WO2022037932A1 - Elektrische maschine - Google Patents

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WO2022037932A1
WO2022037932A1 PCT/EP2021/071632 EP2021071632W WO2022037932A1 WO 2022037932 A1 WO2022037932 A1 WO 2022037932A1 EP 2021071632 W EP2021071632 W EP 2021071632W WO 2022037932 A1 WO2022037932 A1 WO 2022037932A1
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WO
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stator
winding
conductor
electrical machine
stator body
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/071632
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Fickert
Anton Schuelin
Alexander Rosen
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2022037932A1 publication Critical patent/WO2022037932A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/12—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors arranged in slots
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/0056—Manufacturing winding connections
    • H02K15/0068—Connecting winding sections; Forming leads; Connecting leads to terminals
    • H02K15/0081—Connecting winding sections; Forming leads; Connecting leads to terminals for form-wound windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/06—Embedding prefabricated windings in machines
    • H02K15/062—Windings in slots; salient pole windings
    • H02K15/064—Windings consisting of separate segments, e.g. hairpin windings
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings

Definitions

  • the invention is based on an electrical machine according to the species of the main claim.
  • stator having a stator axis, which includes a stator body, for example at least one stator lamination stack, and a stator winding, the stator body having stator teeth and stator slots formed between the stator teeth, in which electrical conductors of the run the stator winding, with the stator winding forming a winding overhang on each of the two end faces of the stator body, with the stator winding being a multi-phase electrical wave winding and being formed from a large number of conductor elements, with both winding overhangs of the stator only having two annular, for example hollow-cylindrical, layers for the conductor run of the stator winding, wherein the electrical conductors in each layer of the end winding are formed by a plurality of conductor form sections, which in the same layer each extend from a lower end face of the stator body facing the starting from the end winding in the same circumferential direction to an upper end face of the end
  • an electric machine is already known from DE 4023791 A1 and JP2001136606 A2, with an outer rotor rotatable about a stator axis, an inner rotor coupled to the outer rotor and a radial direction relative to the stator axis between the outer rotor and the inner rotor arranged stator, which comprises a stator body and a stator winding, the stator body having stator teeth and stator slots formed between the stator teeth, in which electrical conductors of the stator winding run, the stator winding forming a winding overhang on each of the two end faces of the stator body, the stator teeth and the Statornuten the stator body are formed on a stator outside facing the outer rotor and on a stator inside facing the inner rotor of the stator body.
  • the stator winding is designed as a yoke or ring winding, which is wound around a stator yoke of the stator body and has free space on an end face of the stator body for the provision of fastening elements for fastening the stator body to an end shield of the electrical machine.
  • the fastening elements designed as fastening bolts protrude through the stator yoke of the stator body in the axial direction with respect to the stator axis and pull the stator body against the bearing plate at certain bearing points.
  • the stator yoke which is required for the yoke winding as a yoke for the respective magnetic circuit, must have a comparatively large yoke height for the magnetic flux and for the passage of the fastening elements, which leads to a high weight of the stator body and increases the space required for the electrical machine. In addition, comparatively high magnetic losses occur in the stator yoke.
  • the electrical machine according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that for stator windings that provide joints in the stator slots, the introduction of the joining forces to produce the non-positive joints in the stator slots is improved by each conductor shape section having at least one of the two end windings both on the side facing the stator body and on the side facing away from the stator body, has a step arrangement comprising a plurality of steps, in particular identically designed steps, the mutually facing step arrangements of respectively adjacent conductor form sections of the respective end winding for the transmission of joining forces for the production of the non-positive joining connections intermesh, for example interlocking.
  • Advantageous developments and improvements of the electrical machine specified in the main claim are possible as a result of the measures listed in the subclaims.
  • step arrangements of ladder form sections arranged one above the other in the axial direction intermesh in such a way that, as seen in the axial direction, steps of the step arrangements lie on top of one another in a straight line in the axial direction
  • Ladder leg is adjustable, for example by deflection of the superimposed ladder form sections due to the joining forces acting.
  • the joining forces are always introduced at such an introduction position that the force flow path running in a straight line in the axial direction results into the ladder leg to be joined. In this way it is achieved that all non-positive joints of the stator winding are produced properly or correctly.
  • the steps of the step arrangement each have two step edges, for example a front edge and a rear edge, with the step edges each having a sharp-edged or rounded design.
  • the step arrangement can have a stepped, tooth-shaped, sawtooth-shaped, toothed or jagged or wavy profile.
  • the steps of the respective step arrangement are each distributed uniformly, for example with the same spacing, over the entire length of the respective gap between the respective adjacent shaped ladder sections. In this way, the contour of the end winding is filled with conductor material to the maximum extent and a regular structure of the end winding is achieved.
  • stator winding is divided into two winding parts in the axial direction with respect to the stator axis, with each winding part comprising one of the two end windings and being formed from a large number of conductor elements comprising the conductor legs, with the conductor legs of one winding part being connected within the stator slots to the conductor legs of the other winding part are joined in a non-positive manner.
  • the two winding parts can be separated from each other assembled outside of the stator body and frictionally joined by being inserted into the stator body at the front using axial joining forces.
  • the time-consuming production of a large number of materially bonded joints, for example by welding or soldering can be completely eliminated.
  • the manufacturing costs of the electrical machine are reduced considerably as a result.
  • one of the two conductor legs of each joint connection has a recess and the other conductor leg has a projection which is inserted, for example pressed, into the recess of one conductor leg. In this way, a non-positive joint connection between the conductor legs of the conductor elements can be reliably produced.
  • stator teeth of the stator body each have a tooth tip and a single electrical conductor of the stator winding that runs through the stator slot in the axial direction is arranged in each stator slot of the stator body, the conductor cross-section of which is determined in terms of area and/or shape and/or dimensions is formed correspondingly, for example with an exact fit or with a clearance fit, to the cross section of the stator slots of the stator body.
  • the conductor legs to be joined in the respective stator slot which are inserted into the respective stator slot from opposite end faces of the stator body, can be paired well with one another at the joint, so that the projections of the conductor legs each find their way into the associated depression of the other conductor leg of the joint .
  • each shaped conductor section is part of a hairpin-shaped conductor element or a connecting conductor element of the stator winding.
  • the stator winding can be designed cost-effectively as a plug-in winding.
  • the conductor elements of the stator winding can be cast parts, for example die-cast or injection-molded parts, or preformed, for example pre-embossed, wires, with aluminum or copper, for example, being provided as the conductor material for the conductor elements.
  • the conductor elements can be manufactured particularly inexpensively.
  • the stator winding can be made very light, which means that the weight of the stator can be reduced even further.
  • the conductor elements have electrical insulation, for example a powder coating or a paint coating.
  • the powder coating has the advantage that it is mechanically particularly resistant, so that damage to the conductor elements in the end winding caused by the introduction of the joining forces to produce the joints is avoided.
  • Fig.l shows an electrical machine according to the invention in longitudinal section
  • FIG. 2 shows the electrical machine according to FIG. 1 in cross section
  • FIG. 3 shows a partial view of the stator according to FIG. 1 and FIG. 2 in cross section
  • FIG. 4 shows a three-dimensional partial view of the stator according to FIG. 1 to FIG. 3, FIG to Fig.4,
  • FIG. 6 shows a sectional view through a winding head according to the invention of the stator according to FIG. 1 to FIG. 5,
  • FIG. 7 shows a three-dimensional view of the stator according to FIG. 1 to FIG. 6,
  • FIG. 8 shows a hairpin-shaped conductor element of the stator winding according to the invention
  • FIG. 9 shows a connecting conductor element of the stator winding according to the invention.
  • Fig.l shows an electrical machine according to the invention in longitudinal section.
  • 2 shows the electrical machine according to the invention according to FIG. 1 in a cross section.
  • Fig.3 shows a partial view of the stator according to Fig.l and Fig.2 in cross section.
  • the electric machine 1 includes a stator 5 having a stator axis 2 , which includes a stator body 6 , in particular at least one laminated stator core, and an electric stator winding 7 .
  • the stator body 6 has stator teeth 8 and stator slots 9 formed between the stator teeth 8, in which electrical conductors of the stator winding 7 run and which extend axially with respect to their longitudinal extent Direction with respect to the stator axis 2 extend.
  • the stator winding 7 forms a winding overhang 10 on each of the two end faces of the stator body 6.
  • the stator winding 7 is designed as a multi-phase electrical wave winding and is formed from a large number of conductor elements 26,27.
  • the conductor elements 26 , 27 each have at least one, in particular rod-shaped, conductor leg 18 located in one of the stator slots 9 and at least one conductor shaped section 20 located in one of the two end windings 10 .
  • FIG. 4 shows a three-dimensional partial view of the stator according to FIG. 1 to FIG. 3, with certain parts of the stator winding not being shown in order to illustrate the invention.
  • Both end windings 10 of the stator 5 each have annular, in particular hollow-cylindrical, layers 17 for the course of the electrical conductors of the stator winding 7.
  • the end windings 10 each have two layers 17.
  • the electrical conductors in each layer 17 of the respective end winding 10 are formed by a multiplicity of conductor form sections 20 .
  • FIG. 5 shows a two-dimensional partial view of a winding overhang according to the invention of the stator according to FIG.
  • the conductor form sections 20 each run in the same layer 17 from a lower end face 10.1 of the end winding 10 facing the stator body 6, starting at the same angle a with respect to the stator axis 2 in the same circumferential direction to an upper end face 10.2 of the end winding 10 facing away from the stator body 6, each with arranged one behind the other over the entire circumference with an element distance 21 to one another and, for example, of identical design.
  • the element spacing 21 between two adjacent ladder-shaped sections 20 of the same layer 17 along the longitudinal extent of the two adjacent ladder-shaped sections 20 is essentially constant, i.e. within the scope of manufacturing tolerances, with all element spacings 21 of the same layer 17 being designed to be essentially the same size.
  • the contour of the end winding 10 is filled to the maximum with conductor material and a regular structure of the end winding is achieved.
  • adjacent conductor form sections 20 of the same layer 17 each lead to electrical conductors in adjacent stator slots 9 of the stator body 6.
  • FIG. 6 shows a sectional view through a winding head according to the invention of the stator according to FIG. 1 to FIG. Fig.7 shows a three-dimensional view of the stator according to Fig.l to Fig.6.
  • a layer spacing 22 is provided between the two layers 17 of the end winding 10, which corresponds to the element spacing 21, for example.
  • each stator slot 9 two of the conductor legs 18 of two conductor elements 26, 27 are provided, which are joined at a joint 35 in the respective stator slot 9 by a non-positive joint 36 to form an electrical conductor that runs through the respective stator slot 9 in the axial direction.
  • stator winding 7 is divided into two winding parts 7.1, 7.2 in the axial direction with respect to the stator axis 2, with each winding part 7.1, 7.2 being formed from a large number of conductor elements 26, 27 and one of the two from conductor form sections 20 formed end turns 10 includes.
  • Each winding part 7.1,7.2 has a large number of conductor limbs 18, which are non-positively joined at one end within the stator slots 9 of the stator body 6 to a conductor limb 18 of the other winding part 7.1,7.2 by means of one of the joints 36 and at the other end with one of the ladder shape sections 20 are integrally connected.
  • the joint connections 36 thus each connect one of the conductor legs 18 of one winding part 7.1 to one of the conductor legs 18 of the other winding part 7.2, with the two conductor legs 18 of the respective joint connection 36 each being shorter in the axial direction than a length of the stator body 6 measured in the axial direction .
  • the two winding parts 7.1, 7.2 are assembled separately from one another outside of the stator body 6 and are non-positively joined by being inserted into the stator body 6 from opposite end faces of the stator body 6 with axial joining forces.
  • each ladder section 20 has at least one of the two winding heads 10, for example both winding heads 10, both on the side facing the stator body 6 and on the side facing away from the stator body 6, a step arrangement 40 comprising a plurality of steps 41, in particular identically designed steps. Furthermore, it is provided according to the invention that the mutually facing step arrangements 40 of respectively adjacent shaped conductor sections 20 of the respective end winding 10 intermesh, in particular interlocking, for the transmission of the axial joining forces for the production of the non-positive joining connections 36 .
  • the step arrangements 40 of ladder sections 20 arranged one above the other in the axial direction engage in one another in such a way that, as a result of steps 41 of the step arrangements 40 lying on top of one another viewed in the axial direction, a power flow path 42 running in a straight line in the axial direction from one end on the upper end face 10.2 of the Winding overhang 10 lying upper end of each uppermost shaped ladder section 20 is adjustable up to the conductor leg 18 to be joined, in particular by deflection of the ladder shaped sections 20 arranged one above the other due to the joining forces acting.
  • the axial joining forces are introduced into the conductor connecting sections 25 of the hairpin-shaped conductor elements 26 located on the upper end face 10.2 of the respective end winding 10.
  • the steps 41 of the step arrangement 40 each have two step edges 43, in particular a front edge and a rear edge, with the step edges 43 each having a sharp-edged or rounded configuration.
  • the steps 41 of the respective step arrangement 40 are each distributed uniformly, in particular at the same distance, over the entire longitudinal extent of the respective gap 21 between the respective adjacent ladder-shaped sections 20 .
  • One of the two ladder legs 18 of a joint 36 has a recess 45 at a joint with the other ladder leg 18 and the other ladder leg 18 has a projection 46 cooperating with the recess 45 of one ladder leg 18 in a non-positive manner.
  • a press fit is provided in each case between the depression 45 and the projection of the joint connection 36 .
  • the Projections 46 can each be formed in one piece on the respective conductor leg 18 of the conductor element 26,27.
  • the projections 46 can be provided as a separate component, in that both conductor legs 18 of a joint 36 have a depression 45 at the joint and in that a connecting bolt is pressed into one of the two depressions 45 as a separate part.
  • the conductor legs 18 of all conductor elements 26, 27 of one winding part 7.1 have depressions 45 and the conductor legs 18 of all conductor elements 26, 27 of the other winding part 7.2 have projections 46.
  • Each of the conductor form sections 20 is part of a hairpin-shaped conductor element 26 or a connecting conductor element 27 of the stator winding 7.
  • each conductor leg 18 of the first winding part 7.1 and each conductor leg 18 of the second winding part 7.2 is part of one of the hairpin-shaped conductor elements 26 or one of the connecting conductor elements 27 the stator winding 7.
  • the conductor cross-section of the conductor elements 26, 27 can increase in each case at the transition from the conductor leg 18 to the shaped conductor section 20 (FIGS. 8 and 9).
  • FIG. 8 shows a hairpin-shaped conductor element 26 of the stator winding 7 according to the invention.
  • the hairpin-shaped conductor elements 26 each have two conductor legs 18 for insertion into the stator slots 9 and a conductor leg connector 19 which connects the two conductor legs 18 and forms a winding step, the conductor leg connectors 19 of the hairpin-shaped conductor elements 26 each consisting of two conductor sections arranged in particular in a V-shape relative to one another 20 are formed, which lie in different layers 17 of the same end winding 10 and are connected to one another in one piece via one of the conductor connecting sections 25 located on the upper end face 10.2 of the end winding 10. Each conductor connecting section 25 is therefore part of one of the hairpin-shaped conductor elements 26.
  • FIG. 9 shows a connecting conductor element 27 of the stator winding according to the invention.
  • the connecting conductor elements 27 each have a conductor leg 18 for insertion into one of the stator slots 9, one of the conductor form sections 20 for arranging in the winding head 10 and a connection section 28 protruding from the respective winding head 10 for connection to an external power supply.
  • the conductor elements 26, 27 of the stator winding 7 can be designed, for example, as cast parts, in particular die-cast or injection-molded parts, or as preformed, in particular prestamped, wires.
  • Aluminum or copper, for example, is provided as the conductor material for the conductor elements 26,27.
  • the conductor elements 26,27 have an electrical insulation, not shown, for example a powder coating or a paint coating.
  • stator teeth 8 of the stator body 6 each have a tooth head 8.1.
  • each stator slot 9 of the stator body 6 there is a single electrical conductor of the stator winding 7 that runs through the stator slot 9 in the axial direction, the conductor cross section of which corresponds in terms of area and/or shape and/or dimensions, in particular with a precise fit or with a loose fit , to the cross section of the stator slots 9 of the stator body 6 is formed.
  • the only electrical conductor per stator slot 9 is formed by two of the conductor legs 18 which are joined to one another via the force-fit joint connection 36 within the respective stator slot 9 .
  • the electrical machine 1 also comprises a rotor 3 which can rotate about the stator axis 2 and has an outer rotor 3.1 and an inner rotor 3.2 coupled to the outer rotor 3.1.
  • the stator 5 is arranged between the outer rotor 3.1 and the inner rotor 3.2, viewed in the radial direction with respect to the stator axis 2.
  • the electrical machine 1 can also have an output shaft 14 with which the outer rotor 3.1 and the inner rotor 3.2 are mechanically coupled.
  • the outer rotor 3.1 and the inner rotor 3.2 each have, for example, a laminated rotor core.
  • the outer rotor 3.1 is, for example, a
  • the outer rotor carrier 13 is coupled to the output shaft 14 , the outer rotor carrier 13 running on one of the two end faces of the stator body 6 in the radial direction towards the output shaft 14 .
  • the outer rotor 3.1 and the inner rotor 3.2 can each have a squirrel-cage winding in order to run the electrical machine as an asynchronous machine.
  • the electric machine 1 can furthermore comprise an end shield 4 .
  • the bearing plate 4 is intended to accommodate a pivot bearing 12, for example a roller bearing, for supporting the rotor 3 and is part of a housing 1.1 of the electrical machine 1.
  • the housing 1.1 is, for example, designed in two parts and comprises a pot-shaped housing section and the bearing plate 4. On the pot-shaped housing section For example, another end shield with another pivot bearing for mounting the rotor 3 is provided.
  • the stator teeth 8 and the stator slots 9 of the stator body 6 are formed according to FIG.
  • the stator body 6 has an annular stator yoke 11 from which the stator teeth 8 protrude in the radial direction.
  • the stator teeth 8 arranged on the outside of the stator 6.1 are arranged in alignment with one of the stator teeth 8 arranged on the inside of the stator 6.2, viewed in the radial direction with respect to the axis of rotation 2.
  • the stator yoke 11 has a yoke height Hj measured in the radial direction, which is, for example, smaller than a tooth width Bz of the stator teeth 8 measured outside the tooth tips 8.1 in the circumferential direction with respect to the axis of rotation 2, in particular smaller than three quarters, two thirds, one half, one third or a quarter of the tooth width Bz of the stator teeth 8.
  • the at least one stator lamination packet of the stator body 6 comprises a multiplicity of stator laminations which can be cohesively connected to one another by a joining agent, for example an adhesive or a baking varnish.
  • the conductor form sections 20 of the two layers 17 of the respective end winding 10 form a rotationally symmetrical, in particular hollow-cylindrical, contour of the end winding 10, which has a contour cross-section in which per layer 17 a certain number of arranged conductor cross sections of the ladder form sections 20 is provided.
  • This contour cross-section has a winding head width BWK measured in the radial direction and a winding head height HWK measured in the axial direction and is, for example, quadrilateral or rectangular in shape.
  • the end winding width BWK corresponds to a stator width BST, measured in the radial direction, of the stator body 6 (FIGS. 1 and 3), with the end winding 10 being at the radially outermost and radially innermost edges of the stator teeth 8 is flush with the outside of the stator 6.1 or the inside of the stator 6.2.
  • the ladder sections 20 of the layer 17 facing the inner rotor 3.2 extend in the radial direction to the innermost edge of the tooth tips 8.1 on the inside of the stator 6.2, and the ladder sections 20 of the layer 17 facing the outer rotor 3.1 extend in the radial direction to the outermost edge of the teeth on the Tooth tips 8.1 lying on the outside of the stator 6.1 of the stator body 6.
  • the conductor-shaped sections 20 of the end windings 10 each have a rectangular conductor cross-section with two broad sides and two narrow sides, the broad sides of adjacent conductor-shaped sections 20 of the same layer 17 facing each other in the contour cross-section of the contour of the winding overhang 10 (FIGS. 1 and 6).
  • shaped conductor sections 20 of one layer 17 of the winding overhang 10 are provided, which, to form a winding step, are connected to a shaped conductor section 20 of the other layer 17 of the same winding overhang 10 via a rod-shaped conductor connecting section running in the radial direction and arranged on the upper end face 10.2 of the winding overhang 10 25 are connected, which has a length Lv measured in the radial direction, which corresponds, for example, to the end winding width BWK.
  • a large number of the conductor connection sections 25 are arranged one behind the other along the ring-shaped course of the end winding 10 , a connector spacing 23 being provided between adjacent conductor connection sections 25 , which distance 23 corresponds to the element spacing 21 , for example.
  • the strands of conductors of the stator winding 7 result in a change of layer from one layer 17 of the end winding 10 to the other layer 17 of the same end winding 10 and thus a change in position of one of the stator slots 9 located on the inside 6.2 of the stator 5 one of the stator slots 9 on the outside of the stator 6.1 or vice versa, namely by means of one of the conductor connection sections 25.
  • stator winding 7 runs both through the stator slots 9 on the inside of the stator 6.2 and through the stator slots 9 on the outside of the stator 6.1.
  • the conductor form sections 20 run in opposite directions in the circumferential direction.
  • the conductor shape sections 20 of layers 17 in the same position (with respect to the radial position, ie outer layer or inner layer) of different end windings 10 also run in opposite directions in the circumferential direction.
  • one of the two end windings 10 of the stator winding 7 is fastened, in particular clamped, glued or cast, in at least one end winding receptacle 16, in particular a depression or a groove.
  • The, for example, ring-shaped winding head receptacle 16 of the bearing plate 4 has a cross section for receiving the winding head 10, which is designed to support the forces acting on the stator body 6, in particular with a precise fit or with a clearance fit, to the contour cross section of the winding head 10 attached to the bearing plate 4.
  • the end winding 10 extends into the end winding receptacle 16 of the end shield 4 with a certain depth.
  • the carrier 30 is designed as a floating bearing, so it can only support forces acting on the other end winding 10 in the radial direction and thus reduce or avoid vibrations of the stator body 6 .

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Abstract

Elektrische Maschine mit einem eine Statorachse (2) aufweisenden Stator (5), der einen Statorkörper (6) und eine Statorwicklung (7) umfasst, wobei der Statorkörper (6) Statorzähne (8) und zwischen den Statorzähnen (8) gebildete Statornuten (9) aufweist, in denen elektrische Leiter der Statorwicklung (7) verlaufen, wobei die Statorwicklung (7) an den beiden Stirnseiten des Statorkörpers (6) jeweils einen Wickelkopf (10) bildet, wobei die Statorwicklung (7) eine mehrphasige elektrische Wellenwicklung ist und aus einer Vielzahl von Leiterelementen (26,27) gebildet ist, wobei beide Wickelköpfe (10) des Stators (5) jeweils ringförmige Schichten (17) für den Verlauf der elektrischen Leiter der Statorwicklung (7) aufweisen, wobei die elektrischen Leiter in jeder Schicht (17) des jeweiligen Wickelkopfes (10) durch eine Vielzahl von Leiterformabschnitten (20) gebildet sind, die in derselben Schicht (17) jeweils von einer dem Statorkörper (6) zugewandten unteren Stirnseite (10.1) des Wickelkopfes (10) ausgehend, insbesondere unter demselben Winkel (α) bezüglich der Statorachse (2), in dieselbe Umfangsrichtung bis an eine dem Statorkörper (6) abgewandte obere Stirnseite (10.2) des Wickelkopfes (10) verlaufen, wobei in jeder Statornut (9) zwei Leiterschenkel (18) von zwei Leiterelementen (26,27) vorgesehen sind, die an einer in der jeweiligen Statornut (9) liegenden Fügestelle (35) durch eine kraftschlüssige Fügeverbindung (36) zu einem in axialer Richtung durch die Statornut (9) durchgehenden elektrischen Leiter gefügt sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leiterformabschnitt (20) zumindest eines der beiden Wickelköpfe (10) sowohl auf der dem Statorkörper (6) zugewandten als auch auf der dem Statorkörper (6) abgewandten Seite eine Stufenanordnung (40) umfassend mehrere Stufen (41) aufweist, wobei die einander zugewandten Stufenanordnungen (40) von jeweils benachbarten Leiterformabschnitten (20) des jeweiligen Wickelkopfes (10) zur Übertragung von Fügekräften zur Herstellung der kraftschlüssigen Fügeverbindungen (36) ineinandergreifen.

Description

Beschreibung
Titel
Elektrische Maschine
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist schon eine elektrische Maschine aus der DE102018208321 Al bekannt, mit einem eine Statorachse aufweisenden Stator, der einen Statorkörper, beispielsweise zumindest ein Statorblechpaket, und eine Statorwicklung umfasst, wobei der Statorkörper Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildete Statornuten aufweist, in denen elektrische Leiter der Statorwicklung verlaufen, wobei die Statorwicklung an den beiden Stirnseiten des Statorkörpers jeweils einen Wickelkopf bildet, wobei die Statorwicklung eine mehrphasige elektrische Wellenwicklung ist und aus einer Vielzahl von Leiterelementen gebildet ist, wobei beide Wickelköpfe des Stators ausschließlich zwei ringförmige, beispielsweise hohlzylinderförmige, Schichten für den Leiterverlauf der Statorwicklung aufweisen, wobei die elektrischen Leiter in jeder Schicht des Wickelkopfes durch eine Vielzahl von Leiterformabschnitten gebildet sind, die in derselben Schicht jeweils von einer dem Statorkörper zugewandten unteren Stirnseite des Wickelkopfes ausgehend in dieselbe Umfangsrichtung bis an eine dem Statorkörper abgewandte obere Stirnseite des Wickelkopfes verlaufen, mit jeweils einem Elementabstand zueinander über den gesamten Umfang hintereinander angeordnet sind, wobei in jeder Statornut zwei zu unterschiedlichen Leiterelementen gehörende Leiterschenkel vorgesehen sind, die an einer in der jeweiligen Statornut liegenden Fügestelle durch eine kraftschlüssige Fügeverbindung zu einem in axialer Richtung durch die Statornut durchgehenden elektrischen Leiter gefügt sind. Die miteinander gefügten Leiterschenkel weisen an ihren einander abgewandten Enden jeweils einen der Leiterformabschnitte auf.
Weiterhin ist schon eine elektrische Maschine aus der DE 4023791 Al und der JP2001136606 A2 bekannt, mit einem um eine Statorachse drehbaren Außenrotor, einem mit dem Außenrotor gekoppelten Innenrotor und einem in radialer Richtung bezüglich der Statorachse zwischen dem Außenrotor und dem Innenrotor angeordneten Stator, der einen Statorkörper und eine Statorwicklung umfasst, wobei der Statorkörper Statorzähne und zwischen den Statorzähnen gebildete Statornuten aufweist, in denen elektrische Leiter der Statorwicklung verlaufen, wobei die Statorwicklung an den beiden Stirnseiten des Statorkörpers jeweils einen Wickelkopf bildet, wobei die Statorzähne und die Statornuten des Statorkörpers an einer dem Außenrotor zugewandten Statoraußenseite und an einer dem Innenrotor zugewandten Statorinnenseite des Statorkörpers ausgebildet sind. Die Statorwicklung ist als Joch- bzw. Ringwicklung ausgebildet, die um ein Statorjoch des Statorkörpers gewickelt ist und an einer Stirnseite des Statorkörpers freien Bauraum aufweist zum Vorsehen von Befestigungselementen zur Befestigung des Statorkörpers an einem Lagerschild der elektrischen Maschine. Dabei durchragen die als Befestigungsbolzen ausgebildeten Befestigungselemente das Statorjoch des Statorkörpers in axialer Richtung bezüglich der Statorachse und ziehen den Statorkörper an bestimmten Lagerstellen gegen das Lagerschild. Das Statorjoch, das für die Jochwicklung als Rückschluss für den jeweiligen Magnetkreis erforderlich ist, muss für den Magnetfluss und für das Durchführen der Befestigungselemente eine vergleichsweise große Jochhöhe aufweisen, was zu einem hohen Gewicht des Statorkörpers führt und den notwendigen Bauraum für die elektrische Maschine erhöht. Außerdem treten vergleichsweise hohe Magnetverluste in dem Statorjoch auf.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass für Statorwicklungen, die Fügestellen in den Statornuten vorsehen, das Einleiten der Fügekräfte zur Herstellung der in den Statornuten liegenden kraftschlüssigen Fügeverbindungen verbessert wird, indem jeder Leiterformabschnitt zumindest eines der beiden Wickelköpfe sowohl auf der dem Statorkörper zugewandten als auch auf der dem Statorkörper abgewandten Seite eine Stufenanordnung umfassend mehrere, insbesondere identisch ausgebildete, Stufen aufweist, wobei die einander zugewandten Stufenanordnungen von jeweils benachbarten Leiterformabschnitten des jeweiligen Wickelkopfes zur Übertragung von Fügekräften zur Herstellung der kraftschlüssigen Fügeverbindungen ineinandergreifen, beispielsweise verzahnend. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen elektrischen Maschine möglich.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Stufenanordnungen von in axialer Richtung übereinander angeordneten Leiterformabschnitten derart ineinandergreifen, dass durch ein in axialer Richtung gesehen durchgängiges Aufliegen von Stufen der Stufenanordnungen ein in axialer Richtung geradlinig verlaufender Kraftflusspfad von dem oberen Ende des jeweils obersten Leiterformabschnitts bis in den zu fügenden Leiterschenkel einstellbar ist, beispielsweise durch ein Einfedern der übereinander angeordneten Leiterformabschnitte aufgrund der wirkenden Fügekräfte. Am oberen Ende des jeweils obersten Leiterformabschnitts werden die Fügekräfte also immer an einer solchen Einleitposition eingeleitet, dass sich der in axialer Richtung geradlinig verlaufende Kraftflusspfad bis in den zu fügenden Leiterschenkel ergibt. Auf diese Weise wird erreicht, dass alle kraftschlüssigen Fügeverbindungen der Statorwicklung einwandfrei bzw. korrekt hergestellt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Stufen der Stufenanordnung jeweils zwei Stufenkanten, beispielsweise eine Vorderkante und eine Hinterkante, aufweisen, wobei die Stufenkanten jeweils scharfkantig oder abgerundet ausgebildet sind. Abhängig von der Ausbildung der Stufenkanten kann sich beispielsweise ein treppenförmiger, zahnförmiger, sägezahnförmiger, gezahnter oder gezackter bzw. ein wellenförmiger Verlauf der Stufenanordnung ergeben.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Stufen der jeweiligen Stufenanordnung jeweils gleichmäßig, beispielsweise mit gleichem Abstand, über die gesamte Länge des jeweiligen Spaltes zwischen den jeweils benachbarten Leiterformabschnitten verteilt sind. Auf diese Weise wird die Kontur des Wickelkopfes maximal mit Leitermaterial ausgefüllt und ein regelmäßiger Aufbau des Wickelkopfes erreicht.
Vorteilhaft ist, wenn die Statorwicklung in axialer Richtung bezüglich der Statorachse in zwei Wicklungsteile geteilt ist, wobei jeder Wicklungsteil einen der beiden Wickelköpfe umfasst und aus einer Vielzahl der Leiterschenkel umfassenden Leiterelemente gebildet ist, wobei die Leiterschenkel des einen Wicklungsteils innerhalb der Statornuten mit den Leiterschenkeln des anderen Wicklungsteils kraftschlüssig gefügt sind. Auf diese Weise können die beiden Wicklungsteile getrennt voneinander außerhalb des Statorkörpers zusammengebaut und durch stirnseitiges Einstecken in den Statorkörper mit axialen Fügekräften kraftschlüssig zusammengefügt werden. Das zeitaufwendige Herstellen einer Vielzahl von stoffschlüssigen Fügeverbindungen, beispielsweise durch Schweißen oder Löten, kann vollständig entfallen. Die Herstellungskosten der elektrischen Maschine werden dadurch erheblich verringert.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn einer der beiden Leiterschenkel jeder Fügeverbindung eine Vertiefung und der andere Leiterschenkel einen in der Vertiefung des einen Leiterschenkels eingesteckten, beispielsweise eingepressten, Vorsprung aufweist. Auf diese Weise kann zuverlässig eine kraftschlüssige Fügeverbindung zwischen den Leiterschenkeln der Leiterelemente erzeugt werden.
Auch vorteilhaft ist, wenn die Statorzähne des Statorkörpers jeweils einen Zahnkopf aufweisen und in jeder Statornut des Statorkörpers ein einziger in axialer Richtung durch die Statornut durchgehender elektrischer Leiter der Statorwicklung angeordnet ist, dessen Leiterquerschnitt hinsichtlich der Fläche und/oder der Form und/oder der Abmessungen korrespondierend, beispielsweise passgenau oder mit einer Spielpassung, zum Querschnitt der Statornuten des Statorkörpers ausgebildet ist. Auf diese Weise können die in der jeweiligen Statornut zu fügenden Leiterschenkel, die von gegenüberliegenden Stirnseiten des Statorkörpers in die jeweilige Statornut eingesteckt werden, am Stoß gut zueinander gepaart werden, so dass die Vorsprünge der Leiterschenkel jeweils in die zugehörige Vertiefung des anderen Leiterschenkels der Fügeverbindung finden.
Desweiteren vorteilhaft ist, wenn jeder Leiterformabschnitt Teil eines hairpinförmigen Leiterelementes oder eines Anschluss-Leiterelementes der Statorwicklung ist. Auf diese Weise kann die Statorwicklung kostengünstig als Steckwicklung ausgebildet werden.
Nach einer vorteilhaften Ausführung können die Leiterelemente der Statorwicklung Gussteile, beispielsweise Druckguss- oder Spritzgussteile, oder vorgeformte, beispielsweise vorgeprägte, Drähte sein, wobei als Leitermaterial für die Leiterelemente beispielsweise Aluminium oder Kupfer vorgesehen ist. Auf diese Weise können die Leiterelemente besonders kostengünstig hergestellt werden. Im Fall von Aluminium kann die Statorwicklung sehr leicht ausgeführt werden, wodurch das Gewicht des Stators noch weiter verringert werden kann. Außerdem vorteilhaft ist, wenn die Leiterelemente eine elektrische Isolation, beispielsweise eine Pulverbeschichtung oder eine Lackbeschichtung, aufweisen. Die Pulverbeschichtung hat den Vorteil, dass sie mechanisch besonders widerstandsfähig ist, so dass Beschädigungen der Leiterelemente im Wickelkopf durch das Einleiten der Fügekräfte zum Herstellen der Fügeverbindungen vermieden werden.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Fig.l zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Maschine im Längsschnitt,
Fig.2 die elektrische Maschine nach Fig.l im Querschnitt,
Fig.3 eine Teilansicht des Stators nach Fig.l und Fig.2 im Querschnitt, Fig.4 eine dreidimensionale Teilansicht des Stators nach Fig.l bis Fig.3, Fig.5 eine zweidimensionale Teilansicht eines erfindungsgemäßen Wickelkopfes des Stators nach Fig.l bis Fig.4,
Fig.6 eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Wickelkopf des Stators nach Fig.l bis Fig.5,
Fig.7 eine dreidimensionale Ansicht des Stators nach Fig.l bis Fig.6,
Fig.8 ein hairpinförmiges Leiterelement der erfindungsgemäßen Statorwicklung und Fig.9 ein Anschluss-Leiterelement der erfindungsgemäßen Statorwicklung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Fig.l zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Maschine im Längsschnitt. Fig.2 zeigt die erfindungsgemäße elektrische Maschine nach Fig.l in einem Querschnitt. Fig.3 zeigt eine Teilansicht des Stators nach Fig.l und Fig.2 im Querschnitt.
Die elektrische Maschine 1 umfasst einen eine Statorachse 2 aufweisenden Stator 5, der einen Statorkörper 6, insbesondere zumindest ein Statorblechpaket, und eine elektrische Statorwicklung 7 umfasst. Der Statorkörper 6 weist Statorzähne 8 und zwischen den Statorzähnen 8 gebildete Statornuten 9 auf, in denen elektrische Leiter der Statorwicklung 7 verlaufen und die sich bezüglich ihrer Längserstreckung in axialer Richtung bezüglich der Statorachse 2 erstrecken. Die Statorwicklung 7 bildet an den beiden Stirnseiten des Statorkörpers 6 jeweils einen Wickelkopf 10.
Die Statorwicklung 7 ist als mehrphasige elektrische Wellenwicklung ausgeführt und aus einer Vielzahl von Leiterelementen 26,27 gebildet.
Die Leiterelemente 26,27 weisen jeweils zumindest einen in einer der Statornuten 9 liegenden, insbesondere stabförmigen, Leiterschenkel 18 und zumindest einen in einem der beiden Wickelköpfe 10 liegenden Leiterformabschnitt 20 auf.
Fig.4 zeigt eine dreidimensionale Teilansicht des Stators nach Fig.l bis Fig.3, wobei bestimmte Teile der Statorwicklung zur Veranschaulichung der Erfindung nicht dargestellt sind.
Beide Wickelköpfe 10 des Stators 5 haben jeweils ringförmige, insbesondere hohlzylinderförmige, Schichten 17 für den Verlauf der elektrischen Leiter der Statorwicklung 7. Nach dem Ausführungsbeispiel weisen die Wickelköpfe 10 jeweils zwei Schichten 17 auf. Die elektrischen Leiter in jeder Schicht 17 des jeweiligen Wickelkopfes 10 sind durch eine Vielzahl von Leiterformabschnitten 20 gebildet.
Fig.5 zeigt eine zweidimensionale Teilansicht eines erfindungsgemäßen Wickelkopfes des Stators nach Fig.l bis Fig.4.
Die Leiterformabschnitten 20 verlaufen in derselben Schicht 17 jeweils von einer dem Statorkörper 6 zugewandten unteren Stirnseite 10.1 des Wickelkopfes 10 ausgehend unter demselben Winkel a bezüglich der Statorachse 2 in dieselbe Umfangsrichtung bis an eine dem Statorkörper 6 abgewandte obere Stirnseite 10.2 des Wickelkopfes 10, sind mit jeweils einem Elementabstand 21 zueinander über den gesamten Umfang hintereinander angeordnet und beispielsweise identisch ausgebildet. Nach dem Ausführungsbeispiel ist der Elementabstand 21 zwischen zwei benachbarten Leiterformabschnitten 20 derselben Schicht 17 entlang der Längserstreckung der beiden benachbarten Leiterformabschnitte 20 jeweils im wesentlichen, also im Rahmen von Fertigungstoleranzen, konstant ausgebildet, wobei alle Elementabstände 21 derselben Schicht 17 im wesentlichen gleich groß ausgeführt sind. Auf diese Weise wird die Kontur des Wickelkopfes 10 maximal mit Leitermaterial ausgefüllt und ein regelmäßiger Aufbau des Wickelkopfes erreicht. Beispielsweise führen benachbarte Leiterformabschnitte 20 derselben Schicht 17 jeweils zu elektrischen Leitern in benachbarten Statornuten 9 des Statorkörpers 6.
Fig.6 zeigt eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Wickelkopf des Stators nach Fig.l bis Fig.5. Fig.7 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Stators nach Fig.l bis Fig.6.
Zwischen den beiden Schichten 17 des Wickelkopfes 10 ist ein Schichtabstand 22 vorgesehen, der beispielsweise dem Elementabstand 21 entspricht.
In jeder Statornut 9 sind zwei der Leiterschenkel 18 von zwei Leiterelementen 26,27 vorgesehen, die an einer in der jeweiligen Statornut 9 liegenden Fügestelle 35 durch eine kraftschlüssige Fügeverbindung 36 zu einem in axialer Richtung durch die jeweilige Statornut 9 durchgehenden elektrischen Leiter gefügt sind.
Dies wird gemäß dem Ausführungsbeispiel erreicht, indem die Statorwicklung 7 in axialer Richtung bezüglich der Statorachse 2 in zwei Wicklungsteile 7.1,7.2 geteilt ist, wobei jeder Wicklungsteil 7.1, 7.2 aus einer Vielzahl der Leiterelemente 26,27 gebildet ist und einen der beiden aus Leiterformabschnitten 20 gebildeten Wickelköpfe 10 umfasst. Jeder Wicklungsteil 7.1,7.2 weist eine Vielzahl der Leiterschenkel 18 auf, die an ihrem einen Ende innerhalb der Statornuten 9 des Statorkörpers 6 jeweils mit einem Leiterschenkel 18 des anderen Wicklungsteils 7.1,7.2 mittels einer der Fügeverbindungen 36 kraftschlüssig gefügt sind und an dem anderen Ende mit einem der Leiterformabschnitte 20 einstückig verbunden sind. Die Fügeverbindungen 36 verbinden also jeweils einen der Leiterschenkel 18 des einen Wicklungsteils 7.1 mit einem der Leiterschenkel 18 des anderen Wicklungsteils 7.2, wobei die beiden Leiterschenkel 18 der jeweiligen Fügeverbindung 36 in axialer Richtung jeweils kürzer ausgebildet sind als eine in axialer Richtung gemessene Länge des Statorkörpers 6.
Die beiden Wicklungsteile 7.1, 7.2 werden bei der Herstellung der elektrischen Maschine getrennt voneinander außerhalb des Statorkörpers 6 zusammengebaut und durch Einstecken in den Statorkörper 6 von gegenüberliegenden Stirnseiten des Statorkörpers 6 mit axialen Fügekräften kraftschlüssig zusammengefügt.
Um das Einleiten der axialen Fügekräfte zur Herstellung der in den Statornuten 9 liegenden kraftschlüssigen Fügeverbindungen 36 zu verbessern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass jeder Leiterformabschnitt 20 zumindest eines der beiden Wickelköpfe 10, beispielsweise beider Wickelköpfe 10, sowohl auf der dem Statorkörper 6 zugewandten als auch auf der dem Statorkörper 6 abgewandten Seite eine Stufenanordnung 40 umfassend mehrere, insbesondere identisch ausgebildete, Stufen 41 aufweist. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die einander zugewandten Stufenanordnungen 40 von jeweils benachbarten Leiterformabschnitten 20 des jeweiligen Wickelkopfes 10 zur Übertragung der axialen Fügekräfte zur Herstellung der kraftschlüssigen Fügeverbindungen 36 ineinandergreifen, insbesondere verzahnend.
Nach dem Ausführungsbeispiel greifen die Stufenanordnungen 40 von in axialer Richtung übereinander angeordneten Leiterformabschnitten 20 derart ineinander, dass durch ein in axialer Richtung gesehen durchgängiges Aufliegen von Stufen 41 der Stufenanordnungen 40 jeweils ein in axialer Richtung geradlinig verlaufender Kraftflusspfad 42 von einem an der oberen Stirnseite 10.2 des Wickelkopfs 10 liegenden oberen Ende des jeweils obersten Leiterformabschnitts 20 bis in den zu fügenden Leiterschenkel 18 einstellbar ist, insbesondere durch ein Einfedern der übereinander angeordneten Leiterformabschnitte 20 aufgrund der wirkenden Fügekräfte. Beispielsweise werden die axialen Fügekräfte in die an der oberen Stirnseite 10.2 des jeweiligen Wickelkopfes 10 liegenden Leiterverbindungsabschnitte 25 der hairpinförmigen Leiterelemente 26 eingeleitet.
Die Stufen 41 der Stufenanordnung 40 weisen jeweils zwei Stufenkanten 43, insbesondere eine Vorderkante und eine Hinterkante, auf, wobei die Stufenkanten 43 jeweils scharfkantig oder abgerundet ausgebildet sind.
Die Stufen 41 der jeweiligen Stufenanordnung 40 sind jeweils gleichmäßig, insbesondere mit gleichem Abstand, über die gesamte Längserstreckung des jeweiligen Spaltes 21 zwischen den jeweils benachbarten Leiterformabschnitten 20 verteilt.
Einer der beiden Leiterschenkel 18 einer Fügeverbindung 36 weist an einem Stoß mit dem anderen Leiterschenkel 18 jeweils eine Vertiefung 45 und der andere Leiterschenkel 18 jeweils einen mit der Vertiefung 45 des einen Leiterschenkels 18 kraftschlüssig zusammenwirkenden Vorsprung 46 auf. Zwischen der Vertiefung 45 und dem Vorsprung der Fügeverbindung 36 ist jeweils eine Presspassung vorgesehen. Die Vorsprünge 46 können jeweils einstückig am jeweiligen Leiterschenkel 18 des Leiterelementes 26,27 ausgebildet sein. Alternativ können die Vorsprünge 46 als separates Bauteil vorgesehen sein, indem beide Leiterschenkel 18 einer Fügeverbindung 36 am Stoß eine Vertiefung 45 aufweisen und indem in eine der beiden Vertiefungen 45 ein Verbindungsbolzen als separates Teil eingepresst ist. Beispielsweise haben die Leiterschenkel 18 aller Leiterelemente 26,27 des einen Wicklungsteils 7.1 Vertiefungen 45 und die Leiterschenkel 18 aller Leiterelemente 26,27 des anderen Wicklungsteils 7.2 Vorsprünge 46.
Jeder der Leiterformabschnitte 20 ist Teil eines hairpinförmigen Leiterelementes 26 oder eines Anschluss-Leiterelementes 27 der Statorwicklung 7. Außerdem ist jeder Leiterschenkel 18 des ersten Wicklungsteils 7.1 und jeder Leiterschenkel 18 des zweiten Wicklungsteils 7.2 Teil eines der hairpinförmigen Leiterelemente 26 oder eines der Anschluss-Leiterelemente 27 der Statorwicklung 7.
Der Leiterquerschnitt der Leiterelemente 26,27 kann sich jeweils beim Übergang von dem Leiterschenkel 18 in den Leiterformabschnitt 20 vergrößern (Fig.8 und Fig.9).
Fig.8 zeigt ein hairpinförmiges Leiterelement 26 der erfindungsgemäßen Statorwicklung 7.
Die hairpinförmigen Leiterelemente 26 weisen jeweils zwei Leiterschenkel 18 zum Einstecken in die Statornuten 9 und einen die beiden Leiterschenkel 18 verbindenden, einen Wickelschritt bildenden Leiterschenkelverbinder 19 auf, wobei die Leiterschenkelverbinder 19 der hairpinförmigen Leiterelemente 26 jeweils aus zwei, insbesondere V-förmig zueinander angeordneten, Leiterformabschnitten 20 gebildet sind, die in unterschiedlichen Schichten 17 desselben Wickelkopfes 10 liegen und über einen der an der oberen Stirnseite 10.2 des Wickelkopfes 10 liegenden Leiterverbindungsabschnitte 25 einstückig miteinander verbunden sind. Jeder Leiterverbindungsabschnitt 25 ist also Teil eines der hairpinförmigen Leiterelemente 26.
Fig.9 zeigt ein Anschluss-Leiterelement 27 der erfindungsgemäßen Statorwicklung.
Die Anschluss-Leiterelemente 27 weisen jeweils einen Leiterschenkel 18 zum Einstecken in eine der Statornuten 9, einen der Leiterformabschnitte 20 zum Anordnen im Wickelkopf 10 und einen aus dem jeweiligen Wickelkopf 10 vorstehenden Anschlussabschnitt 28 zum Anschließen an eine externe Spannungsversorgung auf.
Die Leiterelemente 26,27 der Statorwicklung 7 können beispielsweise als Gussteile, insbesondere Druckguss- oder Spritzgussteile, oder als vorgeformte, insbesondere vorgeprägte, Drähte ausgeführt sein. Als Leitermaterial für die Leiterelemente 26,27 ist beispielsweise Aluminium oder Kupfer vorgesehen. Die Leiterelemente 26,27 haben eine nicht dargestellte elektrische Isolation, beispielsweise eine Pulverbeschichtung oder eine Lackbeschichtung.
Nach Fig.2 und Fig.3 haben die Statorzähne 8 des Statorkörpers 6 jeweils einen Zahnkopf 8.1. Außerdem ist in jeder Statornut 9 des Statorkörpers 6 ein einziger, in axialer Richtung durch die Statornut 9 durchgehender elektrischer Leiter der Statorwicklung 7 angeordnet, dessen Leiterquerschnitt hinsichtlich der Fläche und/oder der Form und/oder der Abmessungen korrespondierend, insbesondere passgenau oder mit einer Spielpassung, zum Querschnitt der Statornuten 9 des Statorkörpers 6 ausgebildet ist. Dabei ist der einzige elektrische Leiter pro Statornut 9 jeweils durch zwei der Leiterschenkel 18 gebildet, die über die kraftschlüssige Fügeverbindung 36 innerhalb der jeweiligen Statornut 9 miteinander gefügt sind.
Die elektrische Maschine 1 umfasst nach Fig.l außerdem einen um die Statorachse 2 drehbaren Rotor 3, der einen Außenrotor 3.1 und einen mit dem Außenrotor 3.1 gekoppelten Innenrotor 3.2 aufweist. Der Stator 5 ist in radialer Richtung bezüglich der Statorachse 2 gesehen zwischen dem Außenrotor 3.1 und dem Innenrotor 3.2 angeordnet.
Die elektrische Maschine 1 kann nach Fig.l außerdem eine Abtriebswelle 14 haben, mit der der Außenrotor 3.1 und der Innenrotor 3.2 mechanisch gekoppelt sind. Der Außenrotor 3.1 und der Innenrotor 3.2 weisen jeweils beispielsweise ein Rotorblechpaket auf. Der Außenrotor 3.1 ist beispielsweise über einen
Außen rotorträger 13 mit der Abtriebswelle 14 gekoppelt, wobei der Außenrotorträger 13 an einer der beiden Stirnseiten des Statorkörpers 6 in radialer Richtung zur Abtriebswelle 14 hin verläuft.
Der Außenrotor 3.1 und der Innenrotor 3.2 können jeweils eine Käfigwicklung aufweisen, um die elektrische Maschine als Asynchronmaschine auszuführen. Die elektrische Maschine 1 kann nach Fig.l weiterhin ein Lagerschild 4 umfassen. Das Lagerschild 4 ist zur Aufnahme eines Drehlagers 12, beispielsweise eines Wälzlagers, zur Lagerung des Rotors 3 vorgesehen und Teil eines Gehäuses 1.1 der elektrischen Maschine 1. Das Gehäuse 1.1 ist beispielsweise zweiteilig ausgebildet und umfasst einen topfförmigen Gehäuseabschnitt und das Lagerschild 4. Am topfförmigen Gehäuseabschnitt ist beispielsweise ein weiteres Lagerschild mit einem weiteren Drehlager zur Lagerung des Rotors 3 vorgesehen.
Die Statorzähne 8 und die Statornuten 9 des Statorkörpers 6 sind nach Fig.3 beispielsweise sowohl an einer dem Außenrotor 3.1 zugewandten Statoraußenseite 6.1 als auch an einer dem Innenrotor 3.2 zugewandten Statorinnenseite 6.2 des Statorkörpers 6 ausgebildet. Der Statorkörper 6 hat ein ringförmiges Statorjoch 11, von dem ausgehend die Statorzähne 8 in radialer Richtung abragen. Beispielsweise sind die an der Statoraußenseite 6.1 angeordneten Statorzähne 8 in radialer Richtung bezüglich der Drehachse 2 gesehen jeweils fluchtend zu einem der an der Statorinnenseite 6.2 angeordneten Statorzähne 8 angeordnet. Das Statorjoch 11 hat eine in radialer Richtung gemessene Jochhöhe Hj, die beispielsweise kleiner ausgebildet ist als eine außerhalb der Zahnköpfe 8.1 in Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse 2 gemessene Zahnbreite Bz der Statorzähne 8, insbesondere kleiner als ein Dreiviertel, ein Zweidrittel, eine Hälfte, ein Drittel oder ein Viertel der Zahnbreite Bz der Statorzähne 8. Das zumindest eine Statorblechpaket des Statorkörpers 6 umfasst eine Vielzahl von Statorlamellen, die durch ein Fügemittel, beispielsweise einen Klebstoff oder ein Backlack, stoffschlüssig miteinander verbunden sein können.
Die Leiterformabschnitte 20 der beiden Schichten 17 des jeweiligen Wickelkopfes 10 bilden nach Fig.l, Fig.4 und Fig.7 eine rotationssymmetrische, insbesondere hohlzylinderförmige, Kontur des Wickelkopfes 10, die einen Konturquerschnitt aufweist, in dem pro Schicht 17 eine bestimmte Anzahl von übereinander angeordneten Leiterquerschnitten der Leiterformabschnitte 20 vorgesehen ist. Dieser Konturquerschnitt hat eine in radialer Richtung gemessene Wickelkopfbreite BWK und eine in axialer Richtung gemessene Wickelkopfhöhe HWK und ist beispielsweise viereckförmig oder rechteckförmig ausgebildet.
Nach dem Ausführungsbeispiel entspricht die Wickelkopfbreite BWK einer in radialer Richtung gemessenen Statorbreite BST des Statorkörpers 6 (Fig.l und Fig.3), wobei der Wickelkopf 10 zu den radial äußersten und radial innersten Kanten der Statorzähne 8 der Statoraußenseite 6.1 bzw. der Statorinnenseite 6.2 bündig ausgebildet ist. Die Leiterformabschnitte 20 der dem Innenrotor 3.2 zugewandten Schicht 17 reichen also in radialer Richtung bis an die innerste Kante der an der Statorinnenseite 6.2 liegenden Zahnköpfe 8.1 und die Leiterformabschnitte 20 der dem Außenrotor 3.1 zugewandten Schicht 17 in radialer Richtung bis an die äußerste Kante der an der Statoraußenseite 6.1 liegenden Zahnköpfe 8.1 des Statorkörpers 6.
Die Leiterformabschnitte 20 der Wickelköpfe 10 haben jeweils einen rechteckförmigen Leiterquerschnitt mit zwei Breitseiten und zwei Schmalseiten, wobei die Breitseiten von benachbarten Leiterformabschnitten 20 derselben Schicht 17 im Konturquerschnitt der Kontur des Wickelkopfes 10 einander zugewandt sind (Fig.l und Fig.6).
Nach Fig.4 sind Leiterformabschnitte 20 der einen Schicht 17 des Wickelkopfes 10 vorgesehen, die zur Bildung eines Wickelschrittes mit einem Leiterformabschnitt 20 der anderen Schicht 17 desselben Wickelkopfes 10 über einen an der oberen Stirnseite 10.2 des Wickelkopfes 10 angeordneten, in radialer Richtung verlaufenden stabförmigen Leiterverbindungsabschnitt 25 verbunden sind, der eine in radialer Richtung gemessene Länge Lv aufweist, die beispielsweise der Wickelkopfbreite BWK entspricht. Es ist eine Vielzahl der Leiterverbindungsabschnitte 25 entlang dem ringförmigen Verlauf des Wickelkopfes 10 hintereinander angeordnet, wobei zwischen benachbarten Leiterverbindungsabschnitten 25 jeweils ein Verbinderabstand 23 vorgesehen ist, der beispielsweise dem Elementabstand 21 entspricht. Die Leiterstränge der Statorwicklung 7 führen bei jedem Durchgang durch einen der beiden Wickelköpfe 10 einen Schichtwechsel von einer Schicht 17 des Wickelkopfs 10 in die andere Schicht 17 desselben Wickelkopfes 10 und dadurch einen Lagenwechsel von einer der an der Statorinnenseite 6.2 des Stators 5 liegenden Statornuten 9 in eine der an der Statoraußenseite 6.1 liegenden Statornuten 9 oder umgekehrt aus, und zwar mittels eines der Leiterverbindungeabschnitte 25. Auf diese Weise verläuft die Statorwicklung 7 sowohl durch die an der Statorinnenseite 6.2 liegenden Statornuten 9 als auch durch die an der Statoraußenseite 6.1 liegenden Statornuten 9. Die Leiterformabschnitte 20 verlaufen in den beiden Schichten 17 desselben Wickelkopfes 10 in Umfangsrichtung entgegengesetzt. Die Leiterformabschnitte 20 von lagegleichen Schichten 17 (bezüglich radialer Lage, also Außenlage oder Innenlage) unterschiedlicher Wickelköpfe 10 verlaufen ebenfalls in Umfangsrichtung entgegengesetzt. Einer der beiden Wickelköpfe 10 der Statorwicklung 7 ist nach Fig.l in zumindest einer Wickelkopfaufnahme 16, insbesondere einer Vertiefung oder einer Nut, des Lagerschildes 4 befestigt, insbesondere eingespannt, eingeklebt oder eingegossen.
Die beispielsweise ringförmige Wickelkopfaufnahme 16 des Lagerschildes 4 weist einen Querschnitt zur Aufnahme des Wickelkopfes 10 auf, der zur Abstützung der auf den Statorkörper 6 wirkenden Kräfte korrespondierend, insbesondere passgenau oder mit einer Spielpassung, zum Konturquerschnitt des am Lagerschild 4 befestigten Wickelkopfes 10 ausgebildet ist. Der Wickelkopf 10 reicht mit einer bestimmten Tiefe in die Wickelkopfaufnahme 16 des Lagerschildes 4 hinein.
Der andere Wickelkopf 10, der dem am Lagerschild 4 befestigten Wickelkopf 10 gegenüberliegt, kann nach Fig.l über einen Träger 30 an einem als Drehlager ausgebildeten Stützlager 31 abgestützt sein, das auf der Abtriebswelle 14 der Antriebseinrichtung 1 angeordnet ist. Der Träger 30 ist als Loslager ausgebildet, kann also nur in radialer Richtung auf den anderen Wickelkopf 10 wirkende Kräfte abstützen und damit Schwingungen des Statorkörpers 6 verringern oder vermeiden.

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine mit einem eine Statorachse (2) aufweisenden Stator (5), der einen Statorkörper (6), insbesondere zumindest ein Statorblechpaket, und eine Statorwicklung (7) umfasst, wobei der Statorkörper (6) Statorzähne (8) und zwischen den Statorzähnen (8) gebildete Statornuten (9) aufweist, in denen elektrische Leiter der Statorwicklung (7) verlaufen, wobei die Statorwicklung (7) an den beiden Stirnseiten des Statorkörpers (6) jeweils einen Wickelkopf (10) bildet, wobei die Statorwicklung (7) eine mehrphasige elektrische Wellenwicklung ist und aus einer Vielzahl von Leiterelementen (26,27) gebildet ist, wobei die Leiterelemente (26,27) jeweils zumindest einen in einer der Statornuten (9) liegenden, insbesondere stabförmigen, Leiterschenkel (18) und zumindest einen in einem der beiden Wickelköpfe (10) liegenden Leiterformabschnitt (20) aufweisen, wobei beide Wickelköpfe (10) des Stators (5) jeweils ringförmige, insbesondere hohlzylinderförmige, Schichten (17) für den Verlauf der elektrischen Leiter der Statorwicklung (7) aufweisen, wobei die elektrischen Leiter in jeder Schicht (17) des jeweiligen Wickelkopfes (10) durch eine Vielzahl von Leiterformabschnitten (20) gebildet sind, die in derselben Schicht (17) jeweils von einer dem Statorkörper (6) zugewandten unteren Stirnseite (10.1) des Wickelkopfes (10) ausgehend, insbesondere unter demselben Winkel (a) bezüglich der Statorachse (2), in dieselbe Umfangsrichtung bis an eine dem Statorkörper (6) abgewandte obere Stirnseite (10.2) des Wickelkopfes (10) verlaufen, mit jeweils einem Elementabstand (21) zueinander über den gesamten Umfang hintereinander angeordnet und insbesondere identisch ausgebildet sind, wobei in jeder Statornut
(9) zwei Leiterschenkel (18) von zwei Leiterelementen (26,27) vorgesehen sind, die an einer in der jeweiligen Statornut (9) liegenden Fügestelle (35) durch eine kraftschlüssige Fügeverbindung (36) zu einem in axialer Richtung durch die Statornut (9) durchgehenden elektrischen Leiter gefügt sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leiterformabschnitt (20) zumindest eines der beiden Wickelköpfe (10), insbesondere beider Wickelköpfe (10), sowohl auf der dem Statorkörper (6) zugewandten als auch auf der dem Statorkörper (6) abgewandten Seite eine Stufenanordnung (40) umfassend mehrere, insbesondere identisch ausgebildete, Stufen (41) aufweist, wobei die einander zugewandten Stufenanordnungen (40) von jeweils benachbarten Leiterformabschnitten (20) des jeweiligen Wickelkopfes
(10) zur Übertragung von Fügekräften zur Herstellung der kraftschlüssigen Fügeverbindungen (36) ineinandergreifen, insbesondere verzahnend. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufenanordnungen (40) von in axialer Richtung übereinander angeordneten Leiterformabschnitten (20) derart ineinandergreifen, dass durch ein in axialer Richtung gesehen durchgängiges Aufliegen von Stufen (41) der Stufenanordnungen (40) ein in axialer Richtung geradlinig verlaufender Kraftflusspfad (42) von dem oberen Ende des jeweils obersten Leiterformabschnitts (20) bis in den zu fügenden Leiterschenkel (18) einstellbar ist, insbesondere durch ein Einfedern der übereinander angeordneten Leiterformabschnitte (20) aufgrund der wirkenden Fügekräfte. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufen (41) der Stufenanordnung (40) jeweils zwei Stufenkanten (43), insbesondere eine Vorderkante und eine Hinterkante, aufweisen, wobei die Stufenkanten (43) jeweils scharfkantig oder abgerundet ausgebildet sind. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufen (41) der jeweiligen Stufenanordnung (40) jeweils gleichmäßig, insbesondere mit gleichem Abstand, über die gesamte Längserstreckung des jeweiligen Spaltes (21) zwischen den jeweils benachbarten Leiterformabschnitten (20) verteilt sind. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung (7) in axialer Richtung bezüglich der Statorachse (2) in zwei Wicklungsteile (7.1,7.2) geteilt ist, wobei jeder Wicklungsteil (7.1,7.2) einen der beiden Wickelköpfe (10) umfasst und aus einer Vielzahl der Leiterschenkel (18) umfassenden Leiterelemente (26,27) gebildet ist, wobei die Leiterschenkel (18) des einen Wicklungsteils (7.1) innerhalb der Statornuten (9) des Statorkörpers (6) mit Leiterschenkeln (18) des anderen Wicklungsteils (7.2) mittels der Fügeverbindungen (36) kraftschlüssig gefügt sind. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Leiterschenkel (18) jeder Fügeverbindung (36) eine Vertiefung (45) und der andere Leiterschenkel (18) einen in der Vertiefung (45) des einen Leiterschenkels (18) eingesteckten, insbesondere eingepressten, Vorsprung (46) aufweist. 16 Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorzähne (8) des Statorkörpers (6) jeweils einen Zahnkopf (8.1) aufweisen und in jeder Statornut (9) des Statorkörpers (6) ein einziger in axialer Richtung durch die Statornut (9) durchgehender elektrischer Leiter der Statorwicklung (7) angeordnet ist, dessen Leiterquerschnitt hinsichtlich der Fläche und/oder der Form und/oder der Abmessungen korrespondierend, insbesondere passgenau oder mit einer Spielpassung, zum Querschnitt der Statornuten (9) des Statorkörpers (6) ausgebildet ist. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leiterformabschnitt (20) Teil eines hairpinförmigen Leiterelementes (26) oder eines Anschluss-Leiterelementes (27) der Statorwicklung (7) ist. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterelemente (26,27) der Statorwicklung (7) Gussteile, insbesondere Druckguss- oder Spritzgussteile, oder vorgeformte, insbesondere vorgeprägte, Drähte sind, wobei als Leitermaterial für die Leiterelemente (26,27) insbesondere Aluminium oder Kupfer vorgesehen ist. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterelemente (26,27) eine elektrische Isolation, insbesondere eine Pulverbeschichtung oder eine Lackbeschichtung, aufweisen.
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