind, die die Einzelspulen zur Bildung der elektrischen Wicklung des Rotors miteinander elektrisch verbinden.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Fig.l zeigt eine Teilansicht einer Stirnseite eines erfindungsgemäßen Rotors einer elektrischen Maschine mit in Nuten des Rotors angeordneten Pultrusionsprofilen gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig.2 eine dreidimensionale Schnittansicht des Rotors nach Fig.l,
Fig.3 eine weitere dreidimensionale Schnittansicht des Rotors nach Fig.l mit Blick auf die andere Stirnseite des Rotors,
Fig.4 eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Rotors nach Fig.l mit einem im
Schnitt dargestellten Pultrusionsprofil gemäß einer zweiten Ausführungsform und
Fig.5 eine dreidimensionale Schnittansicht des Pultrusionsprofils nach Fig.4.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Fig.l zeigt eine Teilansicht einer Stirnseite eines erfindungsgemäßen Rotors einer elektrischen Maschine mit in Nuten des Rotors angeordneten Pultrusionsprofilen gemäß einer ersten Ausführungsform.
Die Erfindung betrifft eine Komponente 1 einer elektrischen Maschine, beispielsweise einen Rotor oder einen Stator der elektrischen Maschine. Nach dem Ausführungsbeispiel in Fig.l ist die Komponente 1 ein Rotor. Die Erfindung kann jedoch ausdrücklich auch an einem Stator vorgesehen sein.
Die Komponente 1 hat einen Komponentenkörper 2, beispielsweise ein Blechpaket, der mehrere Zähne 3 und zwischen den Zähnen 3 gebildete Nuten 4 aufweist sowie eine Komponentenachse 5 umfasst. In mehreren oder allen Nuten 4 des Komponentenkörpers 2 sind elektrische Leiter 6 einer elektrischen Wicklung 7 angeordnet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in den Nuten 4 des Komponentenkörpers 2 jeweils ein oder mehrere Pultrusionsprofile 10 angeordnet sind, die jeweils mehrere als elektrische Leiter 6 ausgebildete Leiterstränge 11 und ein die Leiterstränge 11 einbettendes, elektrisch isolierendes Matrixmaterial 12 umfassen und sich jeweils mit einer Längserstreckung und einer bestimmten Querschnittsform durch die Nuten 4 des Komponentenkörpers 2 hindurch erstrecken und jeweils beidseitig aus der jeweiligen Nut 4 herausstehen. Alternativ könnten die Pultrusionsprofile 10 jeweils bündig an der jeweiligen Stirnseite des Komponentenkörpers 2 abschließen. Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pultrusionsprofils 10 ist in Fig.5 dargestellt. Die Leiterstränge 11 der Pultrusionsprofile 10 sind beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Carbon-Nanotubes oder Graphen hergestellt. Das Matrixmaterial 12 kann beispielsweise ein sogenanntes duroplastisches oder thermoplastisches Matrixsystem sein. Außerdem kann das Matrixmaterial 12 Mittel zur Einstellung der Materialeigenschaften bezüglich Festigkeit, Wärmeleitung oder thermischer Ausdehnung enthalten, beispielsweise entsprechende Fasern, textile Flächen oder Pulver bzw. Granulate.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Leiterstränge 11 von Pultrusionsprofilen 10 aus unterschiedlichen Nuten 4 mittels von Verbindungsleitern 15 derart miteinander verbunden sind, insbesondere verlötet, verschweißt oder verklebt, dass die elektrische Wicklung 7 gebildet ist.
Nach dem Ausführungsbeispiel ist die Komponente 1 ein Rotor einer elektrisch erregten Synchronmaschine, dessen Zähne 3 Schenkelpole sind, wobei die demselben Schenkelpol 3 zugewandten Leiterstränge 11 zweier benachbarter Pultrusionsprofile 10 jeweils mittels der Verbindungsleiter 15 zu einer Einzelspule verbunden sind. Außerdem sind weitere Verbindungsleiter 14 vorgesehen, die die Einzelspulen zur Bildung der elektrischen Wicklung 7 des Rotors 1 miteinander elektrisch verbinden. Beispielsweise sind alle weiteren Verbindungsleiter 14 auf einer der beiden Stirnseiten des Rotors 1 vorgesehen.
Die Leiterstränge 11 jedes einzelnen der Pultrusionsprofile 10 sind gegeneinander elektrisch isoliert durch Vorsehen jeweils eines Abstandes A zwischen den Leitersträngen 11. Der durch den Abstand A gebildete Zwischenraum zwischen den Leitersträngen 11 ist jeweils mit dem Matrixmaterial 12 des Pultrusionsprofils 10 ausgefüllt. Die eingebetteten Leiterstränge 11 der Pultrusionsprofile 10 und/oder die Verbindungsleiter 15 können dadurch ohne die sonst übliche Isolationsbeschichtung ausgebildet sein.
Die Querschnittsform der Pultrusionsprofile 10 weist jeweils zwei Profilseiten 20 auf, die den Zähnen 3 der jeweiligen Nut 4 zugewandt sind. Die Leiterstränge 11 im jeweiligen Pultrusionsprofil 10 sind beispielsweise in einer oder mehreren Stapelanordnungen 16 angeordnet, wobei die Stapelanordnung 16 sich jeweils in Richtung einer der Profilseiten 20 oder in radialer Richtung bezüglich der Komponentenachse 5 der Komponente 1 erstreckt. Nach dem Ausführungsbeispiel sind in jedem Pultrusionsprofil 10 zwei Stapelanordnungen 16 vorgesehen, wobei die eine Stapelanordnung 16 eine Spulenseite einer der Einzelspulen und die andere Stapelanordnung eine Spulenseite der jeweils benachbarten Einzelspule bildet.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jeweils ein einziges Pultrusionsprofil 10 in den Nuten 4 vorgesehen und der Querschnitt der Pultrusionsprofile 10 korrespondierend zum Querschnitt der Nuten 4 ausgebildet. Alternativ können aber auch jeweils mehrere Pultrusionsprofile 10 in den einzelnen Nuten 4 angeordnet und der gemeinsame Querschnitt der in derselben Nut 4 angeordneten Pultrusionsprofile 10 korrespondierend zum Querschnitt der jeweiligen Nut 4 ausgebildet sein. Die Zähne 3 der Komponente 1 haben in radialer Richtung bezüglich der Komponentenachse 5 gesehen jeweils an ihrem freien Ende einen beidseitig auskragenden Zahnkopf 17. Aufgrund ihrer Querschnittsform sind die Pultrusionsprofile 10 der Komponente 1 jeweils formschlüssig in der jeweiligen Nut aufgenommen und im Zusammenwirken mit den entsprechenden Zahnköpfen 17 in der jeweiligen Nut 4 gehalten bzw. fixiert.
Die Leiterstränge 11 jedes Pultrusionsprofils 10 sind gemäß einer in den Fig.l bis Fig.3 gezeigten ersten Ausführungsform des Pultrusionsprofils 10 identisch ausgebildet, haben also den gleichen Leiterquerschnitt und dieselbe Querschnittsform.
In den Pultrusionsprofilen 10 kann jeweils zumindest ein Kühlkanal 18 zum Durchströmen mit einem Kühlmedium, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, ausgebildet sein, um die Leiterstränge 11 jedes Pultrusionsprofils effektiv zu kühlen. Nach einer vorteilhaften Ausführung kann an einer der beiden Stirnseiten eines Rotors der elektrischen Maschine ein nicht dargestelltes deckelförmiges Fluidleitelement angeordnet und befestigt sein, mit dem Kühlflüssigkeit aus einem Kühlkanal einer nicht dargestellten Rotorwelle des Rotors 1 aufgefangen und in die Kühlkanäle 18 der Pultrusionsprofile 10 leitbar ist.
Fig.2 zeigt eine dreidimensionale Schnittansicht des Rotors nach Fig.l.
Die Leiterstränge 11 der Pultrusionsprofile 10 und die Verbindungsleiter 15 sind jeweils stabförmig bzw. geradschenklig ausgebildet und weisen jeweils einen rechteckförmigen Leiterquerschnitt auf. Die Verbindungsleiter 15 sind jeweils quer zur Längserstreckung des jeweiligen Pultrusionsprofils 10 an das Stirnseite Ende des jeweiligen Leiterstrangs 11 angefügt und bilden an den beiden Stirnseiten der Komponente 1 jeweils einen Wickelkopf. Die Verbindungsleiter 15 können zur Verbindung mit den entsprechenden Leitersträngen 11 und/oder zur Erzielung einer hohen Drehzahlfestigkeit auch gewinkelt oder gebogen geformt sein.
Die Verbindungsleiter 15 können beispielsweise durch Laserbonden oder Tiefschweißen mit dem entsprechenden Leiterstrang 11 gefügt sein, indem der Laserstrahl jeweils von einer dem Leiterstrang 11 abgewandten Seite in den Verbindungsleiter 15 eingestrahlt wird.
Die Verbindungsleiter 15 können zur elektrischen Isolation und/oder zur mechanischen Verstärkung der Wickelköpfe in einer an der jeweiligen Stirnseite der Komponente 1 vorgesehenen elektrischen Isolationsmasse 21 eingebettet sind.
An den beiden Stirnseiten der Komponente 1 kann jeweils eine nicht dargestellte Wickelkopfeinheit vorgesehen sein, die alle Verbindungsleiter 15 des jeweiligen Wickelkopfes umfasst und zum Fügen der Leiterstränge 11 der Pultrusionsprofile 10 mit den entsprechenden Verbindungsleitern 15 ausgebildet ist, insbesondere zum gleichzeitigen Herstellen mehrerer oder aller an der jeweiligen Stirnseite vorgesehenen Fügeverbindungen. Auf diese Weise sind alle Verbindungsleiter 15 jedes Wickelkopfes zu einer der Wickelkopfeinheiten zusammengefasst.
Fig.3 zeigt eine weitere dreidimensionale Schnittansicht des Rotors 1 nach Fig.l mit Blick auf die andere Stirnseite des Rotors 1. Fig.4 zeigt eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Rotors nach Fig.l mit einem Pultrusionsprofil gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Das Pultrusionsprofil 10 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich gegenüber der ersten Ausführungsform ausschließlich darin, dass es Leiterstränge 11 mit unterschiedlichem Leiterquerschnitt aufweist. Mittels der zweiten Ausführungsform kann ein gegenüber der ersten Ausführungsform höherer Kupferfüllfaktor in den Nuten 4 der Komponente 1 erreicht werden. Fig.5 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Pultrusionsprofils nach Fig.4.
Das erfindungsgemäße Pultrusionsprofil 10 wird mittels eines Pultrusionsverfahrens in einer Pultrusionseinrichtung hergestellt, wobei das Pultrusionsverfahren ein Endlos- Pultrusionsprofil erzeugt, das eine bestimmte Querschnittsform aufweist und durch einen Trennprozess in die Pultrusionsprofile 10 mit der richtigen Länge geteilt wird.
Das Endlos-Pultrusionsprofil umfasst mehrere Stränge und ein die Stränge einbettendes Matrixmaterial 12. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Stränge als elektrisch leitende Leiterstränge 11 ausgebildet sind und in der Pultrusionseinrichtung in bestimmten Abständen und auf einer bestimmten Länge durch eine in der Pultrusionseinrichtung eingerichtete Abdichtung der Leiterstränge 11 nicht mit Matrixmaterial 12 imprägniert werden, um beim Trennprozess automatisch Pultrusionsprofile 10 zu erhalten, die an ihren Enden elektrisch nicht isolierte Enden von Leitersträngen 11 aufweisen.

Claims

Ansprüche
1. Komponente (1) einer elektrischen Maschine, insbesondere Rotor oder Stator, mit einem Komponentenkörper (2), insbesondere einem Blechpaket, der mehrere Zähne (3) und zwischen den Zähnen (3) gebildete Nuten (4) aufweist, wobei in mehreren der Nuten (4) elektrische Leiter einer elektrischen Wicklung (7) angeordnet sind, wobei der Komponentenkörper (2) eine Komponentenachse (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in den Nuten (4) jeweils ein oder mehrere Pultrusionsprofile (10) angeordnet sind, die jeweils mehrere als elektrische Leiter ausgebildete Leiterstränge (11), insbesondere aus Kupfer, Aluminium, Carbon-Nanotubes oder Graphen, und ein die Leiterstränge (11) einbettendes, elektrisch isolierendes Matrixmaterial (12), insbesondere eine ausgehärtete duroplastische Formmasse, umfassen und sich jeweils mit einer Längserstreckung und einer bestimmten Querschnittsform durch die Nuten (4) des Komponentenkörpers (2) hindurch erstrecken, dass
Leiterstränge (11) von Pultrusionsprofilen (10) aus unterschiedlichen Nuten (4) mittels von Verbindungsleitern (15) derart miteinander verbunden sind, insbesondere verlötet, verschweißt oder verklebt, dass die elektrische Wicklung (7) gebildet ist.
2. Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstränge (11) jedes der Pultrusionsprofile (10) gegeneinander elektrisch isoliert sind durch Vorsehen jeweils eines Abstandes (A) zwischen den Leitersträngen (11), wobei der durch den Abstand (A) gebildete
Zwischenraum zwischen den Leitersträngen (11) jeweils mit dem Matrixmaterial (12) des Pultrusionsprofils (10) ausgefüllt ist, wobei die eingebetteten Leiterstränge (11) der Pultrusionsprofile (10) und/oder die Verbindungsleiter (15,14) insbesondere ohne Isolationsbeschichtung ausgebildet sind.
3. Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform der Pultrusionsprofile (10) zwei den Zähnen (3) der jeweiligen Nut (4) zugewandte Profilseiten (20) aufweist, wobei die Leiterstränge (11) im jeweiligen Pultrusionsprofil (10) in einer oder mehreren Stapelanordnungen (16) angeordnet sind, wobei die Stapelanordnung (16) sich in Richtung einer der Profilseiten (20) oder in radialer Richtung bezüglich der Komponentenachse (5) der Komponente (1) erstreckt.
4. Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein einziges Pultrusionsprofil (10) in den Nuten (4) vorgesehen und der Querschnitt der Pultrusionsprofile (10) korrespondierend zum Querschnitt der Nuten (4) ausgebildet ist oder dass jeweils mehrere Pultrusionsprofile (10) in den Nuten (4) angeordnet sind und der gemeinsame Querschnitt der in derselben Nut (4) angeordneten Pultrusionsprofile (10) korrespondierend zum Querschnitt der jeweiligen Nut (4) ausgebildet ist.
5. Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (3) der Komponente (1) in radialer Richtung bezüglich der Komponentenachse (5) gesehen jeweils an ihrem freien Ende einen beidseitig auskragenden Zahnkopf (17) aufweisen und dass die Pultrusionsprofile (10) der Komponente (1) jeweils formschlüssig in der jeweiligen Nut (4) aufgenommen und im Zusammenwirken mit den entsprechenden Zahnköpfen (17) in der jeweiligen Nut (4) gehalten oder fixiert sind.
6. Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Pultrusionsprofilen (10) jeweils zumindest ein Kühlkanal (18) zum Durchströmen mit einem Kühlmedium, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, ausgebildet ist.
7. Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstränge (11) der Pultrusionsprofile (10) und die Verbindungsleiter (15,14) stabförmig ausgebildet sind und jeweils einen rechteckförmigen Leiterquerschnitt aufweisen und die Verbindungsleiter (15,14) jeweils quer zur Längserstreckung des jeweiligen Pultrusionsprofils (10) an das stirnseitig Ende des jeweiligen Leiterstrangs (11) angefügt sind und an den beiden Stirnseiten der Komponente (1) jeweils einen Wickelkopf bilden.
8. Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den beiden Stirnseiten der Komponente (1) jeweils eine Wickelkopfeinheit vorgesehen ist, die alle Verbindungsleiter (15,14) des jeweiligen Wickelkopfes umfasst und zum Fügen der Leiterstränge (11) der Pultrusionsprofile (10) mit den entsprechenden Verbindungsleitern (15,14) ausgebildet ist, insbesondere zum gleichzeitigen Herstellen mehrerer oder aller Fügeverbindungen.
9. Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (1) ein Rotor einer elektrisch erregten
Synchronmaschine ist, dessen Zähne (3) Schenkelpole sind, wobei die demselben Schenkelpol (3) zugewandten Leiterstränge (11) zweier benachbarter Pultrusionsprofile (10) jeweils mittels der Verbindungsleiter (15) zu einer Einzelspule verbunden sind und wobei Verbindungsleiter (14) vorgesehen sind, die die Einzelspulen zur Bildung der elektrischen Wicklung (7) des Rotors (1) miteinander elektrisch verbinden.
10. Elektrische Maschine mit einer Komponente (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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