WO2022243018A1 - Coil assembly - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a coil arrangement according to the preamble of patent claim 1 .
- the coils of high-performance electric motors are wound from insulated copper conductors.
- So-called direct conductor cooling is known for effective cooling of the conductors, in which the cooling liquid comes into direct contact with the current-carrying conductors.
- the direct conductor cooling represents a very efficient cooling method, since the thermal resistances are minimized.
- the present invention is based on the object of providing a coil arrangement of an electromagnetic energy converter which enables cooling in an effective manner.
- the present invention provides a coil assembly comprising a hub and a coil, the coil being comprised of insulated winding wire wound on the hub.
- the coil has an outside which is suitable for coming into contact with a cooling medium.
- the invention is based on the idea of increasing the heat transport into a cooling medium of direct conductor cooling by providing an enlarged surface on the outside of the winding and thereby improving the cooling of the coil.
- the solution according to the invention is based on the finding that direct conductor cooling necessarily has at least two essential thermal resistances that must be overcome for heat dissipation, namely the thermal transition to the cooling medium and the winding insulation. One reason these resistances are relatively high is limited contact of the cooling medium with the winding wire.
- the solution according to the invention increases the contact of the cooling medium with the winding wire and thus enables increased heat transport. This reduces the thermal resistance due to the winding insulation and the heat transfer to the cooling medium.
- an electrical machine in which the coil arrangement according to the invention is used can be operated either at a higher current (with better power density) or at a lower temperature (with greater safety).
- One embodiment of the invention provides that the structures that increase the surface area are provided by the geometry of the winding wire, with the winding wire forming the structures. According to this embodiment variant, the structures are thus formed directly by the winding wire, which in its entirety forms the outside of the coil that comes into contact with a cooling medium. The surface-enlarging structures on the outside of the coil are thus provided by the sum of the surface-enlarging structures formed on the individual turns.
- the surface-enlarging structures of the winding wire are formed on one end face of the winding wire, which forms the outside of the coil in the wound state. Any shape of this face that deviates from a straight or semi-circular shape is referred to as increasing the surface area. In particular, any form of this face is referred to as surface-enlarging, in which the total length of the outer contour of the face in the cross-sectional view is greater than the total length of a half circle.
- the winding wire in the cross-sectional view, forms at least one projection or at least one groove-shaped indentation on its one end face, which forms the outside of the coil in the wound state.
- Other configurations provide that the winding wire forms a triangular shape at its one end in the cross-sectional view, with the winding wire tapering towards the apex of the triangle in the cross-sectional view. It can additionally be provided, for example, that the apex of the triangle is formed by a rounded area in order to further enlarge the surface.
- winding wire has the same winding wire geometry over its entire length. However, this is not necessarily the case.
- different sections of the winding wire which are arranged in different areas on the outside of the coil in the wound state, can have a different winding wire geometry, so that the winding wire geometry on the outside is not homogeneous but varies.
- the winding wire is, for example, a flat copper conductor provided with winding insulation.
- a further embodiment of the invention provides that the winding wire, in the cross-sectional view, has a flattened contour on its other end, which in the wound state forms the inner side of the coil facing the winding core, which has a planar contact with the winding core or with one between the winding core and the coil arranged insulation paper has.
- the flattened structure is formed by a rectangular shape of the other end face in the cross-sectional view. Reduced by modifying the contour of the winding wire on the inside also the thermal contact resistance between the conductor and the winding body. This improves additional heat dissipation via the winding body.
- the winding wire is not designed as a flat conductor, but is formed by a stranded wire with a multiplicity of individual wires each provided with winding insulation.
- the entirety of the individual wires forms the outside of the coil.
- this configuration provides for the surface-enlarging structures to be embossed into the outside of the coil. This is done, for example, by embossing the structures by pressing them into the strands or individual wires and then fixing the structures created in this way. Fixing can take place, for example, by means of encapsulation or paint.
- any structure that gives the outside of the coil a shape that deviates from a planar outside is considered to increase the surface area.
- a large number of shapes are possible here.
- An example of this provides that the outside of the coil is formed in a wavy manner in the cross-sectional view.
- a further embodiment provides that the coil forms two main outer surfaces on its two coil sides, with the structures enlarging the surface being formed on at least one of the outer surfaces.
- the surface-increasing structures are formed only on one of the two main external surfaces.
- the surface-enlarging structures are embodied symmetrically on both main outer surfaces.
- the surface-enlarging structures are designed asymmetrically on both main outer surfaces and on these, with the asymmetry being able to show up in different shapes of the structures and/or their design in different areas.
- the surface-enlarging structures are provided alternatively or additionally in the area of the winding overhangs, in which the winding wire is folded over to form windings.
- the coil is a single-tooth coil winding of a single-tooth coil.
- the solution according to the invention is also possible with other types of windings, as long as these windings allow direct conductor cooling, in which the cooling liquid is guided past a defined side of the windings.
- the present invention relates to an electrical machine with a rotor and a stator, the stator having coil arrangements according to claim 1 .
- the electrical machine is, for example, a permanent magnet synchronous motor (PMSM), in particular a PMSM with single-tooth coils in the stator.
- PMSM permanent magnet synchronous motor
- FIG. 1 shows a partially sectioned, perspective view of an exemplary embodiment of a coil arrangement with a winding core and a coil wound from a winding wire, the coil forming an outer surface whose surface is enlarged by structuring the winding wire;
- FIG. 2 shows a schematic perspective view of a coil according to FIG. 1, with different winding wire geometries being implemented by way of example;
- FIG. 3 shows the coil with the winding wire geometries of FIG. 2 in a cross-sectional view
- FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a coil arrangement with a winding core and a coil wound from a winding wire made of stranded wire, the coil forming an outer side and structures enlarging the surface being embossed into the outer side of the coil;
- FIG. 5 shows a perspective view of a single-tooth coil according to the prior art.
- FIG. 6 shows a single-tooth coil according to FIG. 5 in a perspective sectional view.
- FIG. 5 shows a perspective view of an example of a coil arrangement 100 in the form of a single-tooth coil.
- the coil arrangement 100 comprises a bobbin 10 onto which a winding wire 5 is wound.
- the bobbin 10 comprises a sheet metal front plate 2, a sheet metal rear plate 3 and a winding core, which cannot be seen in FIG. 1, which extends between the sheet metal front plate 2 and the sheet metal rear plate 3 and around which the winding wire 5 is wound.
- Between the winding support and the winding wire 5 can an insulating paper 7 can be arranged.
- the winding core typically has a cuboid main body, which consists of a stack of rectangular, enamel-insulated electrical laminations.
- the wound winding wire 5 forms a coil 6.
- the winding wire 5 is formed by a flat copper conductor. It is wound onto the winding carrier and forms a large number of turns 50. The two ends 56, 57 of the winding wire 5 protrude upwards.
- the winding wire 5 can be formed by a strand.
- the front sheet metal panel 2 has a smaller width than the rear sheet metal panel 3, which is wider than the front sheet metal panel 2 in any case in a central region 31.
- the winding wire 5 forms windings 50 which each form straight sections and sections 58 which are rounded at their ends and in which they are wrapped around the winding core by 180°.
- the winding wire 5 is guided without kinks in the rounded sections 53 .
- a winding head carrier made of plastic (not visible in the illustration in Figure 5) is placed on the ends of the cuboid laminated winding core the required roundness for the winding wire 5 provides.
- FIG. 6 schematically shows the coil arrangement 100 of FIG. 5 in a partially perspective view cut in the region of the winding core.
- the winding core 4 is shown in FIG. This is shown schematically as being in one piece with the sheet metal front panel 2 and the sheet metal rear panel 3 .
- Such a one-piece design can be given in a variant.
- the coil 6 is formed by the wound winding wire 5, the winding wire 5 forming a multiplicity of turns 50 adjoining one another.
- the winding wire 5 forms an outer side 60 of the coil 6 in its entirety when wound. This outer side 60 is suitable for coming into contact with a cooling medium (not shown).
- the winding wire is in the form of a flat copper conductor and is provided with winding insulation (not shown).
- the winding wire 5 forms a first face 51 towards the winding core 4 and a second, outer face 52.
- FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the present invention.
- the basic structure of the coil arrangement 100 corresponds to that of FIG. 6.
- the coil arrangement 100 thus comprises a winding core 4 onto which a coil 6 consisting of a winding wire 5 is wound.
- the winding wire 5 is designed as a flat conductor.
- the coil 6 forms an outer side 60 which is formed by the outer end faces 52 of the winding wire 5 .
- An axial direction x which corresponds to the longitudinal extent of the conductor 5, is also indicated in FIG.
- the thickness of the coil 6 corresponds to the radial direction r perpendicular thereto.
- a cooling medium flows past the outside 60 of the coil 6 in the axial direction x.
- a silicone oil for example, is used as the cooling medium.
- the coil 6 forms structures 521 on its outside 60, which increase the surface area of the outside 60 and thus the heat transport into the cooling medium.
- these structures are formed by projections 521 which the winding wire 5 forms on its second end face 52 .
- the surface-enlarging structures 521 are thus given by the geometry of the winding wire 5 in that its end face 52 is structured accordingly.
- the spool 62 forms flap outer surfaces 61 , 62 which are both part of the outside 60 of the spool 6 .
- Both Flaupt outer surfaces 61 , 62 are provided with a surface-enlarging structure 521 .
- the bent areas of the winding wire 5, which are typically routed around the winding head carrier (not shown), can also be designed with corresponding surface-enlarging structures.
- the winding wire 5 is not provided with the same winding wire geometry 521 over its entire length.
- a corresponding surface-enlarging structuring of the outside 60 it is possible for a corresponding surface-enlarging structuring of the outside 60 to be limited to specific axial areas and/or specific radial areas r.
- FIG. 1 The surface structuring of the winding wire 5 shown in FIG. 1 is only to be understood as an example. Further geometries of the winding wire 5 for surface structuring are shown by way of example on the basis of FIGS. There they are FIGS. 2 and 3 should be understood to mean that the surface structures described there correspond to FIG. 1 and are formed on the entire outside of the coil or parts thereof, without different structures being present at the same time. At the same time, however, it is pointed out that, as an alternative, it is fundamentally possible for a mixed surface structure to be produced, for example according to FIGS. 2 and 3, by forming different structures along different longitudinal sections of the winding wire 5 .
- FIG. 2 shows the alternatives of a hemispherical shape 520 of end face 52, a rectangular projection 521 on end face 52, a groove-shaped indentation 522 on end face 52 and a triangular shape 523 of end face 52.
- the half-circle shape 520 represents the “normal” end face contour of the end face 52 of the winding wire 5.
- the winding wire geometries 521, 522, 523 deviating therefrom serve to increase the surface of such a normal end face contour.
- the protrusion 521 may have a protruding shape other than a rectangular cross-sectional shape.
- the outside 60 of the coil is corrugated.
- a number of methods can be used to structure the winding wire 5 .
- a first method provides that the outer edge or face 52 of the winding wire 5 is flattened, for example by rolling or extrusion, for example to realize the structuring 523 of Figures 2 and 3.
- a second method provides that the additional Structures are provided by milling the corresponding end face 52. For example, grooves corresponding to structure 522 or cooling fins are milled into the outer surface of winding wire 5 .
- a third method provides for 3D printing of the coil, with all of the structures 521-523 shown being able to be generated.
- a fourth method provides for manufacturing the coil 6 from a block, for example by milling or water jet cutting, with corresponding structures such as the structures 521-523 shown being able to be produced.
- FIG. 4 shows another initial example, which differs from the exemplary embodiments of FIGS. 1 to 3 in that the winding wire used is not a flat conductor, but a stranded wire that has a large number of individual wires 55 each provided with winding insulation.
- the individual wires 55 are shown schematically in FIG.
- the separation between individual windings is lost in the case of the wound coil 6, at least in variant embodiments, with the entirety of the individual wires 55 forming the coil 6 and its outer side 60 as a whole.
- the outside 60 is designed to be approximately planar without further measures.
- a wavy structure 524 is pressed into the outer side 60, which increases the surface area of the outer side 60.
- the tool used for pressing has a negative form of the desired cooling structure.
- the pressed-in structure is fixed, for example, by means of a potting or a lacquer.
- both main outer surfaces 61, 62 on the outside are provided with a structure 524, this being the case only by way of example.
- the structures can be embodied symmetrically or asymmetrically on the two main outer surfaces 61, 62 and/or in the area of the end winding supports.
- the invention was described with reference to FIGS. 1-4 by way of example using a single-tooth coil.
- the invention can generally be used in all forms of electromagnetic energy converters, such as motors, generators, rotating or linear machines, transformers, induction furnaces, etc., which provide direct conductor cooling of a coil.
- electromagnetic energy converters such as motors, generators, rotating or linear machines, transformers, induction furnaces, etc.
- any of the features described can be used separately or in combination with any other features, provided they are not mutually exclusive.
- the disclosure extends to and encompasses all combinations and sub-combinations of one or more features described herein. If ranges are defined, these include all values within these ranges as well as all sub-ranges that fall within a range.
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Abstract
The invention relates to a coil assembly (100) that comprises a wound core (4) and a coil (6), the coil (6) consisting of an isolated winding wire (5, 55) wound onto the wound core (4). The coil (6) has an outer face (60) suitable for contact with a cooling medium. According to the invention, the coil (6) has structures (521-524) on its outer face (60) that enlarge the surface of the outer face (60).
Description
Spulenanordnung coil arrangement
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 . The invention relates to a coil arrangement according to the preamble of patent claim 1 .
Es besteht ein Bedarf, Elektromotoren im Hinblick auf die Zielgrößen Effizienz, Leistungsgewicht, Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu verbessern, wobei die Zielgrößen teilweise miteinander in Konflikt stehen. In besonderem Maße besteht ein solcher Bedarf bei Anwendungen in der Luftfahrtindustrie, in der die Zukunft der Elektrifizierung von Flugzeugen maßgeblich von der Leistungsdichte der einzusetzenden Motoren und Generatoren abhängt. Die Erhöhung der Dauerleistungsdichte (d.h. die Leistung im Dauerbetrieb bei konstanter Belastung, sogenannter S1 -Betrieb) von Elektromotoren ist dabei maßgeblich durch den Strom, mit dem der Elektromotor betrieben werden kann, limitiert. Dieser wird einerseits durch die Leiterdichte und den damit verbundenen Kupferfüllfaktor und andererseits durch die Kühlung beeinflusst, weil die Kühlung bestimmt, welche Verluste maximal möglich sind. There is a need to improve electric motors with regard to the target variables of efficiency, power-to-weight ratio, reliability and service life, with the target variables sometimes conflicting with one another. Such a need exists in particular for applications in the aviation industry, in which the future of aircraft electrification largely depends on the power density of the motors and generators to be used. The increase in the continuous power density (i.e. the power in continuous operation at constant load, so-called S1 operation) of electric motors is significantly limited by the current with which the electric motor can be operated. This is influenced on the one hand by the conductor density and the associated copper fill factor and on the other hand by the cooling, because the cooling determines the maximum possible losses.
Die Spulen von Hochleistungs-Elektromotoren sind aus isolierten Kupferleitern gewickelt. Für eine effektive Kühlung der Leiter ist eine sogenannte Direktleiterkühlung bekannt, bei der die Kühlflüssigkeit direkt in Kontakt mit den stromführenden Leitern tritt. Die Direktleiterkühlung
stellt eine sehr effiziente Kühlmethode dar, da dabei die thermischen Widerstände minimiert werden. The coils of high-performance electric motors are wound from insulated copper conductors. So-called direct conductor cooling is known for effective cooling of the conductors, in which the cooling liquid comes into direct contact with the current-carrying conductors. The direct conductor cooling represents a very efficient cooling method, since the thermal resistances are minimized.
Es besteht ein Bedarf, die Effektivität der Kühlung weiter zu verbessern. Dementsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Spulenanordnung eines elektromagnetischen Energiewandlers bereitzustellen, die in effektiver Weise eine Kühlung ermöglicht. There is a need to further improve the effectiveness of the cooling. Accordingly, the present invention is based on the object of providing a coil arrangement of an electromagnetic energy converter which enables cooling in an effective manner.
Diese Aufgabe wird durch eine Spulenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. This object is achieved by a coil arrangement having the features of claim 1. Developments of the invention are specified in the dependent claims.
Danach stellt die vorliegende Erfindung eine Spulenanordnung bereit, die einen Wickelkern und eine Spule aufweist, wobei die Spule aus einem mit einer Isolierung versehenen Wickeldraht besteht, der auf den Wickelkern gewickelt ist. Dabei weist die Spule eine Außenseite auf, die dazu geeignet ist, in Kontakt mit einem Kühlmedium zu treten. Accordingly, the present invention provides a coil assembly comprising a hub and a coil, the coil being comprised of insulated winding wire wound on the hub. In this case, the coil has an outside which is suitable for coming into contact with a cooling medium.
Es ist vorgesehen, dass die Spule an der Außenseite Strukturen ausbildet, die die Oberfläche der Außenseite vergrößern. Provision is made for the coil to form structures on the outside which increase the surface area of the outside.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, durch Bereitstellung einer vergrößerten Oberfläche an der Außenseite der Wicklung den Wärmetransport in ein Kühlmedium einer Direktleiterkühlung zu erhöhen und hierdurch die Kühlung der Spule zu verbessern. Die erfindungsgemäße Lösung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass Direktleiterkühlungen notwendigerweise mindestes zwei wesentliche thermische Widerstände aufweisen, die für eine Wärmeableitung überwunden werden müssen, nämlich den thermische Übergang zum Kühlmedium und die Windungsisolierung. Ein Grund dafür, dass diese Widerstände relativ hoch sind, ist ein begrenzter Kontakt des Kühlmediums zum Wickeldraht. Die erfindungsgemäße Lösung erhöht durch eine Vergrößerung der Oberfläche der Spule, die mit einem Kühlmedium in Kontakt tritt, den Kontakt des Kühlmediums zum Wickeldraht und ermöglicht damit einen erhöhten Wärmetransport. Damit sinkt der thermische Widerstand durch die Windungsisolierung und den Wärmeübergang zum Kühlmedium. Dies bedeutet, dass eine elektrische Maschine, in der die erfindungsgemäße Spulenanordnung zum Einsatz kommt, entweder bei einem höheren Strom (mit besserer Leistungsdichte) oder einer niedrigeren Temperatur (mit höherer Sicherheit) betrieben werden kann. The invention is based on the idea of increasing the heat transport into a cooling medium of direct conductor cooling by providing an enlarged surface on the outside of the winding and thereby improving the cooling of the coil. The solution according to the invention is based on the finding that direct conductor cooling necessarily has at least two essential thermal resistances that must be overcome for heat dissipation, namely the thermal transition to the cooling medium and the winding insulation. One reason these resistances are relatively high is limited contact of the cooling medium with the winding wire. By increasing the surface area of the coil that comes into contact with a cooling medium, the solution according to the invention increases the contact of the cooling medium with the winding wire and thus enables increased heat transport. This reduces the thermal resistance due to the winding insulation and the heat transfer to the cooling medium. This means that an electrical machine in which the coil arrangement according to the invention is used can be operated either at a higher current (with better power density) or at a lower temperature (with greater safety).
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die die Oberfläche vergrößernden Strukturen durch die Geometrie des Wickeldrahts bereitgestellt sind, wobei der Wickeldraht die Strukturen ausbildet. Gemäß dieser Ausführungsvariante werden die Strukturen somit
direkt durch den Wickeldraht gebildet, der in seiner Gesamtheit die Außenseite der Spule bildet, die in Kontakt mit einem Kühlmedium tritt. Die oberflächenvergrößernden Strukturen an der Außenseite der Spule werden damit durch die Summe der an den einzelnen Windungen ausgebildeten oberflächenvergrößernden Strukturen bereitgestellt. One embodiment of the invention provides that the structures that increase the surface area are provided by the geometry of the winding wire, with the winding wire forming the structures. According to this embodiment variant, the structures are thus formed directly by the winding wire, which in its entirety forms the outside of the coil that comes into contact with a cooling medium. The surface-enlarging structures on the outside of the coil are thus provided by the sum of the surface-enlarging structures formed on the individual turns.
Die oberflächenvergrößernden Strukturen des Wickeldrahts werden dabei an der einen Stirnseite des Wickeldrahts ausgebildet, die im gewickelten Zustand die Außenseite der Spule bildet. Dabei wird jede Form dieser Stirnseite als oberflächenvergrößernd bezeichnet, die von einer geraden oder halbkreisförmigen Form abweicht. Insbesondere wird jede Form dieser Stirnseite als oberflächenvergrößernd bezeichnet, bei der die Gesamtlänge der Außenkontur der Stirnseite in der Querschnittsansicht größer ist als die Gesamtlänge eines Flalbkreises.The surface-enlarging structures of the winding wire are formed on one end face of the winding wire, which forms the outside of the coil in the wound state. Any shape of this face that deviates from a straight or semi-circular shape is referred to as increasing the surface area. In particular, any form of this face is referred to as surface-enlarging, in which the total length of the outer contour of the face in the cross-sectional view is greater than the total length of a half circle.
Zur Realisierung derartiger oberflächenvergrößernder Strukturen sind grundsätzlich eine große Anzahl an Formgebungen möglich. Ausgestaltungen hierzu sehen vor, dass der Wickeldraht in der Querschnittsansicht an seiner einen Stirnseite, die im gewickelten Zustand die Außenseite der Spule bildet, mindestens einen Vorsprung oder mindestens eine nutförmige Einbuchtung ausbildet. Andere Ausgestaltungen sehen vor, dass der Wickeldraht in der Querschnittsansicht an seiner einen Stirnseite eine Dreiecksform ausbildet, wobei der Wickeldraht sich in der Querschnittsansicht zur Spitze des Dreiecks verjüngt. Dabei kann zusätzlich beispielsweise vorgesehen sein, dass die Spitze des Dreiecks durch einen abgerundeten Bereich gebildet ist, um die Oberfläche weiter zu vergrößern. In principle, a large number of shapes are possible for the realization of such surface-enlarging structures. Configurations in this regard provide that the winding wire, in the cross-sectional view, forms at least one projection or at least one groove-shaped indentation on its one end face, which forms the outside of the coil in the wound state. Other configurations provide that the winding wire forms a triangular shape at its one end in the cross-sectional view, with the winding wire tapering towards the apex of the triangle in the cross-sectional view. It can additionally be provided, for example, that the apex of the triangle is formed by a rounded area in order to further enlarge the surface.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wickeldraht über seine gesamte Länge die gleiche Wickeldrahtgeometrie aufweist. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall. Alternativ können unterschiedliche Abschnitte des Wickeldrahtes, die im gewickelten Zustand in unterschiedlichen Bereichen an der Außenseite der Spule angeordnet sind, eine unterschiedliche Wickeldrahtgeometrie aufweisen, so dass die Wickeldrahtgeometrie der Außenseite nicht homogen ist, sondern variiert. One embodiment of the invention provides that the winding wire has the same winding wire geometry over its entire length. However, this is not necessarily the case. Alternatively, different sections of the winding wire, which are arranged in different areas on the outside of the coil in the wound state, can have a different winding wire geometry, so that the winding wire geometry on the outside is not homogeneous but varies.
Bei dem Wickeldraht handelt es sich beispielsweise um einen mit einer Windungsisolierung versehender Kupferflachleiter. The winding wire is, for example, a flat copper conductor provided with winding insulation.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wickeldraht in der Querschnittsansicht an seiner anderen Stirnseite, die im gewickelten Zustand die dem Wickelkern zugewandte Innenseite der Spule bildet, eine abgeflachte Kontur aufweist, die einen flächigen Kontakt zum Wickelkern oder zu einem zwischen Wickelkern und Spule angeordneten Isolationspapier aufweist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die abgeflachte Struktur durch eine in der Querschnittsansicht rechteckförmige Form der anderen Stirnseite gebildet ist. Durch die Modifikation der Kontur des Wickeldrahts an der Innenseite verringert
sich auch der thermische Übergangswiderstand zwischen dem Leiter und dem Wickelkörper. Eine zusätzliche Wärmeableitung über den Wickelkörper wird hierdurch verbessert. A further embodiment of the invention provides that the winding wire, in the cross-sectional view, has a flattened contour on its other end, which in the wound state forms the inner side of the coil facing the winding core, which has a planar contact with the winding core or with one between the winding core and the coil arranged insulation paper has. In this case, it can be provided that the flattened structure is formed by a rectangular shape of the other end face in the cross-sectional view. Reduced by modifying the contour of the winding wire on the inside also the thermal contact resistance between the conductor and the winding body. This improves additional heat dissipation via the winding body.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Wickeldraht nicht als Flachleiter ausgebildet, sondern durch eine Litze mit einer Vielzahl von jeweils mit einer Windungsisolierung versehenen Einzeldrähten gebildet. Dabei bildet die Gesamtheit der Einzeldrähte die Außenseite der Spule. Zur Realisierung der oberflächenvergrößernden Strukturen ist bei dieser Ausgestaltung vorgesehen, dass die oberflächenvergrößernden Strukturen in die Außenseite der Spule eingeprägt sind. Dies erfolgt beispielsweise durch ein Aufprägen der Strukturen durch Pressen in die Litzen bzw. Einzeldrähte und ein anschließendes Fixieren der dabei entstandenen Strukturen. Das Fixieren kann beispielsweise mittels Verguss oder Lack erfolgen. In a further embodiment of the invention, the winding wire is not designed as a flat conductor, but is formed by a stranded wire with a multiplicity of individual wires each provided with winding insulation. The entirety of the individual wires forms the outside of the coil. In order to implement the surface-enlarging structures, this configuration provides for the surface-enlarging structures to be embossed into the outside of the coil. This is done, for example, by embossing the structures by pressing them into the strands or individual wires and then fixing the structures created in this way. Fixing can take place, for example, by means of encapsulation or paint.
Dabei wird jede Struktur als oberflächenvergrößernd angesehen, die der Außenseite der Spule eine von einer planen Außenseite abweichende Form gibt. Hierbei sind eine Vielzahl von Formgebungen möglich. Ein Beispiel hierzu sieht vor, dass die Außenseite der Spule in der Querschnittsansicht wellenförmig ausgebildet ist. Any structure that gives the outside of the coil a shape that deviates from a planar outside is considered to increase the surface area. A large number of shapes are possible here. An example of this provides that the outside of the coil is formed in a wavy manner in the cross-sectional view.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Spule auf ihren beiden Spulenseiten zwei Haupt- Außenflächen ausbildet, wobei die die Oberfläche vergrößernden Strukturen an mindestens einer der Außenflächen ausgebildet sind. Dabei sind eine Vielzahl von Varianten möglich. Gemäß einer Variante sind die oberflächenvergrößernden Strukturen nur an einer der beiden Haupt-Außenflächen gebildet. In einer weiteren Variante sind die oberflächenvergrößernden Strukturen an beiden Haupt-Außenflächen und an diesen symmetrisch ausgebildet. In einer weiteren Variante sind die oberflächenvergrößernden Strukturen an beiden Haupt-Außenflächen und an diesen asymmetrisch ausgebildet, wobei sich die Asymmetrie in unterschiedlichen Formen der Strukturen und/oder deren Ausbildung in unterschiedlichen Bereichen zeigen kann. In einer weiteren Variante sind die oberflächenvergrößernden Strukturen alternativ oder zusätzlich im Bereich der Wickelköpfe vorgesehen, in denen der Wickeldraht zur Bildung von Windungen umgelegt wird. Diese Varianten gelten sowohl für eine Ausgestaltung der Strukturen an Flachleitern als auch für eine Ausgestaltung der Strukturen an Litzen. A further embodiment provides that the coil forms two main outer surfaces on its two coil sides, with the structures enlarging the surface being formed on at least one of the outer surfaces. A large number of variants are possible. According to a variant, the surface-increasing structures are formed only on one of the two main external surfaces. In a further variant, the surface-enlarging structures are embodied symmetrically on both main outer surfaces. In a further variant, the surface-enlarging structures are designed asymmetrically on both main outer surfaces and on these, with the asymmetry being able to show up in different shapes of the structures and/or their design in different areas. In a further variant, the surface-enlarging structures are provided alternatively or additionally in the area of the winding overhangs, in which the winding wire is folded over to form windings. These variants apply both to an embodiment of the structures on flat conductors and to an embodiment of the structures on stranded wires.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Spule eine Einzelzahn-Spulenwicklung einer Einzelzahnspule ist. Dies ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen. Die erfindungsgemäße Lösung ist auch bei anderen Arten von Wicklungen möglich, solange diese Wicklungen eine Direktleiterkühlung ermöglichen, bei der die Kühlflüssigkeit an einer definierten Seite der Windungen vorbeigeführt wird.
In einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Stator Spulenanordnungen gemäß Anspruch 1 aufweist. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um einen Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM), insbesondere um einen PMSM mit Einzelzahnspulen im Stator. An embodiment of the invention provides that the coil is a single-tooth coil winding of a single-tooth coil. However, this is only to be understood as an example. The solution according to the invention is also possible with other types of windings, as long as these windings allow direct conductor cooling, in which the cooling liquid is guided past a defined side of the windings. In a further aspect of the invention, the present invention relates to an electrical machine with a rotor and a stator, the stator having coil arrangements according to claim 1 . The electrical machine is, for example, a permanent magnet synchronous motor (PMSM), in particular a PMSM with single-tooth coils in the stator.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail below with reference to the figures of the drawing using several exemplary embodiments. Show it:
Figur 1 in teilweise geschnittener, perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Spulenanordnung mit einem Wickelkern und einer aus einem Wickeldraht gewickelten Spule, wobei die Spule eine Außenfläche bildet, deren Oberfläche durch eine Strukturierung des Wickeldrahts vergrößert ist; FIG. 1 shows a partially sectioned, perspective view of an exemplary embodiment of a coil arrangement with a winding core and a coil wound from a winding wire, the coil forming an outer surface whose surface is enlarged by structuring the winding wire;
Figur 2 schematisch in perspektivischer Ansicht eine Spule gemäß der Figur 1 , wobei beispielhaft unterschiedliche Wickeldrahtgeometrien realisiert sind; FIG. 2 shows a schematic perspective view of a coil according to FIG. 1, with different winding wire geometries being implemented by way of example;
Figur 3 die Spule mit Wickeldrahtgeometrien der Figur 2 in einer Querschnittsansicht; FIG. 3 shows the coil with the winding wire geometries of FIG. 2 in a cross-sectional view;
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel einer Spulenanordnung mit einem Wickelkern und einer aus einem Wickeldraht aus Litze gewickelten Spule, wobei die Spule eine Außenseite bildet und die Oberfläche vergrößernde Strukturen in die Außenseite der Spule eingeprägt sind; FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a coil arrangement with a winding core and a coil wound from a winding wire made of stranded wire, the coil forming an outer side and structures enlarging the surface being embossed into the outer side of the coil;
Figur 5 eine perspektivische Darstellung einer Einzelzahnspule gemäß dem Stand der Technik; und FIG. 5 shows a perspective view of a single-tooth coil according to the prior art; and
Figur 6 eine Einzelzahnspule gemäß der Figur 5 in einer perspektivischen Schnittansicht. FIG. 6 shows a single-tooth coil according to FIG. 5 in a perspective sectional view.
Zum besseren Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung wird zunächst eine Spulenanordnung gemäß dem Stand der Technik anhand der Figuren 5 und 6 beschrieben. For a better understanding of the background of the present invention, a coil arrangement according to the prior art will first be described with reference to FIGS.
Die Figur 5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Beispiel einer Spulenanordnung 100 in Form einer Einzelzahnspule. Die Spulenanordnung 100 umfasst einen Spulenkörper 10, auf den ein Wickeldraht 5 gewickelt ist. Der Spulenkörper 10 umfasst eine Blech-Vorderplatte 2, eine Blech-Hinterplatte 3 sowie einen in der Figur 1 nicht erkennbaren Wickelkern, der sich zwischen der Blech-Vorderplatte 2 und der Blech-Hinterplatte 3 erstreckt und um den der Wickeldraht 5 gewickelt ist. Zwischen dem Wickelträger und dem Wickeldraht 5 kann dabei
ein Isolierpapier 7 angeordnet sein. Der Wickelkern weist typischerweise einen quaderförmigen Hauptkörper auf, der aus einem Stapel von rechteckigen, lackisolierten Elektroblechen besteht. Der gewickelte Wickeldraht 5 bildet eine Spule 6. FIG. 5 shows a perspective view of an example of a coil arrangement 100 in the form of a single-tooth coil. The coil arrangement 100 comprises a bobbin 10 onto which a winding wire 5 is wound. The bobbin 10 comprises a sheet metal front plate 2, a sheet metal rear plate 3 and a winding core, which cannot be seen in FIG. 1, which extends between the sheet metal front plate 2 and the sheet metal rear plate 3 and around which the winding wire 5 is wound. Between the winding support and the winding wire 5 can an insulating paper 7 can be arranged. The winding core typically has a cuboid main body, which consists of a stack of rectangular, enamel-insulated electrical laminations. The wound winding wire 5 forms a coil 6.
Der Wickeldraht 5 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Kupferflachleiter gebildet. Er ist auf den Wickelträger gewickelt und bildet eine Vielzahl von Windungen 50. Die beiden Enden 56, 57 des Wickeldrahts 5 stehen nach oben ab. Alternativ kann der Wickeldraht 5 durch eine Litze gebildet sein. In the exemplary embodiment shown, the winding wire 5 is formed by a flat copper conductor. It is wound onto the winding carrier and forms a large number of turns 50. The two ends 56, 57 of the winding wire 5 protrude upwards. Alternatively, the winding wire 5 can be formed by a strand.
Wie in der Figur 5 dargestellt, weist die Blech-Vorderplatte 2 eine geringere Breite als die Blech-Hinterplatte 3 auf, die jedenfalls in einem mittigen Bereich 31 breiter als die Blech- Vorderplatte 2 ausgebildet ist. Dies erlaubt es, eine Mehrzahl von Spulenkörpern 10 bzw. Einzelzähnen zu einem ringförmig ausgebildeten Stator einer elektrischen Maschine zusammenzusetzen, wobei die miteinander verbundenen Blech-Hinterplatten 3 einen äußeren Statorring eines solchen Stators bilden. As shown in FIG. 5, the front sheet metal panel 2 has a smaller width than the rear sheet metal panel 3, which is wider than the front sheet metal panel 2 in any case in a central region 31. This makes it possible to assemble a plurality of coil formers 10 or individual teeth to form a ring-shaped stator of an electrical machine, with the laminated rear plates 3 connected to one another forming an outer stator ring of such a stator.
Es ist in der Figur 5 erkennbar, dass der Wickeldraht 5 Windungen 50 bildet, die jeweils geradlinig verlaufende Abschnitte sowie an ihren Enden abgerundete Abschnitte 58 bilden, in denen sie um 180° um den Wickelkern umgelegt sind. In den abgerundeten Abschnitten 53 ist der Wickeldraht 5 dabei knickfrei geführt. Um den Wickeldraht 5 bzw. die Windungen 50 in den abgerundeten Abschnitten 53 knickfrei um den Winkelträger herumlegen zu können, ist auf die Enden des quaderförmigen geblechten Wickelkerns jeweils ein aus einem Kunststoff bestehender Wickelkopfträger (in der Darstellung der Figur 5 nicht erkennbar) aufgesetzt, der die erforderliche Rundung für den Wickeldraht 5 bereitstellt. It can be seen in FIG. 5 that the winding wire 5 forms windings 50 which each form straight sections and sections 58 which are rounded at their ends and in which they are wrapped around the winding core by 180°. The winding wire 5 is guided without kinks in the rounded sections 53 . In order to be able to wrap the winding wire 5 or the windings 50 in the rounded sections 53 around the angle bracket without kinking, a winding head carrier made of plastic (not visible in the illustration in Figure 5) is placed on the ends of the cuboid laminated winding core the required roundness for the winding wire 5 provides.
Die Figur 6 zeigt schematisch die Spulenanordnung 100 der Figur 5 in einer im Bereich des Wickelkerns geschnittenen, teilweise perspektivischen Ansicht. Dabei ist in der Figur 6 der Wickelkern 4 dargestellt. Dieser ist schematisch als einstückig mit der Blech-Vorderplatte 2 und der Blech-Hinterplatte 3 dargestellt. Eine solche einstückige Ausbildung kann in Ausführungsvariante gegeben sein. FIG. 6 schematically shows the coil arrangement 100 of FIG. 5 in a partially perspective view cut in the region of the winding core. The winding core 4 is shown in FIG. This is shown schematically as being in one piece with the sheet metal front panel 2 and the sheet metal rear panel 3 . Such a one-piece design can be given in a variant.
Die Spule 6 ist durch den gewickelten Wickeldraht 5 gebildet, wobei der Wickeldraht 5 eine Vielzahl aneinander angrenzender Windungen 50 bildet. Dabei bildet der Wickeldraht 5 in seiner gewickelten Gesamtheit eine Außenseite 60 der Spule 6. Diese Außenseite 60 ist dazu geeignet, in Kontakt mit einem Kühlmedium zu treten (nicht dargestellt).
Der Wickeldraht ist als Kupferflachleiter ausgebildet und mit einer nicht dargestellten Windungsisolierung versehen. Der Wickeldraht 5 bildet dabei eine erste Stirnseite 51 zum Wickelkern 4 hin aus und eine zweite, äußere Stirnseite 52. The coil 6 is formed by the wound winding wire 5, the winding wire 5 forming a multiplicity of turns 50 adjoining one another. The winding wire 5 forms an outer side 60 of the coil 6 in its entirety when wound. This outer side 60 is suitable for coming into contact with a cooling medium (not shown). The winding wire is in the form of a flat copper conductor and is provided with winding insulation (not shown). The winding wire 5 forms a first face 51 towards the winding core 4 and a second, outer face 52.
Die Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der grundsätzliche Aufbau der Spulenanordnung 100 entspricht dem der Figur 6. So umfasst die Spulenanordnung 100 einen Wickelkern 4, auf den eine Spule 6, die aus einem Wickeldraht 5 besteht, gewickelt ist. Der Wickeldraht 5 ist als Flachleiter ausgebildet. Die Spule 6 bildet eine Außenseite 60, die durch die äußeren Stirnseiten 52 des Wickeldrahts 5 gebildet ist. FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the present invention. The basic structure of the coil arrangement 100 corresponds to that of FIG. 6. The coil arrangement 100 thus comprises a winding core 4 onto which a coil 6 consisting of a winding wire 5 is wound. The winding wire 5 is designed as a flat conductor. The coil 6 forms an outer side 60 which is formed by the outer end faces 52 of the winding wire 5 .
In der Figur 1 ist auch eine axiale Richtung x angegeben, die der Längserstreckung der Leiter 5 entspricht. Der dazu senkrechten, radialen Richtung r entspricht die Dicke der Spule 6. Bei einer Direktleiterkühlung strömt ein Kühlmedium in der axialen Richtung x an der Außenseite 60 der Spule 6 vorbei. Als Kühlmedium wird beispielsweise ein Silikonöl eingesetzt. An axial direction x, which corresponds to the longitudinal extent of the conductor 5, is also indicated in FIG. The thickness of the coil 6 corresponds to the radial direction r perpendicular thereto. In the case of direct conductor cooling, a cooling medium flows past the outside 60 of the coil 6 in the axial direction x. A silicone oil, for example, is used as the cooling medium.
Die Spule 6 bildet dabei an ihrer Außenseite 60 Strukturen 521 aus, die die Oberfläche der Außenseite 60 und damit den Wärmetransport in das Kühlmedium vergrößern. Diese Strukturen werden im dargestellten Ausführungsbeispiel durch Vorsprünge 521 gebildet, die der Wickeldraht 5 an seiner zweiten Stirnseite 52 ausbildet. Die oberflächenvergrößernden Strukturen 521 sind somit durch die Geometrie des Wickeldrahtes 5 gegeben, indem dessen Stirnseite 52 entsprechend strukturiert ist. The coil 6 forms structures 521 on its outside 60, which increase the surface area of the outside 60 and thus the heat transport into the cooling medium. In the exemplary embodiment shown, these structures are formed by projections 521 which the winding wire 5 forms on its second end face 52 . The surface-enlarging structures 521 are thus given by the geometry of the winding wire 5 in that its end face 52 is structured accordingly.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Spule 62 Flaupt-Außenflächen 61 , 62 ausbildet, die beide Teil der Außenseite 60 der Spule 6 sind. Beide Flaupt-Außenflächen 61 , 62 sind mit einer oberflächenvergrößernden Struktur 521 versehen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass nur eine der Flaupt-Außenflächen 61 , 62 mit einer entsprechenden Struktur 521 versehen ist. Weiter wird darauf hingewiesen, dass auch die gebogenen Bereiche des Wickeldrahts 5, die typischerweise um nicht dargestellte Wickelkopfträger geführt sind, mit entsprechenden, oberflächenvergrößernden Strukturen ausgebildet sein können. It is noted that the spool 62 forms flap outer surfaces 61 , 62 which are both part of the outside 60 of the spool 6 . Both Flaupt outer surfaces 61 , 62 are provided with a surface-enlarging structure 521 . Alternatively, it can be provided that only one of the Flaupt outer surfaces 61 , 62 is provided with a corresponding structure 521 . It is also pointed out that the bent areas of the winding wire 5, which are typically routed around the winding head carrier (not shown), can also be designed with corresponding surface-enlarging structures.
In weiteren Ausgestaltungen ist der Wickeldraht 5 nicht über seine gesamte Länge mit der gleichen Wickeldrahtgeometrie 521 versehen. Flierdurch ist es möglich, dass eine entsprechende oberflächenvergrößernde Strukturierung der Außenseite 60 auf bestimmte axiale Bereiche und/oder bestimmte radiale Bereiche r begrenzt ist. In further configurations, the winding wire 5 is not provided with the same winding wire geometry 521 over its entire length. As a result, it is possible for a corresponding surface-enlarging structuring of the outside 60 to be limited to specific axial areas and/or specific radial areas r.
Die in der Figur 1 dargestellte Oberflächenstrukturierung des Wickeldrahts 5 ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Anhand der Figuren 2 und 3 werden beispielhaft weitere Geometrien des Wickeldrahts 5 für eine Oberflächenstrukturierung aufgezeigt. Dabei sind die
Figuren 2 und 3 dahingehend zu verstehen, dass die dort beschriebenen Oberflächenstrukturen entsprechend der Figur 1 an der gesamten Außenseite der Spule oder Teilbereichen derselben ausgebildet sind, ohne dass gleichzeitig unterschiedliche Strukturen vorhanden sind. Gleichzeitig wird jedoch darauf hingewiesen, dass alternativ grundsätzlich möglich ist, dass durch die Ausbildung unterschiedlicher Strukturen entlang unterschiedlicher Längsabschnitte des Wickeldrahts 5 auch eine gemischte Oberflächenstruktur beispielsweise gemäß den Figuren 2 und 3 herstellbar ist. The surface structuring of the winding wire 5 shown in FIG. 1 is only to be understood as an example. Further geometries of the winding wire 5 for surface structuring are shown by way of example on the basis of FIGS. There they are FIGS. 2 and 3 should be understood to mean that the surface structures described there correspond to FIG. 1 and are formed on the entire outside of the coil or parts thereof, without different structures being present at the same time. At the same time, however, it is pointed out that, as an alternative, it is fundamentally possible for a mixed surface structure to be produced, for example according to FIGS. 2 and 3, by forming different structures along different longitudinal sections of the winding wire 5 .
In der Figur 2 sind die Alternativen einer Flalbkreisform 520 der Stirnseite 52, eines rechteckförmigen Vorsprungs 521 an der Stirnseite 52, einer nutförmigen Einbuchtung 522 an der Stirnseite 52 und einer Dreieckform 523 der Stirnseite 52 dargestellt. Die Flalbkreisform 520 stellt dabei die „normale“ Stirnseitenkontur der Stirnseite 52 des Wickeldrahts 5 dar. Die davon abweichenden Wickeldrahtgeometrien 521 , 522, 523 dienen dazu, die Oberfläche einer solchen normalen Stirnseitenkontur zu erhöhen. Dabei sind zahlreiche weitere Varianten möglich. Beispielsweise kann der Vorsprung 521 statt einer im Querschnitt rechteckigen Form eine andere vorstehende Form aufweisen. In einem anderen Beispiel ist die Außenseite 60 der Spule wellenförmig ausgebildet. FIG. 2 shows the alternatives of a hemispherical shape 520 of end face 52, a rectangular projection 521 on end face 52, a groove-shaped indentation 522 on end face 52 and a triangular shape 523 of end face 52. The half-circle shape 520 represents the “normal” end face contour of the end face 52 of the winding wire 5. The winding wire geometries 521, 522, 523 deviating therefrom serve to increase the surface of such a normal end face contour. Numerous other variants are possible. For example, the protrusion 521 may have a protruding shape other than a rectangular cross-sectional shape. In another example, the outside 60 of the coil is corrugated.
In der Querschnittsansicht der Figur 3 ist zu erkennen, dass bei der Ausführungsvariante mit einer Dreiecksform 523 vorgesehen sein kann, dass die Spitze des Dreiecks 523 einen abgerundeten Bereich 5230 ausbildet, der die Oberfläche weiter erhöht. In the cross-sectional view of FIG. 3 it can be seen that in the embodiment variant with a triangular shape 523 it can be provided that the apex of the triangle 523 forms a rounded area 5230 which further increases the surface area.
Weitere Ausführungsvarianten sehen vor, dass in die Außenseite gezielt Strukturen eingebracht sind, die die Turbulenz des vorbeiströmenden Kühlmediums erhöhen, um den Wärmeübergangskoeffizienten zu verbessern. Further design variants provide that structures are deliberately introduced into the outside, which increase the turbulence of the cooling medium flowing past in order to improve the heat transfer coefficient.
Es wird weiter darauf hingewiesen, dass in der Darstellung der Figuren 2 und 3 die dem Wickelkern 4 zugewandte erste Stirnseite 51 des Wickeldrahts 5 ebenfalls in Form eines Flalbkreises 511 ausgebildet ist. Davon abweichend ist im Ausführungsbeispiel der Figur 1 vorgesehen, dass der Wickeldraht 5 an der inneren Stirnseite 51 eine abgeflachte Kontur, nämlich eine in der Querschnittsansicht rechteckige Form 512 ausbildet. Flierdurch schmiegt sich der Wickeldraht 5 innenseitig an das Isolationspapier 7 an. Auf diese Weise wird eine Wärmeleitung zu dem ebenfalls wärmeleitfähigen Wickelkern 4 erhöht. It is further pointed out that, in the illustration in FIGS. Deviating from this, it is provided in the exemplary embodiment in FIG. Through this, the winding wire 5 nestles against the insulating paper 7 on the inside. In this way, thermal conduction to the likewise thermally conductive winding core 4 is increased.
Zur Strukturierung des Wickeldrahts 5 sind eine Mehrzahl von Verfahren einsetzbar. Ein erstes Verfahren sieht vor, dass die äußere Kante bzw. Stirnseite 52 des Wickeldrahts 5 zum Beispiel durch Walzen oder Extrudieren abgeflacht wird, beispielsweise zur Realisierung der Strukturierung 523 der Figuren 2 und 3. Ein zweites Verfahren sieht vor, dass die zusätzlichen
Strukturen durch Fräsen der entsprechenden Stirnseite 52 bereitgestellt werden. Beispielsweise werden Nuten entsprechend der Struktur 522 oder Kühlfinnen in die äußere Oberfläche des Wickeldrahts 5 gefräst. Ein drittes Verfahren sieht einen 3D-Druck der Spule vor, wobei sämtliche der dargestellten Strukturen 521-523 generierbar sind. Ein viertes Verfahren sieht ein Fertigen der Spule 6 aus einem Block beispielsweise durch Fräsen oder Wasserstrahlschneiden vor, wobei entsprechende Strukturen wie die dargestellten Strukturen 521-523 herstellbar sind. A number of methods can be used to structure the winding wire 5 . A first method provides that the outer edge or face 52 of the winding wire 5 is flattened, for example by rolling or extrusion, for example to realize the structuring 523 of Figures 2 and 3. A second method provides that the additional Structures are provided by milling the corresponding end face 52. For example, grooves corresponding to structure 522 or cooling fins are milled into the outer surface of winding wire 5 . A third method provides for 3D printing of the coil, with all of the structures 521-523 shown being able to be generated. A fourth method provides for manufacturing the coil 6 from a block, for example by milling or water jet cutting, with corresponding structures such as the structures 521-523 shown being able to be produced.
Die Figur 4 zeigt ein weiteres Ausgangsbeispiel, das sich von den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 3 dadurch unterscheidet, dass als Wickeldraht kein Flachleiter, sondern eine Litze, die eine Vielzahl von jeweils mit einer Windungsisolierung versehene Einzeldrähte 55 aufweist, verwendet wird. Die Einzeldrähte 55 sind dabei in der Figur 4 schematisch dargestellt. Bei der Verwendung einer Litze geht bei der gewickelten Spule 6 jedenfalls in Ausführungsvarianten die Trennung zwischen einzelnen Windungen verloren, wobei die Gesamtheit der Einzeldrähte 55 insgesamt die Spule 6 und deren Außenseite 60 bildet. Dabei ist die Außenseite 60 ohne weitere Maßnahmen näherungsweise plan ausgebildet. FIG. 4 shows another initial example, which differs from the exemplary embodiments of FIGS. 1 to 3 in that the winding wire used is not a flat conductor, but a stranded wire that has a large number of individual wires 55 each provided with winding insulation. The individual wires 55 are shown schematically in FIG. When using a stranded wire, the separation between individual windings is lost in the case of the wound coil 6, at least in variant embodiments, with the entirety of the individual wires 55 forming the coil 6 and its outer side 60 as a whole. In this case, the outside 60 is designed to be approximately planar without further measures.
Zur Bildung von Strukturen, die die Oberfläche der Außenseite 60 vergrößern, sind solche Strukturen durch Pressen und anschließendes Fixieren der eingepressten Formen gebildet. So ist gemäß der Figur 4 eine wellenförmige Struktur 524 in die Außenseite 60 gepresst, die die Oberfläche der Außenseite 60 vergrößert. Das zum Verpressen genutzte Werkzeug weist dabei eine negative Form der gewünschten Kühlstruktur auf. Die Fixierung der eingepressten Struktur erfolgt beispielsweise durch einen Verguss oder einen Lack. In order to form structures that increase the surface area of the outside 60, such structures are formed by pressing and then fixing the pressed-in molds. According to FIG. 4, a wavy structure 524 is pressed into the outer side 60, which increases the surface area of the outer side 60. The tool used for pressing has a negative form of the desired cooling structure. The pressed-in structure is fixed, for example, by means of a potting or a lacquer.
Auch beim Ausführungsbeispiel der Figur 4 sind beide Haupt-Außenflächen 61 , 62 der Außenseite mit einer Struktur 524 versehen, wobei dies nur beispielhaft der Fall ist. Gerade bei einer Strukturierung der Oberfläche durch Pressen ist es in einfacher Weise möglich, unterschiedliche oberflächenvergrößernde Strukturen in unterschiedlichen axialen oder radialen Bereichen der Spule 6 auszubilden. Die Strukturen können dabei symmetrisch oder asymmetrisch an den beiden Haupt-Außenflächen 61 , 62 und/oder im Bereich der Wickelkopfträger ausgebildet sein. In the exemplary embodiment in FIG. 4, both main outer surfaces 61, 62 on the outside are provided with a structure 524, this being the case only by way of example. Especially when structuring the surface by pressing, it is possible in a simple manner to form different surface-enlarging structures in different axial or radial areas of the coil 6 . The structures can be embodied symmetrically or asymmetrically on the two main outer surfaces 61, 62 and/or in the area of the end winding supports.
Die Erfindung wurde anhand der Figuren 1-4 beispielhaft anhand einer Einzelzahnspule beschrieben. Die Erfindung kann allgemein in allen Ausprägungsformen elektromagnetischer Energiewandler wie Motoren, Generatoren, rotierenden oder linearen Maschinen, Transformatoren, Induktionsöfen, etc. eingesetzt werden, die eine Direktleiterkühlung einer Spule vorsehen.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Weiter wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
The invention was described with reference to FIGS. 1-4 by way of example using a single-tooth coil. The invention can generally be used in all forms of electromagnetic energy converters, such as motors, generators, rotating or linear machines, transformers, induction furnaces, etc., which provide direct conductor cooling of a coil. It should be understood that the invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and improvements can be made without departing from the concepts described herein. It is further pointed out that any of the features described can be used separately or in combination with any other features, provided they are not mutually exclusive. The disclosure extends to and encompasses all combinations and sub-combinations of one or more features described herein. If ranges are defined, these include all values within these ranges as well as all sub-ranges that fall within a range.
Claims
Patentansprüche patent claims
1. Spulenanordnung (100), die aufweist: einen Wickelkern (4), eine Spule (6), die aus einem mit einer Isolierung versehenen Wickeldraht (5, 55) besteht, der auf den Wickelkern (4) gewickelt ist, 1. Coil arrangement (100), which has: a winding core (4), a coil (6), which consists of a winding wire (5, 55) provided with insulation, which is wound on the winding core (4),
- wobei die Spule (6) eine Außenseite (60) aufweist, die dazu geeignet ist, in Kontakt mit einem Kühlmedium zu treten, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (6) an der Außenseite (60) Strukturen (521-524) ausbildet, die die Oberfläche der Außenseite (60) vergrößern. - wherein the coil (6) has an outer side (60) which is suitable for coming into contact with a cooling medium, characterized in that the coil (6) forms structures (521-524) on the outer side (60), which increase the surface area of the outside (60).
2. Spulenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die die Oberfläche vergrößernden Strukturen (521-523) durch die Geometrie des Wickeldrahts (5) bereitgestellt sind, wobei der Wickeldraht (5) die Strukturen (521-523) ausbildet. 2. Coil arrangement according to claim 1, characterized in that the surface-enlarging structures (521-523) are provided by the geometry of the winding wire (5), the winding wire (5) forming the structures (521-523).
3. Spulenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickeldraht (5) in der Querschnittsansicht an seiner einen Stirnseite (52), die im gewickelten Zustand die Außenseite (60) der Spule (6) bildet, eine von einer geraden oder halbkreisförmigen Form abweichende Struktur (521-523) aufweist. 3. Coil arrangement according to claim 2, characterized in that the winding wire (5) in the cross-sectional view on its one end face (52), which forms the outer side (60) of the coil (6) in the wound state, has a straight or semi-circular shape different structure (521-523).
4. Spulenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickeldraht (5) in der Querschnittsansicht an seiner einen Stirnseite (52), die im gewickelten Zustand die Außenseite (60) der Spule (6) bildet, mindestens einen Vorsprung (521) ausbildet. 4. The coil arrangement as claimed in claim 2 or 3, characterized in that the winding wire (5), in the cross-sectional view, has at least one projection (521 ) trains.
5. Spulenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickeldraht (5) in der Querschnittsansicht an seiner einen Stirnseite (52), die im gewickelten Zustand die Außenseite (60) der Spule (6) bildet, mindestens eine nutförmige Einbuchtung (522) ausbildet. 5. Coil arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that the winding wire (5) in the cross-sectional view on its one end face (52), which forms the outside (60) of the coil (6) in the wound state, at least one groove-shaped indentation ( 522) trains.
6. Spulenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickeldraht (5) in der Querschnittsansicht an seiner einen Stirnseite (52), die im gewickelten Zustand die Außenseite (60) der Spule (6) bildet, eine Dreiecksform (523) ausbildet, wobei der Wickeldraht (5) sich in der Querschnittsansicht zur Spitze des Dreiecks verjüngt.
6. The coil arrangement as claimed in claim 2 or 3, characterized in that the winding wire (5) has a triangular shape (523) on its one end face (52), which forms the outside (60) of the coil (6) in the wound state, in the cross-sectional view. forms, wherein the winding wire (5) tapers in the cross-sectional view to the apex of the triangle.
7. Spulenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze des Dreiecks durch einen abgerundeten Bereich (5230) gebildet ist. 7. Coil arrangement according to claim 6, characterized in that the apex of the triangle is formed by a rounded area (5230).
8. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickeldraht (5) über seine gesamte Länge die gleiche Wickeldrahtgeometrie aufweist. 8. Coil arrangement according to one of claims 2 to 7, characterized in that the winding wire (5) has the same winding wire geometry over its entire length.
9. Spulenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickeldraht (5) ein mit einer Isolierung versehener Kupferflachleiter ist. 9. Coil arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the winding wire (5) is a flat copper conductor provided with insulation.
10. Spulenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickeldraht (5) in der Querschnittsansicht an seiner anderen Stirnseite (51 ), die im gewickelten Zustand die dem Wickelkern (4) zugewandte Innenseite der Spule (6) bildet, eine abgeflachte Kontur (512) aufweist, die einen flächigen Kontakt zum Wickelkern (4) oder zu einem zwischen Wickelkern (4) und Spule (6) angeordneten Isolationspapier (7) aufweist. 10. Coil arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the winding wire (5) in the cross-sectional view on its other end face (51), which in the wound state forms the inner side of the coil (6) facing the winding core (4), has a flattened Contour (512) which has a surface contact with the winding core (4) or with an insulating paper (7) arranged between the winding core (4) and the coil (6).
11. Spulenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeflachte Kontur (512) durch eine in der Querschnittsansicht rechteckförmige Form der anderen Stirnseite (51) gebildet ist. 11. The coil arrangement as claimed in claim 10, characterized in that the flattened contour (512) is formed by a cross-sectional view of the other end face (51) being rectangular in shape.
12. Spulenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wickeldraht (5) durch eine Litze mit einer Vielzahl von jeweils mit einer Windungsisolierung versehenen Einzeldrähten (55) gebildet ist, wobei die Gesamtheit der Einzeldrähte (55) die Außenseite (60) der Spule (6) bildet, und wobei die die Oberfläche vergrößernden Strukturen (524) in die Außenseite (60) der Spule (6) eingeprägt sind. 12. Coil arrangement according to claim 1, characterized in that the winding wire (5) is formed by a stranded wire with a multiplicity of individual wires (55) each provided with winding insulation, the entirety of the individual wires (55) forming the outside (60) of the coil (6), and wherein the surface-enlarging structures (524) are embossed into the outside (60) of the coil (6).
13. Spulenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (524) der Außenseite (60) durch Pressen aufgeprägt worden sind. 13. Coil arrangement according to claim 12, characterized in that the structures (524) have been stamped onto the outside (60) by pressing.
14. Spulenanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die die Oberfläche vergrößernden Strukturen (524) der Außenseite (60) der Spule (6) eine von einer planen Außenseite (60) abweichende Form geben. 14. Coil arrangement according to claim 12 or 13, characterized in that the surface-enlarging structures (524) give the outside (60) of the coil (6) a shape deviating from a planar outside (60).
15. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite (60) der Spule (6) in der Querschnittsansicht wellenförmig ausgebildet ist.
15. Coil arrangement according to one of claims 12 to 14, characterized in that the outer side (60) of the coil (6) is formed wavy in the cross-sectional view.
16. Spulenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (6) auf ihren beiden Spulenseiten zwei Haupt- Außenflächen (61 , 62) ausbildet, wobei die die Oberfläche vergrößernden Strukturen (521-524) an mindestens einer der Außenflächen (61 , 62) ausgebildet ist. 16. Coil arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the coil (6) forms two main outer surfaces (61, 62) on its two coil sides, the structures (521-524) enlarging the surface being on at least one of the outer surfaces ( 61, 62) is formed.
17. Spulenanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (521-523) an beiden Haupt-Außenflächen (61 , 62) und an diesen symmetrisch ausgebildet sind. 18. Spulenanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen17. Coil arrangement according to claim 16, characterized in that the structures (521-523) are formed on both main outer surfaces (61, 62) and symmetrically on these. 18. Coil arrangement according to claim 16, characterized in that the structures
(524) an beiden Haupt-Außenflächen (61 , 62) und an diesen asymmetrisch ausgebildet sind. (524) are formed on both main outer surfaces (61, 62) and asymmetrically on these.
19. Spulenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (6) eine Einzelzahn-Spulenwicklung einer19. Coil arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the coil (6) has a single-tooth coil winding
Einzelzahnspule ist. single tooth coil is.
20. Elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Stator Spulenanordnungen (100) gemäß Anspruch 1 aufweist.
20. Electrical machine with a rotor and a stator, wherein the stator has coil arrangements (100) according to claim 1.
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