WO2021110193A1 - Spule, verfahren zur herstellung einer spule und elektrische rotationsmaschine - Google Patents

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WO2021110193A1
WO2021110193A1 PCT/DE2020/100836 DE2020100836W WO2021110193A1 WO 2021110193 A1 WO2021110193 A1 WO 2021110193A1 DE 2020100836 W DE2020100836 W DE 2020100836W WO 2021110193 A1 WO2021110193 A1 WO 2021110193A1
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conductor
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sections
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PCT/DE2020/100836
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Matthias Gramann
Holger Witt
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H02K15/04—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of windings, prior to mounting into machines
    • H02K15/0435—Wound windings
    • H02K15/0442—Loop windings
    • H02K15/045—Form wound coils

Definitions

  • Coil Method of making a coil and electrical
  • the invention relates to a coil, in particular for an electric rotary machine, and to an electric rotary machine.
  • the invention also relates to a method for producing a coil according to the invention.
  • coils which are used in electrical rotating machines, as well as in electrical axial flux machines.
  • An electric axial flux machine is a motor or generator in which the magnetic flux between a rotor and a stator is implemented parallel to the axis of rotation of the rotor.
  • Other names for electrical axial flux machines are also brushless direct current motors, permanent magnet synchronous motors or pancake motors.
  • the performance of an electric rotary machine or electric axial flux machine depends, among other things, on the heat generated during operation, since this increases the temperature of the electrical conductors of the coil, which in turn reduces the electrical conductivity of the conductors. This reduces the efficiency of the machine.
  • a known solution for this is to design the electrical conductor with more volume, that is to say with a larger cross section, so that it has more heat capacity. However, this is associated with a correspondingly larger space requirement for the coil.
  • fluid cooling is provided for this purpose, for the purpose of cooling by means of a fluid as the cooling medium.
  • Several approaches are known for this, such as, for example, waveguides, cooling channels directly next to the winding of the electrical conductor or guiding fluid directly along the winding of the electrical conductor.
  • the fluid flow depends on the configuration of the winding carrier on which the electrical conductor is arranged as a winding. In Figures 1 and 2, two known embodiments are shown for this.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a sectioned coil 1 of an electrical axial flux machine in a partial side view according to the prior art in a first embodiment.
  • the coil 1 comprises a winding carrier 20 which carries a winding 10 of an electrical conductor of the coil 1. Also shown is a fluid flow 2, which is illustrated by means of arrows.
  • the winding 10 formed by the electrical conductor is wound around the winding carrier 20 several times, so that several conductor sections 15 of the winding 10 completely fill the space between a first side section 23 and a second side section 24 of the winding carrier 20.
  • the conductor sections 15 of the winding 10 are spaced apart from one another in such a way that air gaps 33 are formed between them.
  • Figure 1 only one side of the winding support 20 is shown in section.
  • the winding 10 has a rectangular cross section, a first side 11 and an opposite third side 13 of the winding 10 having a width B and a second side 12 and an opposite fourth side 14 of the winding 10 having a thickness D.
  • the width B is about 6 times larger than the thickness D.
  • the winding 10 is surrounded by the winding carrier 20 on the first or third side 11, 13 of the side sections 23, 24 of the winding carrier 20 and is adjacent on the second side 12 by the region of the winding carrier 20 connecting the side sections 23, 24.
  • the fluid flow 2 runs along the fourth side 14 of the winding 10 transversely to the direction of longitudinal extension of the conductor sections 15 or of the conductor.
  • a fluid flowing in accordance with the fluid flow 2 can only be used on one of the short sides 12, 13 of the winding for the purpose of cooling the winding 10 10 dissipate heat, which means that only a relatively small cooling effect can be achieved for the entire coil 1.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a cut coil 1 in partial side view according to the prior art in a second embodiment.
  • the design of the winding 10 of the electrical conductor of the coil 1 of the embodiment according to FIG. 2 is identical to that of the embodiment according to FIG. 1.
  • the difference between the two embodiments lies in the design of the winding carrier 20, which means that the fluid flow 2 also differs.
  • the winding support 20 comprises a first support part 21 and a second support part 22.
  • the first support part 21 forms the first side section 23 and the second support part 22 forms the second side section 24.
  • the winding 10 is held between the two carrier parts 21, 22 of these.
  • the first carrier part 21 can bear against an iron core, not shown here, which is surrounded by the winding 10, in such a way that heat can be given off from the iron core to the first carrier part 21 by means of thermal conduction.
  • the first carrier part 21, which is designed as a fluid-conducting part can itself be cooled via the fluid, as well as indirectly also the iron core.
  • the first carrier part 21 adjoins the winding 10 on its first and second sides 11, 12, the second carrier part 22 adjoining the winding 10 on its third and fourth sides 13, 14.
  • the coil 1 forms a fluid inlet 31 between the first carrier part 21 and the second side section 24 of the second carrier part 22, through which fluid can flow into the coil 1 for the purpose of cooling the winding 10, and also forms between the second carrier part 22 and the first side section 23 of the first carrier part 21 has a fluid outlet 32 from which the fluid from the coil 1 can exit again.
  • a fluid following the fluid flow 2 flows accordingly via the fluid inlet 31 into the coil 1 in a free space between the first carrier part 21 and the second side 12 of the winding 10. From there, the fluid can flow into air gaps 33 between the Conductor sections 15 of the winding 10 enter along the first side 11 and third side 13 thereof.
  • the fluid can thus absorb a greater amount of heat from the winding 10 and cool it better than is possible in the first embodiment according to FIG. 1, but the fluid is usually distributed irregularly in the air gaps 33 due to the dimensional tolerances in the distances between the conductors, so that uneven cooling of the coil 1 cannot be ruled out.
  • the present invention is based on the object of providing a coil as well as an electric rotary machine equipped therewith and a method for producing a coil according to the invention which ensure optimal cooling in a structurally simple design.
  • an electric rotary machine which has the coil, is made available according to claim 10.
  • the invention relates to a coil which is designed in particular for use in an electric rotating machine, especially for an electric axial flux machine.
  • the coil comprises at least one winding of an electrical conductor.
  • flow channels are formed transversely to the direction of longitudinal extension of adjacent conductor sections between these adjacent conductor sections, for the passage of a cooling medium for the purpose of efficient cooling of the coil.
  • a cooling medium can be guided directly along the conductor sections through the flow channels and absorb heat from the electrical conductor, so that an electrical rotating machine configured with the coil can be intensively cooled and thus the electrical rotating machine can be operated permanently in the high-performance range.
  • the coil according to the invention is not restricted to use in an electric rotating machine, but it can also be used as an alternative in general electrotechnical applications such as inductance, or in electromagnetic energy converters.
  • the conductor sections can be sections of the same wound conductor or also sections of different conductors wound parallel to one another.
  • the coil according to the invention can be part of a stator of the electric rotating machine, although the design of the rotor of the electric rotating machine according to the invention should not be excluded.
  • a certain form of the coil also includes, in addition, a winding carrier for supporting the winding of the electrical conductor.
  • the flow channels of the coil are fluidically connected to one another on the inlet side as well as on the outlet side, so that a common fluid inlet and a common fluid outlet are implemented for all flow channels in the coil.
  • the winding carrier of the coil can be designed in such a way that it forms such a common fluid inlet and / or such a common fluid outlet.
  • a respective flow channel is designed with a significantly larger cross section than a conventional air gap and therefore enables a controllable flow of a cooling fluid.
  • the coil is a coil of an electric axial flux machine.
  • This coil can have one winding or several radially overlapping windings - based on the axis of rotation of an electrical axial flow machine having the coil, in which case at least some of the flow channels of the windings are aligned with one another, so that cooling medium flows through flow channels of the two windings one after the other can.
  • the ratio of width to thickness B / D 6 to 8.
  • At least one of the flow channels is implemented by a deformation that takes place in the transverse direction with respect to the direction of longitudinal extent of at least one conductor section.
  • This deformation forms a channel which extends transversely to the direction of longitudinal extension of the conductor section and through which a cooling medium can flow.
  • this flow channel is realized by deformation of the two adjacent conductor sections in the transverse direction with respect to the direction of longitudinal extension of two adjacent conductor sections.
  • the transverse deformations of the two adjacent conductor sections are deformed in opposite directions at the same positions in relation to the direction of longitudinal extension.
  • the positions of the deformations can be influenced by making appropriate adjustments to the deformation tools.
  • adjacent conductor sections bear against one another at the point of the maximum lateral deflection realized by the deformation.
  • the cooling medium can flow transversely to the conductor sections directly along them.
  • conductor sections can be configured in a meandering shape, so that transverse deformations implemented in different axial directions alternate.
  • This configuration leads to a very dense arrangement of flow channels in the winding, so that a high heat flow or a high cooling capacity is achieved accordingly via convection.
  • At least one of the flow channels is implemented by a spacer element arranged at least on one axial side of at least one conductor section.
  • This spacer element can be a yarn which is wound around the conductor section.
  • a conductor section axially adjacent to the conductor section provided with yarn is not provided with yarn at the same position in relation to the longitudinal extension direction of the conductor section, so that the yarn protrudes transversely to the longitudinal extension direction and rests against the adjacent conductor section.
  • on both adjacent conductor sections along the direction of longitudinal extent in alternating arrangement of yarns may be arranged for the purpose of mutual delimitation of flow channels formed between the yarns.
  • the yarn can also be wound helically around a conductor or conductor section in order to form the flow channels between adjacent turns of this helical shape.
  • This configuration with spacer elements can be implemented on conductor sections with deformations, but in particular on conductor sections without deformations.
  • the coil according to the invention has the advantage that, despite the very compact arrangement of the conductor sections, a cooling fluid strives for them transversely and can thus be cooled very efficiently.
  • a method for producing a coil according to the invention is made available in which pressure elements are arranged between adjacent conductor sections of at least one winding of an electrical conductor so that the adjacent conductor sections are spaced from one another, a compressive force on the winding transversely to the direction of longitudinal extension of the conductor sections is applied, so that at least one of the conductor sections resting on a pressure element receives a deformation in relation to its longitudinal extension direction in the transverse direction, and the pressure element is removed from the winding.
  • This deformation forms a flow channel for the passage of a cooling medium for the purpose of efficient cooling of the coil.
  • the winding is compressed in the axial direction after removal of the pressure elements, so that the conductor sections rest against one another with their deformation areas and are fixed to one another in the direction of longitudinal extent due to friction.
  • the winding can be received on or in a winding carrier in order to keep the coil in the pretensioned state and to be able to mount it in this way.
  • the pressure elements consist at least predominantly of steel, whereby in the case of a coil with particularly thin electrical conductors, i.e. electrical conductors with a small cross section, it can also be provided that the pressure elements consist at least predominantly of a plastic.
  • a plurality of pressure elements can be mechanically connected to one another in such a way that they can be inserted between adjacent conductor sections essentially at the same time and can accordingly also be removed from them again essentially at the same time, so that the production time can be reduced.
  • an electric rotary machine in particular an electric axial flux machine, is provided which comprises at least one coil according to the invention.
  • the rotary electric machine comprises a plurality of coils which are arranged distributed around the circumference on the rotor of the rotary electric machine or on the stator of the rotary electric machine.
  • the electric rotary machine preferably comprises a plurality of fluid lines.
  • a fluid line for supplying and a fluid line for removing cooling medium is assigned to a respective coil.
  • at least one coil is assigned a fluid line for supplying cooling medium, and that the cooling medium emerging from this coil is supplied directly to a further coil.
  • the flow channels of a plurality of coils can thus be connected in series in terms of flow.
  • FIG 3 shows a schematic representation of a winding 10 of a coil at the beginning of a method according to the invention for setting a coil according to the invention, in addition to which the following FIGS. 4 to 7 show the winding 10 of the coil in individual process steps.
  • the basic configuration of the coil corresponds to the embodiment of the prior art according to FIG. 2.
  • the individual conductor sections 15 run essentially parallel to one another and are each spaced apart from one another by a minimal air gap 33.
  • a current flow 3 shown as an arrow indicates the direction in which current flows through the winding 10 of the electrical conductor.
  • FIG 4 shows a first method step of the method according to the invention for producing a coil according to the invention.
  • the winding 10 is stretched transversely to the direction of longitudinal extension of the conductor sections 15, so that the air gaps 33 widen compared to the winding 10 according to FIG. Accordingly, a greater distance is thus realized between the individual conductor sections 15.
  • a plurality of pressure elements 40 are arranged between adjacent conductor sections 15 of the winding 10 in the air gaps 33 expanded in the first method step according to FIG. These multiple pressure elements 40 ensure that the adjacent conductor sections 15 remain at a distance from one another.
  • the pressure elements 40 are arranged in the widened air gaps 33 in such a way that the pressure elements 40 are arranged alternately in adjacent transverse planes with respect to the longitudinal extension direction of a conductor section 15.
  • the pressure elements 40 arranged in such a plane are correspondingly arranged in an alternating sequence between adjacent conductor sections 15.
  • pressure elements 40 are thus arranged in transversely extending planes only between every second line section pair in the same plane.
  • a pressure element 40 is arranged transversely to the direction of longitudinal extent of a conductor section 15 per transverse plane only in every second air gap 33.
  • the pressure elements arranged in the transverse planes are arranged in an alternating manner along the direction of longitudinal extent of the line sections 15, also with regard to their transverse positions. This means that pressure elements 40 are alternately arranged on a line section 15 along the longitudinal extension direction on both sides.
  • two pressing elements 41 are arranged adjacent to the winding 10.
  • the direction of longitudinal extension of the two pressing elements 41 runs essentially parallel to the direction of longitudinal extension of the conductor sections 15, the pressing elements 41 being arranged on opposite sides of the winding 10.
  • the compressive forces 4 are correspondingly applied via the pressing elements 31 to the winding 10 transversely to the direction of longitudinal extension of the conductor sections 15, so that the conductor sections 15 resting on the multiple pressure elements 40 receive multiple deformations in the transverse direction.
  • Two adjacent conductor sections 15 experience a transverse deformation with respect to their longitudinal direction at the same positions in opposite directions.
  • adjacent conductor sections 15 lie against one another at the point of a maximum lateral deflection realized by the deformation or have a minimum distance from one another, or realize a maximum distance from one another.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a winding 10 of a coil according to the invention produced according to the method according to the invention.
  • the deformations produced in the process form a plurality of flow channels 30 transversely to the direction of longitudinal extension of the conductor sections 15 in the winding 10, through which a cooling medium can be passed for the purpose of efficient cooling of the coil.
  • Individual supply and discharge lines can be connected to these flow channels 30, but also collecting lines.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spule, insbesondere für eine elektrische Rotationsmaschine, ganz besonders für eine elektrische Axialflussmaschine, und eine elektrische Rotationsmaschine. Diese Spule (1) umfasst zumindest eine Wicklung (10) eines elektrischen Leiters, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass quer zur Längserstreckungsrichtung von benachbarten Leiterabschnitten (15) zwischen diesen benachbarten Leiterabschnitten (15) Strömungskanäle (30) ausgebildet sind, zur Hindurchführung eines Kühlmediums zwecks effizienter Kühlung der Spule (1). Mit der erfindungsgemäßen Spule, einer erfindungsgemäßen elektrischen Rotationsmaschine sowie einem Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spule lässt sich in konstruktiv einfacher Ausführung eine optimale Kühlung gewährleisten.

Description

Spule, Verfahren zur Herstellung einer Spule und elektrische
Rotationsmaschine
Die Erfindung betrifft eine Spule, insbesondere für eine elektrische Rotationsmaschine, und eine elektrische Rotationsmaschine.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spule.
Aus dem Stand der Technik sind Spulen bekannt, die in elektrischen Rotationsmaschinen eingesetzt werden, wie auch in elektrischen Axialflussmaschinen. Eine elektrische Axialflussmaschine ist ein Motor oder Generator, bei dem der Magnetfluss zwischen einem Rotor und einem Stator parallel zur Drehachse des Rotors realisiert wird. Andere Bezeichnungen für elektrische Axialflussmaschinen sind auch bürstenloser Gleichstrommotor, permanenterregter Synchronmotor oder Scheibenläufermotor.
Die Leistung einer elektrischen Rotationsmaschine bzw. elektrischen Axialflussmaschine ist dabei unter anderem abhängig von der bei Betrieb entstehenden Wärme, da diese für eine Erhöhung der Temperatur der elektrischen Leiter der Spule sorgt, wodurch die elektrische Leitfähigkeit der Leiter abnimmt. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad der Maschine. Eine bekannte Lösung hierfür ist, den elektrischen Leiter mit mehr Volumen, also größerem Querschnitt, auszuführen, so dass dieser mehr Wärmekapazität aufweist. Dies ist jedoch mit einer entsprechend größeren Bauraumanforderung der Spule verbunden.
Weiterhin ist bekannt, eine elektrische Rotationsmaschine derart auszugestalten, dass die Spule gekühlt ausgeführt ist. In der Regel ist dafür eine Fluidkühlung vorgesehen, zwecks Entwärmung durch ein Fluid als Kühlmedium. Hierzu sind mehrere Ansätze bekannt, wie z.B. Hohlleiter, Kühlkanäle unmittelbar neben der Wicklung des elektrischen Leiters oder eine Führung von Fluid direkt entlang der Wicklung des elektrischen Leiters. Bei einer Entwärmung durch direkt an der Wicklung entlang geführtes Fluid ist der Fluidfluss von der Ausgestaltung des Wicklungsträgers abhängig, auf welchem der elektrische Leiter als Wicklung angeordnet ist. In den Figuren 1 und 2 sind zwei bekannte Ausführungsformen hierfür dargestellt.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer geschnittenen Spule 1 einer elektrischen Axialflussmaschine in einer Teil-Seitenansicht gemäß dem Stand der Technik in einer ersten Ausführungsform.
Die Spule 1 umfasst einen Wicklungsträger 20, welcher eine Wicklung 10 eines elektrischen Leiters der Spule 1 trägt. Außerdem dargestellt ist ein Fluidfluss 2, welcher anhand von Pfeilen verdeutlicht ist.
Die vom elektrischen Leiter ausgebildete Wicklung 10 ist dabei mehrfach um den Wicklungsträger 20 herum gewickelt, so dass mehrere Leiterabschnitte 15 der Wicklung 10 den Raum zwischen einem ersten Seitenabschnitt 23 und einem zweiten Seitenabschnitt 24 des Wicklungsträgers 20 vollständig ausfüllen. Dabei sind die Leiterabschnitte 15 der Wicklung 10 derart beabstandet zueinander, dass zwischen ihnen Luftspalte 33 ausgebildet sind. In Figur 1 ist dabei lediglich im Schnitt eine Seite des Wicklungsträgers 20 dargestellt.
Die Wicklung 10 weist dabei einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei eine erste Seite 11 und eine gegenüberliegende dritte Seite 13 der Wicklung 10 eine Bereite B aufweisen und eine zweite Seite 12 und eine gegenüberliegende vierte Seite 14 der Wicklung 10 eine Dicke D aufweisen. Die Breite B ist um das etwa 6-fache größer als die Dicke D.
Die Wicklung 10 ist vom Wicklungsträger 20 an der ersten bzw. dritten Seite 11, 13 von den Seitenabschnitten 23, 24 des Wicklungsträgers 20 umgeben und an der zweiten Seite 12 vom die Seitenabschnitte 23, 24 verbindenden Bereich des Wicklungsträgers 20 benachbart.
Der Fluidfluss 2 verläuft entlang der vierten Seite 14 der Wicklung 10 quer zur Längserstreckungsrichtung der Leiterabschnitte 15 bzw. des Leiters.
Entsprechend kann ein gemäß dem Fluidfluss 2 strömendes Fluids zwecks Entwärmung der Wicklung 10 lediglich an einer der kurzen Seiten 12, 13 der Wicklung 10 Wärme abführen, was bedeutet, dass für die gesamte Spule 1 nur eine relativ geringe Kühlwirkung realisiert werden kann.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer geschnittenen Spule 1 in Teil- Seitenansicht gemäß dem Stand der Technik in einer zweiten Ausführungsform.
Die Ausgestaltung der Wicklung 10 des elektrischen Leiters der Spule 1 der Ausführungsform gemäß Figur 2 ist dabei identisch zu dem der Ausführungsform gemäß Figur 1. Der Unterschied der beiden Ausführungsformen liegt in der Ausgestaltung des Wicklungsträgers 20, wodurch sich auch der Fluidfluss 2 unterscheidet.
Der Wicklungsträger 20 umfasst ein erstes Trägerteil 21 sowie ein zweites Trägerteil 22. Das erste Trägerteil 21 bildet dabei den ersten Seitenabschnitt 23 aus und das zweite Trägerteil 22 bildet den zweiten Seitenabschnitt 24 aus. Die Wicklung 10 ist zwischen den beiden Trägerteilen 21, 22 von diesen gehalten.
Das erste Trägerteil 21 kann dabei derart an einem hier nicht dargestellten Eisenkern, der von der Wicklung 10 umgeben ist, anliegen, das von dem Eisenkern Wärme mittels Wärmeleitung auf das erste Trägerteil 21 abgegeben werden kann. Derart kann über das Fluid das als Fluid-Leitteil ausgestaltete erste Trägerteil 21 selbst gekühlt werden sowie mittelbar auch der Eisenkern.
Das erste Trägerteil 21 benachbart die Wicklung 10 dabei an ihrer ersten und zweiten Seite 11, 12, wobei das zweite T rägerteil 22 die Wicklung 10 an ihrer dritten und vierten Seite 13, 14 benachbart.
Die Spule 1 bildet zwischen dem ersten Trägerteil 21 und dem zweiten Seitenabschnitt 24 des zweiten Trägerteils 22 einen Fluideinlass 31 aus, durch welchen Fluid zwecks Kühlung der Wicklung 10 in die Spule 1 einfließen kann, und bildet weiterhin zwischen dem zweiten Trägerteil 22 und dem ersten Seitenabschnitt 23 des ersten Trägerteils 21 einen Fluidauslass 32 aus, aus welchem das Fluid aus der Spule 1 wieder austreten kann.
Ein dem Fluidfluss 2 folgendes Fluid fließt entsprechend über den Fluideinlass 31 in die Spule 1 in einen Freiraum zwischen dem ersten Trägerteil 21 und der zweiten Seite 12 der Wicklung 10. Von dort kann das Fluid in Luftspalte 33 zwischen den Leiterabschnitten 15 der Wicklung 10 entlang deren erster Seite 11 und dritter Seite 13 eintreten.
Insofern das Fluid durch diesen Luftspalt 33 vollständig hindurch getreten ist, gelangtes in einen Freiraum zwischen der vierten Seite 14 der Wicklung 10 und dem zweiten Trägerteil 22, aus welchem es über den Fluidauslass 32 wieder aus der Spule 1 austreten kann.
Das Fluid kann derart eine größere Wärmemenge der Wicklung 10 aufnehmen und diese besser kühlen als es in der ersten Ausführungsform gemäß Figur 1 möglich ist, jedoch verteilt sich das Fluid üblicherweise auf Grund der maßlichen Toleranzen in den Abständen der Leiter zueinander unregelmäßig in den Luftspalten 33, so dass eine ungleichmäßige Kühlung der Spule 1 nicht ausgeschlossen werden kann.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Spule sowie eine damit ausgestattete elektrische Rotationsmaschine und ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spule zur Verfügung zu stellen, die in konstruktiv einfacher Ausführung eine optimale Kühlung gewährleisten.
Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Spule nach Anspruch 1 sowie das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spule nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Spule sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben.
Ergänzend wird eine elektrische Rotationsmaschine, welche die Spule aufweist, gemäß Anspruch 10 zur Verfügung gestellt.
Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen. Die Begriffe „axial“ und „transversal“ beziehen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer auf die Längserstreckungsrichtung eines Leiterabschnitts des elektrischen Leiters der Spule.
Die Erfindung betrifft eine Spule, die insbesondere für den Einsatz in einer elektrischen Rotationsmaschine, ganz besonders für eine elektrische Axialflussmaschine, konzipiert ist. Die Spule umfasst zumindest eine Wicklung eines elektrischen Leiters. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass quer zur Längserstreckungsrichtung von benachbarten Leiterabschnitten zwischen diesen benachbarten Leiterabschnitten Strömungskanäle ausgebildet sind, zur Hindurchführung eines Kühlmediums zwecks effizienter Kühlung der Spule. Entsprechend kann durch die Strömungskanäle ein Kühlmedium unmittelbar an den Leiterabschnitten entlang geführt werden und Wärme des elektrischen Leiters aufnehmen, so dass eine mit der Spule ausgestaltete elektrische Rotationsmaschine intensiv gekühlt werden kann und somit die elektrische Rotationsmaschine dauerhaft im Hochleistungsbereich betrieben werden kann.
Die erfindungsgemäße Spule ist dabei nicht auf den Einsatz in einer elektrischen Rotationsmaschine eingeschränkt, sondern sie kann auch alternativ Anwendung finden in allgemeinen elektrotechnischen Anwendungen wie Induktivität, oder auch in elektromagnetischen Energiewandlern.
Die Leiterabschnitte können Abschnitte desselben gewickelten Leiters sein oder auch Abschnitte unterschiedlicher, parallel zueinander gewickelter Leiter sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Spule Bestandteil eines Stators der elektrischen Rotationsmaschine sein, wobei aber auch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine nicht ausgeschlossen werden soll.
Eine bestimmte Ausprägung der Spule umfasst insbesondere zudem additiv einen Wicklungsträger zum Tragen der Wicklung des elektrischen Leiters.
Es kann vorgesehen sein, dass die Strömungskanäle der Spule eingangsseitig wie auch ausgangsseitig strömungstechnisch miteinander verbunden sind, so dass ein gemeinsamer Fluideinlass und ein gemeinsamer Fluidauslass für alle Strömungskanäle in der Spule realisiert ist. Der Wicklungsträger der Spule kann derart ausgestaltet sein, dass er einen derartigen gemeinsamen Fluideinlass und/oder einen derartigen gemeinsamen Fluidauslass ausbildet.
Ein jeweiliger Strömungskanal ist dabei mit einem deutlich größeren Querschnitt ausgestaltet als ein herkömmlicher Luftspalt und ermöglicht daher eine kontrollierbare Durchströmung mit einem Kühlfluid.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Spule eine Spule einer elektrischen Axialflussmaschine.
Diese Spule kann eine Wicklung aufweisen oder auch mehrere, sich - bezogen auf die Rotationsachse einer die Spule aufweisenden elektrischen Axialflussmaschine - radial überdeckende Wicklungen aufweisen, wobei in diesem Fall zumindest einige der Strömungskanäle der Wicklungen miteinander fluchten, so dass Kühlmedium nacheinander Strömungskanäle der beiden Wicklungen durchströmen kann.
Gemäß einer ergänzenden Ausführungsform weist der Leiter einen Querschnitt mit einer Breite B und einer Dicke D auf, wobei das Verhältnis von Breite B zur Dicke D beträgt: B/D = 2 bis 15, und wobei das Maß der Dicke die axiale Begrenzung des Leiterabschnitts definiert und das Maß der Breite die radiale Begrenzung des Leiterabschnitts definiert.
Insbesondere ist das Verhältnis von Breite zur Dicke B/D = 6 bis 8.
In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest einer der Strömungskanäle durch eine in Bezug auf die Längserstreckungsrichtung wenigstens eines Leiterabschnitts in transversaler Richtung erfolgte Verformung realisiert.
Diese Verformung bildet einen sich quer zur Längserstreckungsrichtung des Leiterabschnitts erstreckenden Kanal aus, durch welchen ein Kühlmedium strömen kann.
Gemäß einem ergänzenden Aspekt ist dieser Strömungskanal durch in Bezug auf die Längserstreckungsrichtung zweier benachbarter Leiterabschnitte in transversaler Richtung erfolgte Verformung der beiden benachbarten Leiterabschnitte realisiert. Dabei sind die transversalen Verformungen der beiden benachbarten Leiterabschnitte bezüglich der Längserstreckungsrichtung an gleichen Positionen in entgegengesetzten Richtungen verformt.
Durch entsprechende Anpassungen der Verformungswerkzeuge kann Einfluss genommen werden auf die Positionen der Verformungen.
In einer konstruktiv vorteilhaften Ausführungsform liegen benachbarte Leiterabschnitte am Punkt der durch die Verformung realisierten maximalen Lateralauslenkung aneinander an.
Bei einer axialen Stauchung der Wicklung werden hier Druckkräfte zwischen den Leiterabschnitten übertragen.
Auf den diesen Anlagepunkten bzw. Anlagebereichen axial gegenüberliegenden Seiten kann das Kühlmedium quer zu den Leiterabschnitten direkt an diesen entlang strömen.
Insbesondere können Leiterabschnitte mäanderförmig ausgestaltet sein, so dass in unterschiedlichen axialen Richtungen realisierte transversale Verformungen alternieren.
Diese Ausgestaltung führt zu einer sehr dichten Anordnung von Strömungskanälen in der Wicklung, so dass entsprechend über Konvektion ein hoher Wärmestrom bzw. eine hohe Kühlleistung erreicht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Spule ist zumindest einer der Strömungskanäle durch ein zumindest an einer axialen Seite wenigstens eines Leiterabschnitts angeordnetes Abstandselement realisiert.
Dieses Abstandselement kann ein Garn sein, welches um den Leiterabschnitt gewickelt ist. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein zum mit Garn versehenen Leiterabschnitt axial benachbarter Leiterabschnitt an derselben Position in Bezug auf die Längserstreckungsrichtung des Leiterabschnitts nicht mit Garn ausgestattet ist, so dass das Garn quer zu Längserstreckungsrichtung hervorsteht und an dem benachbarten Leiterabschnitt anliegt. Gegebenenfalls können an beiden benachbarten Leiterabschnitten entlang der Längserstreckungsrichtung in alternierender Anordnung Garne angeordnet sein, zwecks wechselseitiger Begrenzung von zwischen den Garnen ausgebildeten Strömungskanälen.
In weiterer Ausgestaltung dieses Aspekts kann das Garn auch schraubengangförmig um einen Leiter bzw. Leiterabschnitt gewickelt sein, um zwischen benachbarten Gängen dieser Schraubenform die Strömungskanäle auszubilden.
Diese Ausgestaltung mit Abstandselementen kann an Leiterabschnitten mit Verformungen, insbesondere aber an Leiterabschnitten ohne Verformungen realisiert sein.
Die erfindungsgemäße Spule weist den Vorteil auf, dass trotz sehr kompakter Anordnung der Leiterabschnitte diese mit einem Kühlfluid quer angestrebt werden und damit sehr effizient gekühlt werden können.
Des Weiteren wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spule zur Verfügung gestellt, bei dem zwischen einander benachbarten Leiterabschnitten zumindest einer Wicklung eines elektrischen Leiters Druckelemente angeordnet werden, so dass die benachbarten Leiterabschnitte zueinander beabstandet sind, eine Druckkraft auf die Wicklung quer zur Längserstreckungsrichtung der Leiterabschnitte aufgebracht wird, so dass wenigstens einer der an einem Druckelement anliegenden Leiterabschnitte in Bezug auf seine Längserstreckungsrichtung in transversaler Richtung eine Verformung erhält, und das Druckelement aus der Wicklung entfernt wird.
Diese Verformung bildet einen Strömungskanal aus zur Hindurchführung eines Kühlmediums zwecks effizienter Kühlung der Spule.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Wicklung nach Wegnahme der Druckelemente in axialer Richtung zusammengedrückt wird, so dass die Leiterabschnitte mit ihren Verformungsbereichen aneinander anliegen und reibungsbedingt in Längserstreckungsrichtung aneinander fixiert sind.
In diesem Zustand kann die Wicklung auf oder in einem Wicklungsträger aufgenommen werden, um die Spule im vorgespannten Zustand zu halten und derart montieren zu können. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Druckelemente zumindest überwiegend aus Stahl bestehen, wobei bei einer Spule mit besonders dünnen elektrischen Leitern, also elektrischen Leitern mit kleinem Querschnitt, auch vorgesehen sein kann, dass die Druckelemente zumindest überwiegend aus einem Kunststoff bestehen.
Mehrere Druckelemente können derart miteinander mechanisch verbunden sein, dass sie im Wesentlichen zeitgleich zwischen einander benachbarte Leiterabschnitte gesteckt werden können und entsprechend auch im Wesentlichen zeitgleich wieder aus diesen heraus genommen werden können, sodass sich die Fertigungszeit reduzieren lässt.
Des Weiteren wird erfindungsgemäß eine elektrische Rotationsmaschine, insbesondere eine elektrische Axialflussmaschine, zur Verfügung gestellt, die wenigstens eine erfindungsgemäße Spule umfasst.
Insbesondere umfasst die elektrische Rotationsmaschine mehrere Spulen, welche am Rotor der elektrischen Rotationsmaschine oder am Stator der elektrischen Rotationsmaschine am Umfang verteilt angeordnet sind.
Zur Zufuhr und Abfuhr von Kühlmedium zu und aus den Strömungskanälen umfasst die elektrische Rotationsmaschine vorzugsweise mehrere Fluidleitungen. Dabei kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass einer jeweiligen Spule eine Fluidleitung zur Zufuhr und eine Fluidleitung zur Abfuhr von Kühlmedium zugeordnet ist. In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass wenigstens einer Spule eine Fluidleitung zur Zufuhr von Kühlmedium zugeordnet ist, und dass das aus dieser Spule wieder austretende Kühlmedium unmittelbar einerweiteren Spule zugeführt wird. Die Strömungskanäle mehrerer Spulen können somit gemäß dieser Ausführungsform strömungstechnisch in Reihe geschaltet sein.
Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Flintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer geschnittenen Spule in Teil-Seitenansicht gemäß dem Stand der Technik in einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer geschnittenen Spule in Teil-Seitenansicht gemäß dem Stand der Technik in einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer Wicklung einer Spule zu Beginn eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fierstellung einer erfindungsgemäßen Spule,
Fig. 4: ein erster Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fierstellung einer erfindungsgemäßen Spule,
Fig. 5: ein zweiter Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fierstellung einer erfindungsgemäßen Spule,
Fig. 6: ein dritter Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fierstellung einer erfindungsgemäßen Spule,
Fig. 7: ein vierter Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fierstellung einer erfindungsgemäßen Spule,
Fig. 8: eine schematische Darstellung einer Wicklung einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, erfindungsgemäßen Spule.
Auf die Figuren 1 und 2 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik Bezug genommen.
In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Wicklung 10 einer Spule zu Beginn eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fierstellung einer erfindungsgemäßen Spule im Schnitt dargestellt, wobei ergänzend dazu die nachfolgenden Figuren 4 bis 7 die Wicklung 10 der Spule in einzelnen Verfahrensschritten zeigen.
Die grundlegende Ausgestaltung der Spule entspricht dabei der Ausführungsform des Standes der Technik gemäß Figur 2. Das heißt, dass die Wicklung 10 einen rechteckigen Querschnitt mit einer Bereite B und einer Dicke D aufweist, wobei die Breite B ist um das etwa 6-fache größer als die Dicke D, und wobei die Wicklung 10 bzw. Biegung des Leiters um die schmale Seite mit der Dicke D erfolgt.
Die einzelnen Leiterabschnitte 15 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander und sind jeweils durch einen minimalen Luftspalt 33 voneinander beabstandet.
Ein als Pfeil dargestellter Stromfluss 3 deutet dabei an, in welcher Richtung Strom durch die Wicklung 10 des elektrischen Leiters fließt.
Fig. 4 zeigt einen ersten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spule.
Im ersten Verfahrensschritt wird die Wicklung 10 quer zur Längserstreckungsrichtung der Leiterabschnitte 15 gestreckt, so dass sich die Luftspalte 33 gegenüber der Wicklung 10 gemäß Figur 3 aufweiten. Entsprechend ist somit zwischen den einzelnen Leiterabschnitten 15 ein größerer Abstand realisiert.
Im in Figur 5 dargestellten, zweiten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spule werden zwischen einander benachbarten Leiterabschnitten 15 der Wicklung 10 in den im ersten Verfahrensschritt gemäß Figur 4 erweiterten Luftspalten 33 mehrere Druckelemente 40 angeordnet. Diese mehreren Druckelemente 40 gewährleisten, dass die benachbarten Leiterabschnitte 15 zueinander beabstandet bleiben.
Die Druckelemente 40 sind dabei derart in den erweiterten Luftspalten 33 angeordnet, dass die Druckelemente 40 alternierend in benachbarten transversalen Ebenen in Bezug auf die Längserstreckungsrichtung eines Leiterabschnitts 15 angeordnet sind. Die in einer solchen Ebene angeordneten Druckelemente 40 sind entsprechend in alternierender Reihenfolge zwischen benachbarten Leiterabschnitten 15 angeordnet. Entlang der Längserstreckungsrichtung der dargestellten Leitungsabschnitte 15 sind somit in transversal verlaufenden Ebenen nur zwischen jedem zweiten Leitungsabschnittspaar in der gleichen Ebene Druckelemente 40 angeordnet. Mit anderen Worten ist quer zur Längserstreckungsrichtung eines Leiterabschnitts 15 pro transversaler Ebene nur in jedem zweiten Luftspalt 33 ein Druckelement 40 angeordnet. Dabei sind die in den transversalen Ebenen angeordneten Druckelemente entlang der Längserstreckungsrichtung der Leitungsabschnitte 15 auch hinsichtlich ihrer transversalen Positionen in alternierender Weise angeordnet. Das bedeutet, dass an einem Leitungsabschnitt 15 entlang der Längserstreckungsrichtung auf beiden Seiten wechselseitig Druckelemente 40 angeordnet sind.
Im dritten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spule gemäß Figur 6 sind benachbart zur Wicklung 10 zwei Presselemente 41 angeordnet. Die Längserstreckungsrichtung beider Presselemente 41 verläuft im Wesentlichen parallel zur Längserstreckungsrichtung der Leiterabschnitte 15, wobei die Presselemente 41 auf gegenüberliegenden Seiten der Wicklung 10 angeordnet sind.
Diese Presselemente 41 werden im vierten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spule gemäß Figur 7 jeweils mit einer Druckkraft 4 in Richtung auf die Wicklung 10 beaufschlagt. Diese Druckkräfte 4 sind als Pfeile verdeutlicht.
Die Druckkräfte 4 werden entsprechend über die Presselemente 31 auf die Wicklung 10 quer zur Längserstreckungsrichtung der Leiterabschnitte 15 aufgebracht, so dass die an den mehreren Druckelementen 40 anliegenden Leiterabschnitte 15 in transversaler Richtung mehrere Verformungen erhalten.
Zwei benachbarte Leiterabschnitte 15 erfahren dabei bezüglich ihrer Längserstreckungsrichtung an gleichen Positionen in entgegengesetzten Richtungen eine transversale Verformung. Entsprechend liegen benachbarte Leiterabschnitte 15 am Punkt einer durch die Verformung realisierten maximalen Lateralauslenkung aneinander an bzw. haben einen minimalen Abstand zueinander, oder realisieren eine maximale Entfernung zueinander.
Nach dieser Verformung werden die Druckelemente 40 sowie die Presselemente 31 wieder aus der Wicklung 10 entfernt.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Wicklung 10 einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, erfindungsgemäßen Spule. Die im Verfahren hergestellten Verformungen bilden mehrere Strömungskanäle 30 quer zur Längserstreckungsrichtung der Leiterabschnitte 15 in der Wicklung 10 aus, durch welche zwecks effizienter Kühlung der Spule ein Kühlmedium hindurchgeführt werden kann. An diese Strömungskanäle 30 können einzelne hier nicht dargestellte Zu- bzw. Ableitungen angeschlossen werden, oder aber auch Sammelleitungen.
Mit der erfindungsgemäßen Spule, der erfindungsgemäßen elektrischen Rotationsmaschine sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Spule lässt sich in konstruktiv einfacher Ausführung eine optimale Kühlung gewährleisten.
Bezuqszeichenliste
1 Spule
2 Fluidfluss
3 Stromfluss
4 Druckkraft
10 Wicklung
11 erste Seite der Wicklung
12 zweite Seite der Wicklung
13 dritte Seite der Wicklung
14 vierte Seite der Wicklung
15 Leiterabschnitt
20 Wicklungsträger
21 erstes Trägerteil
22 zweites Trägerteil
23 erster Seitenabschnitt
24 zweiter Seitenabschnitt
30 Strömungskanal
31 Fluideinlass
32 Fluidauslass
33 Luftspalt
40 Druckelement
41 Presselement
D Dicke
B Breite

Claims

Patentansprüche
1. Spule (1 ), insbesondere Spule für eine elektrische Rotationsmaschine, insbesondere für eine elektrische Axialflussmaschine, umfassend zumindest eine Wicklung (10) eines elektrischen Leiters, dadurch gekennzeichnet, dass quer zur Längserstreckungsrichtung von benachbarten Leiterabschnitten (15) zwischen diesen benachbarten Leiterabschnitten (15) Strömungskanäle (30) ausgebildet sind, zur Hindurchführung eines Kühlmediums zwecks effizienter Kühlung der Spule (1).
2. Spule (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (1) eine Spule einer elektrischen Axialflussmaschine ist.
3. Spule (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter einen Querschnitt mit einer Breite B und einer Dicke D aufweist, wobei das Verhältnis von Breite B zur Dicke D beträgt: B/D = 2 bis 15, und wobei das Maß der Dicke die axiale Begrenzung des Leiterabschnitts (15) definiert und das Maß der Breite die radiale Begrenzung des Leiterabschnitts (15) definiert.
4. Spule (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Strömungskanäle (30) durch eine in Bezug auf die Längserstreckungsrichtung wenigstens eines Leiterabschnitts (15) in transversaler Richtung erfolgte Verformung realisiert ist.
5. Spule (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Strömungskanal (30) durch in Bezug auf die Längserstreckungsrichtung zweier benachbarter Leiterabschnitte (15) in transversaler Richtung erfolgte Verformung der beiden benachbarten Leiterabschnitte (15) realisiert ist.
6. Spule (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die transversalen Verformungen der beiden benachbarten Leiterabschnitte (15) bezüglich der Längserstreckungsrichtung an gleichen Positionen in entgegengesetzten Richtungen verformt sind.
7. Spule (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Leiterabschnitte (15) am Punkt der durch die Verformung realisierten maximalen Lateralauslenkung aneinander anliegen.
8. Spule (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Strömungskanäle (30) durch ein zumindest an einer axialen Seite (11, 13) wenigstens eines Leiterabschnitts (15) angeordnetes Abstandselement realisiert ist.
9. Verfahren zur Herstellung einer Spule (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zwischen einander benachbarten Leiterabschnitten (15) zumindest einer Wicklung (10) eines elektrischen Leiters Druckelemente (40) angeordnet werden, so dass die benachbarten Leiterabschnitte (15) zueinander beabstandet sind, eine Druckkraft (4) auf die Wicklung (10) quer zur Längserstreckungsrichtung der Leiterabschnitte (15) aufgebracht wird, so dass wenigstens einer der an einem Druckelement (40) anliegenden Leiterabschnitte (15) in Bezug auf seine Längserstreckungsrichtung in transversaler Richtung eine Verformung erhält, und das Druckelement (40) aus der Wicklung (10) entfernt wird.
10. Elektrische Rotationsmaschine, insbesondere elektrische Axialflussmaschine, umfassend wenigstens eine Spule (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
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