WO2023222571A1 - Leistungserzeugende komponente einer elektrischen maschine und wellenwicklung - Google Patents

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WO2023222571A1
WO2023222571A1 PCT/EP2023/062903 EP2023062903W WO2023222571A1 WO 2023222571 A1 WO2023222571 A1 WO 2023222571A1 EP 2023062903 W EP2023062903 W EP 2023062903W WO 2023222571 A1 WO2023222571 A1 WO 2023222571A1
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WO
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conductor
power
generating component
slot
winding
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PCT/EP2023/062903
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Inventor
Kai MEHLSTÄUBL
Robin MICHELBERGER
Matthias Ebert
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
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Publication date
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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
    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a power-generating component of an electrical machine, such as a rotor or a stator of an electric motor.
  • the power-generating component comprises a ring-shaped laminated core with a plurality of radially arranged slots and a wave winding with at least a first, a second and a third continuous conductor, each guided in a plurality of revolutions through adjacent slots, which are connected in parallel or series connection and form a conductor network.
  • the conductor assembly has a slot jump in which the first conductor, the second conductor and the third conductor each span an equal number of slots and in which there is a change in layer.
  • the conductor assembly has at least one slot change, in which the first conductor, the second conductor and the third conductor span a different number of slots, so that the first conductor, the second conductor and the third conductor are arranged in relation to one another after the slot change are swapped.
  • Electric motors for vehicles consist of a stator and a rotor as power-generating components. Both of these components are composed of sheets that are isolated from each other and stacked on top of each other, which form a sheet metal package and are each designed as a ring that has circumferential grooves. Conductors, usually copper wires or conductor bundles, are wrapped around the slots to form windings of a coil.
  • wave winding One way to wind these laminated cores is wave winding.
  • changing mats are usually prepared, which are inserted into the grooves and then contacted.
  • a sheet metal package can also be wrapped directly. It is important to isolate all elements of the electric motor from each other, for example using foil or paper.
  • the grooves are closed with cover slides and cast with a casting medium for better durability and insulation.
  • wave winding a conductor is guided through a slot, spans a fixed number of slots and is guided through another slot. The area of the conductor spanning several slots is called the winding head.
  • the power-generating component of the electric machine or electric motor is completely wrapped in several layers with several conductors.
  • the position of the conductor is the radial position of the conductor within the respective groove. In order to maximize efficiency, ensure smooth running and high robustness, it is necessary to specifically adapt the course of the individual conductors to one another. Among other things, it is also necessary for individual conductors to change their position in a slot jump.
  • the DE 10 2014223 202 A1 discloses a wave winding for a stator, the wave winding having at least two conductors connected to each other in parallel and / or series connection for each phase of the machine, which have a predetermined winding step in one for each phase and one for each magnetic Pole can be arranged along the circumference of the machine in a predetermined order in a number of at least two consecutive stator slots of each magnetic pole and each phase of the machine.
  • the predetermined order of the connected conductors is swapped at at least one position along the circumference of the machine by at least one groove jump change, which is defined as a groove jump in DE 102014223 202 A1.
  • the winding heads of the conductors are curved and twisted once around their own axis.
  • It is the object of the invention to provide a power-generating component for an electric motor with a number of holes of q 3, which has comparatively better efficiency and greater smoothness.
  • the object is achieved according to the invention for the power-generating component of an electrical machine described at the outset in that at least one slot jump change is present within each circuit of the conductor assembly. This higher number of groove jump changes compared to the prior art makes it possible to achieve greater smoothness and better efficiency, since a high level of electromagnetic symmetry is achieved in this way.
  • the first conductor, the second conductor and the third conductor each comprise an arcuate winding head which has a vertex with an S-shaped turn.
  • conductors with a rectangular cross section are usually used. In this way, the twisting of the conductor previously known from the prior art is avoided, which leads to a larger space requirement and makes a denser arrangement in the area of the groove jumps more difficult.
  • the winding heads of at least two of the first, the second and the third conductors are arranged parallel to one another or next to one another. The remaining conductor is then routed above or below the other two. It is particularly advantageous if the winding heads of the first, second and third conductors are arranged parallel to one another and one above the other. This makes it possible to produce electrical machines with particularly favorable properties. This is achieved primarily because the S-shaped lay, in contrast to the sword winding, is less bulky and thus enables a more dense arrangement of the conductors.
  • the groove jump changes on the laminated core are arranged radially next to one another. This makes it possible to arrange the conductors as close to one another as possible, even in the area of the slot change, and to optimize an electrical machine equipped with such a power-generating component in terms of its performance and running properties.
  • the wave winding has a length in which the first conductor, the second conductor and the third conductor are arranged together offset by at least one groove compared to a previous position. This is achieved by an appropriately designed slot jump and slot change, in which the conductor assembly is offset by at least one groove on average compared to a previous position.
  • the wave winding has several phases, each of which is composed of one or more conductor composites. This improves the efficiency of the electric motor by allowing the phases to be switched one after the other. Groove jump changes in the individual phases are ideally arranged next to each other, as this is advantageous for the smooth running and efficiency of the electric motor.
  • the task is also achieved by a previously described wave winding for insertion into a power-generating component of an electrical machine.
  • a power-generating component of an electrical machine In the form of a changing mat, it can be inserted directly into the rotor or stator.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a winding scheme
  • Fig. 3. is a schematic representation of another winding scheme.
  • FIG. 1 shows a laminated core 1 of a stator as a power-generating component with a plurality of grooves 2 through which a conductor 3 runs. This is guided through a first groove 2, merges into a winding head 4, which spans a first number of slots 2 and is guided through a second groove 2 to the opposite side of the laminated core 1, where another winding head 4 is present. In this way, the conductor 3 is guided in a large number of revolutions around the stator.
  • the winding head 4 is arcuate and in this embodiment spans exactly six slots 2. At its apex there is an S-shaped stop 5, so that adjacent conductors 3, not shown here, can be arranged close to the conductor 3.
  • the conductor 3, which has a rectangular cross section, is not even rotated about its own axis in the area of the winding head 4.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a winding scheme for a wave winding of the laminated core 1, which has exactly seventy-two slots N1, ..., N72.
  • the first line gives the numbering for the exact designation of the slots N1, ..., N72.
  • the first column specifies a position L1, ..., L6 within a groove N1, ..., N72.
  • Position L1 is a position on a bottom of the respective groove N1, ..., N72 and as the reference number increases, the distance to floor larger.
  • each conductor 3 can be traced exactly through the grooves N1, ..., N72 of the laminated core 1, always alternatingly having a winding head 4 on a first side and a second side of the laminated core 1, which has a number of grooves N1, ..., N72 spans.
  • All conductors 3 for a phase are entered in the winding diagram and the winding of a first conductor U1, a second conductor U2, a third conductor U3 and a fourth, fifth and sixth conductor U4, U5, U6 are described.
  • the first conductor U1, the second conductor U2 and the third conductor U3 form a first conductor group
  • the fourth, fifth and sixth conductors U4, U5, U6 form a second conductor group
  • all conductors U1, U2, U3, U4, U5, U6 are connected in series or parallel and thus form a common phase.
  • the slots N1, ..., N72 spanned by the six conductors U1, U2, U3, U4, U5, U6 were not provided with an entry.
  • the first conductor U1, the second conductor U2 and the third conductor U3 begin on the first side of the laminated core 1 and are guided through the first three adjacent grooves N1, N2 and N3, respectively. They emerge from a second side of the laminated core 1 and span eight of the slots N1, ..., N72, in a slot jump in which the winding heads 4 of the first, second and third conductors U1, U2, U3 run parallel. so that they are guided through the adjacent grooves N10, N11 and N12 to the first side of the laminated core 1.
  • a layer change from layer L1 to layer L2 is also carried out. There is then another groove jump on the first side with another layer change.
  • the power-generating component therefore has three circuits, but in general this number is freely selectable and depends on the size of the component, so that a large number of circuits are available.
  • a first slot jump change takes place in the first cycle, in which the first conductor U1, the second conductor U2 and the third conductor U3 span a different number of slots N1, ..., N72.
  • the winding head 4 of the first conductor U1 runs here from the twenty-eighth slot N28 to the thirty-ninth slot N39, that of the second conductor U2 spans a slot N1, ..., N72, the same number of slots N1, ..., compared to the slot jump.
  • the arrangement of the first, second and third conductors U1, U2, U3 within the conductor assembly is therefore swapped. Exactly one cycle later, a second slot jump change occurs, so that the first, second and third conductors U1, U2, U3 change their position in the conductor assembly again and are again in the original arrangement.
  • the arrangement of the conductors U1, U2, U3 relative to one another in the conductor assembly is usually adapted to the specific design and the desired properties of the electrical machine.
  • the conductors U1, U2, U3 can be swapped cyclically, in pairs or in some other way. It is also possible to introduce an arrangement of the conductors U1, U2, U3 that deviates from the starting position with the second slot change and, for example, to restore the original arrangement only with a third slot change. Alternatively, a further, different arrangement can also be selected in the third slot change.
  • the winding heads 4 of the first, second and third conductors U1, U2, U3 it is expedient to design the winding heads 4 of the first, second and third conductors U1, U2, U3 to be arranged parallel to one another, one above the other, particularly in the area of the slot jump changes. This is made possible by the S-shaped lay-out 5, since, in contrast to the winding with a sword, the conductors U1, U2, U3 are not twisted and can therefore be closer together or stacked.
  • the winding scheme continues as described until the sixth layer L6 is completed.
  • An alternative winding scheme for a wave winding is shown in Fig. 3.
  • the slot jumps of the first cycle are identical to those in FIG. the second conductor U2 and the third conductor U3 span a different number of slots N1, N72.
  • the winding head 4 of the first conductor U1 runs here from the twenty-eighth slot N28 to the thirty-ninth slot N39, that of the second conductor U2 spans a number of slots N1, .. that is reduced by one compared to the slot jump, a slot N1, ..., N72. . , N72, here from the twenty-ninth slot 29 to the thirty-seventh slot N37, and the winding head 4 of the third conductor U3 runs from the thirtieth slot N30 to the thirty-eighth slot N38.
  • the arrangement of the first, second and third conductors U1, U2, U3 within the conductor assembly is therefore swapped.
  • a second slot jump change occurs, so that the first, second and third conductors U1, U2, U3 change their position in the conductor assembly again.
  • the three conductors U1, U2, U3 are again in their starting position within the conductor assembly in this exemplary embodiment.
  • the first, second and third conductors U1, U2, U3 are swapped cyclically with every slot change.
  • the winding heads 4 are ideally arranged in such a way that the conductor 3, which is arranged first in the conductor assembly, runs above the other two conductors 3, which are arranged parallel to one another. Using the example of the first slot jump, this means that the first conductor U1 runs above the second conductor U2 and the third conductor U3, while the second conductor U2 and the third conductor U3 are arranged parallel next to one another.
  • the first, the second and the third conductors U1, U2, U3 are offset from one another in that the groove jumps are alternately made one groove N1, ..., N72 wider or one groove N1, ..., N72 shorter.
  • the conductor assembly is therefore arranged offset by a groove N1, ..., N72 between the third and fourth layers L3, L4.
  • there is a jump change in slots now between the twenty-eighth slot N28 and the fortieth slot N40, since the difference is here the width of the groove jumps must be taken into account.
  • the third cycle now takes place again with slot jumps that span eight slots N1, , N72, with the first conductor U1, the second conductor U2 and the third conductor U3 together around a slot N1, compared to the first two previous layers L1, L2. ... , N72 are arranged offset.
  • This offset which is referred to as strain and can also occur by more than one groove N1, ..., N72, improves the acoustic properties of an electrical machine equipped with a power-generating component wound in this way.
  • the power-generating component in both exemplary embodiments includes the second conductor assembly consisting of the fourth conductor U4, the fifth conductor U5 and the sixth conductor U6. These each run in opposite directions to the first conductor composite: While the groove jump of the first conductor composite occurs on the first side of the laminated core 1, the groove jump of the second conductor composite is on the opposite second side.
  • the power-generating component which is completely wound with both conductor assemblies, has two slot jump changes in each cycle, which are located on the same or at least adjacent slots N1, ..., N72. All groove jump changes are therefore arranged radially next to one another on the laminated core 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine leistungserzeugende Komponente einer elektrischen Maschine. Diese umfasst ein kranzförmiges Blechpaket mit einer Vielzahl von radial angeordneten Nuten N1, …, N72 und eine Wellenwicklung mit mindestens einem ersten, einem zweiten und einem dritten kontinuierlichen, jeweils in einer Vielzahl an Umläufen durch benachbarte Nuten N1, …, N72 geführten Leiter U1, U2, U3, die einen Leiterverbund bilden. Der Leiterverbund weist einen Nutsprung auf, bei dem der erste Leiter U1, der zweite Leiter U2 und der dritte Leiter U3 jeweils eine gleiche Anzahl an Nuten N1, …, N72 überspannen und bei dem ein Lagenwechsel vorhanden ist. Ferner weist der Leiterverbund mindestens einen Nutsprungwechsel auf, der bewirkt, dass der erste Leiter U1, der zweite Leiter U2 und der dritte Leiter U3 nach dem Nutsprungwechsel in ihrer Anordnung im Leiterverbund zueinander vertauscht sind. Um den Wirkungsgrad und die Laufruhe der elektrischen Maschine zu verbessern erfolgt innerhalb jedes Umlaufs des Leiterverbunds mindestens ein Nutsprungwechsel.

Description

Leistungserzeugende Komponente einer elektrischen Maschine und Wellenwicklung
Die Erfindung betrifft eine leistungserzeugende Komponente einer elektrischen Maschine, wie einen Rotor oder einen Stator eines Elektromotors. Die leistungserzeugende Komponente umfasst ein kranzförmiges Blechpaket mit einer Vielzahl von radial angeordneten Nuten und eine Wellenwicklung mit mindestens einem ersten, einem zweiten und einem dritten kontinuierlichen, jeweils in einer Vielzahl an Umläufen durch benachbarte Nuten geführten Leiter, die in Parallel- oder Reihenschaltung verbunden sind und einen Leiterverbund bilden. Der Leiterverbund weist einen Nutsprung auf, bei dem der erste Leiter, der zweite Leiter und der dritte Leiter jeweils eine gleiche Anzahl an Nuten Überspannen und bei dem ein Lagenwechsel vorhanden ist. Ferner weist der Leiterverbund mindestens einen Nutsprungwechsel auf, bei dem der erste Leiter, der zweite Leiter und der dritte Leiter eine voneinander abweichende Anzahl an Nuten Überspannen, so dass der erste Leiter, der zweite Leiter und der dritte Leiter nach dem Nutsprungwechsel in ihrer Anordnung zueinander vertauscht sind.
Elektromotoren für Fahrzeuge bestehen aus einen Stator und einem Rotor als leistungserzeugende Komponenten. Beide dieser Bauteile werden aus voneinander isolierten, aufeinander geschichteten Blechen zusammengesetzt, die ein Blechpaket bilden und jeweils als Kranz ausgebildet sind, der umlaufende Nuten aufweist. Die Nuten werden von Leitern, in der Regel Kupferdrähten oder Leiterbündeln, umwickelt, so dass Wicklungen einer Spule gebildet werden.
Eine Möglichkeit, diese Blechpakete zu wickeln, ist die Wellenwicklung. Dazu werden üblicherweise Wickelmatten vorbereitet, die in die Nuten eingesetzt und anschließend kontaktiert werden. Alternativ kann ein Blechpaket auch direkt umwickelt werden. Wichtig ist dabei, sämtliche Elemente des Elektromotors zum Beispiel durch Folien oder Papier voneinander zu isolieren. Abschließend werden die Nuten mit Deckschiebern verschlossen und zur besseren Haltbarkeit und Isolation mit einem Gießmedium vergossen. Bei der Wellenwicklung wird ein Leiter durch eine Nut geführt, überspannt eine festgelegte Anzahl an Nuten und wird durch eine weitere Nut geführt. Der mehrere Nuten überspannende Bereich des Leiters wird als Wickelkopf bezeichnet. Die leistungserzeugende Komponente der elektrischen Maschine bzw. des Elektromotors wird derart mit mehreren Leitern vollständig in mehreren Lagen umwickelt. Die Lage des Leiters ist dabei die radiale Position des Leiters innerhalb der jeweiligen Nut. Dabei ist es für eine Maximierung des Wirkungsgrads, hohe Laufruhe und eine hohe Robustheit notwendig, den Verlauf der einzelnen Leiter zueinander gezielt anzupassen. Dabei wird es unter anderem auch notwendig, dass einzelne Leiter ihre Lage in einem Nutsprung wechseln.
Die DE 10 2014223 202 A1 offenbart eine Wellenwicklung für einen Stator, wobei die Wellenwicklung zu je einer Phase der Maschine wenigstens zwei untereinander in Parallel- und/oder Reihenschaltung verbundene Leiter aufweist, die mit vorgegebenem Wickelschritt in einer zu jeder Phase und zu je einem magnetischen Pol entlang des Umfangs der Maschine vorgegebenen Reihenfolge in einer Anzahl wenigstens zweier aufeinanderfolgender Statornuten jedes magnetischen Pols und jeder Phase der Maschine anordbar sind. Die vorgegebene Reihenfolge der verbundenen Leiter ist an wenigstens einer Position entlang des Umfangs der Maschine durch wenigstens einen Nutsprungwechsel, welcher in der DE 102014223 202 A1 aber als Nutsprung definiert ist, vertauscht. Die Wickelköpfe der Leiter sind hier bogenförmig ausgeführt und einmal um die eigene Achse verdreht. Das Problem dabei ist, dass die Leiter, welche einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, an dieser Stelle durch diese Drehung auftragen. So kommt es besonders bei Nutsprungwechseln dazu, dass die Leiter nicht mehr sauber geführt werden, und der Elektromotor an Wirkungsgrad und Laufruhe verliert. Dies ist besonders bei elektrischen Maschinen mit einer Lochzahl von q = 3 problematisch, bei der jede Phase drei Leiter aufweist, die direkt in benachbarten Nuten verlaufen, da hier die Leiter besonders dicht geführt werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine leistungserzeugende Komponente für einen Elektromotor mit einer Lochzahl von q = 3 bereitzustellen, die einen vergleichsweise besseren Wirkungsgrad und höhere Laufruhe aufweist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für die eingangs beschriebene leistungserzeugende Komponente einer elektrischen Maschine dadurch gelöst, dass innerhalb jedes Umlaufs des Leiterverbunds mindestens ein Nutsprungwechsel vorhanden ist. Diese im Vergleich zum Stand der Technik höhere Anzahl an Nutsprungwechseln erlaubt es, eine höhere Laufruhe und einen besseren Wirkungsgrad zu ermöglichen, da auf diese Weise eine hohe elektromagnetische Symmetrie erreicht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen der erste Leiter, der zweite Leiter und der dritte Leiter jeweils einen bogenförmigen Wickelkopf, der einen Scheitelpunkt mit einem S-förmigen Schlag aufweist. Um eine möglichst hohe Packungsdichte innerhalb der individuellen Nuten zu erreichen, werden zumeist Leiter mit einem rechteckigen Querschnitt verwendet. Auf diese Weise wird das bisher aus dem Stand der Technik bekannte Verdrehen des Leiters vermieden, welches zu einem größeren Platzbedarf führt und eine dichtere Anordnung im Bereich der Nutsprünge erschwert.
Für eine möglichst dichte Anordnung der Leiter ist es von Vorteil, wenn die Wickelköpfe von wenigstens zwei des ersten, des zweiten und des dritten Leiters zueinander parallel übereinander oder nebeneinander angeordnet sind. Der übrig bleibende Leiter wird dann oberhalb oder unterhalb der beiden anderen geführt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wickelköpfe des ersten, des zweiten und des dritten Leiters zueinander parallel übereinander angeordnet sind. Dadurch lassen sich elektrische Maschinen mit besonders günstigen Eigenschaften herstellen. Dies wird vor allem dadurch erreicht, dass der S-förmige Schlag im Gegensatz zur Schwertwicklung weniger aufträgt und so eine dichtere Anordnung der Leiter ermöglicht.
In einer weiteren günstigen Ausgestaltung sind die Nutsprungwechsel an dem Blechpaket radial nebeneinanderliegend angeordnet. Damit wird ermöglicht, auch im Bereich der Nutsprungwechsel die Leiter möglichst dicht beieinander anzuordnen und eine mit einer solchen leistungserzeugenden Komponente ausgestatteten elektrische Maschine bezüglich ihrer Leistungs- und Laufeigenschaften zu optimieren. In einer weiteren günstigen Ausgestaltung weist die Wellenwicklung eine Sehnung auf, bei der der erste Leiter, der zweite Leiter und der dritte Leiter gemeinsam im Vergleich zu einer vorherigen Lage um mindestens eine Nut versetzt angeordnet sind. Dies wird durch einen entsprechend ausgeführten Nutsprünge und Nutsprungwechsel erreicht, bei dem der Leiterverbund im Vergleich zu einer vorherigen Lage im Mittel um mindestens eine Nut versetzt ist.
Es ist ferner von Vorteil, wenn die Wellenwicklung mehrere Phasen aufweist, die jeweils aus einem oder mehreren Leiterverbünden zusammengesetzt sind. Dies verbessert den Wirkungsgrad des Elektromotors, indem die Phasen nacheinander geschaltet werden können. In den einzelnen Phasen vorhandene Nutsprungwechsel sind dabei idealerweise nebeneinander angeordnet, da dies für die Laufruhe und den Wirkungsgrad des Elektromotors von Vorteil ist.
Die Aufgabe wird auch durch eine zuvor beschriebene Wellenwicklung zum Einsetzen in eine leistungserzeugende Komponente einer elektrischen Maschine gelöst. In Form einer Wickelmatte kann diese in den Rotor oder den Stator direkt eingesetzt werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Stator mit einem Leiter,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Wickelschemas und
Fig. 3. eine schematische Darstellung eines weiteren Wickelschemas.
Die Fig. 1 zeigt ein Blechpaket 1 eines Stators als leistungserzeugende Komponente mit einer Vielzahl von Nuten 2, durch die ein Leiter 3 verläuft. Dieser wird durch eine erste Nut 2 geführt, geht in einen Wickelkopf 4 über, der eine erste Anzahl an Nuten 2 überspannt und wird durch eine zweite Nut 2 auf die gegenüberliegende Seite des Blechpakets 1 , wo ein weiterer Wickelkopf 4 vorhanden ist, geführt. Auf diese Weise wird der Leiter 3 in einer Vielzahl von Umläufen um den Stator geführt. Der Wickelkopf 4 ist bogenförmig und überspannt in dieser Ausführung genau sechs Nuten 2. An seinem Scheitelpunkt weist einen S-förmigen Schlag 5 auf, so dass benachbarte, hier nicht gezeigte Leiter 3 dicht neben dem Leiter 3 angeordnet werden können. Insbesondere wird der Leiter 3, der einen rechteckigen Querschnitt aufweist, im Bereich des Wickelkopfes 4 nicht einmal um die eigene Achse verdreht. Außerdem ist an dem Wickelkopf 4 ein Lagenwechsel vorhanden, was einer Änderung der radialen Position des Leiters 3 innerhalb der Nuten 2 entspricht. Dieser wird hier durch den S- förmigen Schlag 5 bewirkt.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Wickelschemas für eine Wellenwicklung des Blechpakets 1 , welches genau zweiundsiebzig Nuten N1 , ... , N72 aufweist. Die erste Zeile gibt dabei die Nummerierung zur exakten Bezeichnung der Nuten N1 , ... , N72 an. In der ersten Spalte wird eine Lage L1 , ... , L6 innerhalb einer Nut N1 , ... , N72 angegeben. Lage L1 ist dabei eine Position an einem Boden der jeweiligen Nut N1 , ... , N72 und mit zunehmender Bezugszahl wird der Abstand zum Boden größer. Damit kann der Verlauf eines jeden Leiters 3 durch die Nuten N1 , ... , N72 des Blechpaktes 1 exakt nachverfolgt werden, wobei er immer abwechselnd an einer ersten Seite und einer zweiten Seite des Blechpakets 1 einen Wickelkopf 4 aufweist, der eine Anzahl an Nuten N1 , ... , N72 überspannt.
Es sind alle Leiter 3 für eine Phase in das Wickelschema eingetragen und die Wicklung eines ersten Leiters U1 , eines zweiten Leiters U2, eines dritten Leiters U3 sowie eines vierten, fünften und sechsten Leiters U4, U5, U6 beschrieben. Der erste Leiter U1 , der zweite Leiter U2 und der dritte Leiter U3 bilden dabei einen ersten Leiterverbund, der vierte, fünfte und sechste Leiter U4, U5, U6 bilden einen zweiten Leiterverbund, wobei alle Leiter U1 , U2, U3, U4, U5, U6 in Reihe oder parallelgeschaltet sind und so eine gemeinsame Phase bilden. Zum leichteren Verständnis wurden die von den sechs Leitern U1 , U2, U3, U4, U5, U6 überspannten Nuten N1 , ... , N72 nicht mit einer Eintragung versehenen. In diesen sind ebenfalls Leiter 3 geführt, welche individuell oder in einem oder mehreren Leiterverbünden einer oder mehreren anderen Phasen zuzuordnen sind. Ihre Anordnung kann der des ersten und zweiten Leiterverbunds entsprechen oder auch davon abweichen. Da das Wickeln des Blechpakets 1 gleichmäßig erfolgen sollte, werden hier zwei weitere Phasen mit jeweils sechs Leitern 3 eingefügt. Somit ergibt sich eine Wicklung mit drei Phasen, einer Lochzahl von q = 3, und in diesem Fall eine Polpaarzahl von p = 4.
Der erste Leiter U1 , der zweite Leiter U2 und der dritte Leiter U3 beginnen an der ersten Seite des Blechpakets 1 und werden durch die ersten drei benachbarten Nuten N1 , N2 bzw. N3 geführt. Sie treten an einer zweiten Seite des Blechpakets 1 aus und überspannen in einem Nutsprung, bei dem die Wickelköpfe 4 des ersten, des zweiten und des dritten Leiters U1 , U2, U3 parallel verlaufen, jeweils acht der Nuten N1 , ... , N72, so dass sie durch die benachbarten Nuten N10, N11 bzw. N12 zur ersten Seite des Blechpakets 1 geführt werden. Bei dem Nutsprung wird auch ein Lagenwechsel von Lage L1 zu Lage L2 vollzogen. Auf der ersten Seite erfolgt dann ein weiterer Nutsprung mit einem weiteren Lagenwechsel. Dies wird fortgesetzt, bis auf diese Weise alle zweiundsiebzig Nuten N1 , ... , N72 durchschritten oder überspannt worden sind, so dass ein Umlauf erfolgt ist und das Muster bei den ersten drei Nuten N1 , N2 und N3 beginnend in den nächsten Lagen, hier L3 und L4, fortgesetzt wird. Die leistungserzeugende Komponente weist bei sechs Lagen L1 , L6 somit drei Umläufe auf, im Allgemeinen ist diese Anzahl jedoch frei wählbar und abhängig von der Größe der Komponente, so dass eine Vielzahl an Umläufen vorhanden ist.
Zwischen der achtundzwanzigsten Nut N28 und der neununddreißigsten Nut N39 erfolgt im ersten Umlauf ein erster Nutsprungwechsel, bei dem der erste Leiter U1 , der zweite Leiter U2 und der dritte Leiter U3 eine voneinander abweichende Anzahl an Nuten N1 , ... , N72 Überspannen. Der Wickelkopf 4 des ersten Leiter U1 verläuft hier von der achtundzwanzigsten Nut N28 zu der neununddreißigsten Nut N39, der des zweiten Leiter U2 überspannt eine im Vergleich zum Nutsprung eine Nut N1 , ... , N72 gleiche Anzahl an Nuten N1 , ... , N72, hier also von der neunundzwanzigsten Nut 29 zur achtunddreißigsten Nut N38, und der Wickelkopf 4 des dritten Leiter U3 verläuft von der dreißigsten Nut N30 zur siebenunddreißigsten Nut N37. Die Anordnung des ersten, zweiten und dritten Leiters U1 , U2, U3 innerhalb des Leiterverbunds ist dadurch vertauscht. Genau einen Umlauf später erfolgt ein zweiter Nutsprungwechsel, sodass der erste, der zweite und der dritte Leiter U1 , U2, U3 abermals ihre Position im Leiterverbund wechseln und sich wieder in der ursprünglichen Anordnung befinden. Die Anordnung der Leiter U1 , U2, U3 zueinander im Leiterverbund wird üblicherweise an die konkrete Ausgestaltung und die gewünschten Eigenschaften der elektrischen Maschine angepasst. So können die Leiter U1 , U2, U3 zyklisch, paarweise oder anderweitig vertauscht werden. Auch ist es möglich, mit dem zweiten Nutsprungwechsel eine von der Ausgangsposition abweichende Anordnung der Leiter U1 , U2, U3 einzuführen und zum Beispiel erst mit einem dritten Nutsprungwechsel die ursprüngliche Anordnung wiederherzustellen. Alternativ kann auch im dritten Nutsprungwechsel eine weitere, abweichende Anordnung gewählt werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist es zweckmäßig, die Wickelköpfe 4 des ersten, des zweiten und des dritten Leiters U1 , U2, U3 insbesondere im Bereich der Nutsprungwechsel zueinander parallel übereinander angeordnet auszuführen. Dies wird durch den S-förmigen Schlag 5 ermöglicht, da im Gegensatz zur Wicklung mit Schwert die Leiter U1 , U2, U3 nicht verdreht werden und somit dichter beiei- nanderliegen bzw. gestapelt werden können. Das Wickelschema wird wie beschrieben bis zum Abschluss der sechsten Lage L6 fortgesetzt. Ein alternatives Wickelschema für eine Wellenwicklung ist in Fig. 3 dargestellt. Die Nutsprünge des ersten Umlaufs sind hier identisch mit denen der Fig. 2. Die Nutsprungwechsel sind jedoch anders ausgeführt: So erfolgt im ersten Umlauf ein erster Nutsprungwechsel zwischen der achtundzwanzigsten Nut N28 und der neununddrei- ßigsten Nut N39, bei dem der erste Leiter U1 , der zweite Leiter U2 und der dritte Leiter U3 eine voneinander abweichende Anzahl an Nuten N1 , N72 Überspannen.
Der Wickelkopf 4 des ersten Leiter U1 verläuft hier von der achtundzwanzigsten Nut N28 zu der neununddreißigsten Nut N39, der des zweiten Leiter U2 überspannt eine im Vergleich zum Nutsprung eine Nut N1 , ... , N72 um eins reduzierte Anzahl an Nuten N1 , ... , N72, hier also von der neunundzwanzigsten Nut 29 zur siebenunddrei- ßigsten Nut N37, und der Wickelkopf 4 des dritten Leiter U3 verläuft von der dreißigsten Nut N30 zur achtunddreißigsten Nut N38. Die Anordnung des ersten, zweiten und dritten Leiters U1 , U2, U3 innerhalb des Leiterverbunds ist dadurch vertauscht. Genau einen Umlauf später erfolgt ein zweiter Nutsprungwechsel, sodass der erste, der zweite und der dritte Leiter U1 , U2, U3 abermals ihre Position im Leiterverbund wechseln. Nach einem dritten Nutsprungwechsel, der einen Umlauf nach dem zweiten Nutsprungwechsel erfolgt, befinden sich die drei Leiter U1 , U2, U3 bei diesem Ausführungsbeispiel wieder in ihrer Ausgangsposition innerhalb des Leiterverbunds. Der erste, der zweite und der dritte Leiter U1 , U2, U3 werden hier also zyklisch mit jedem Nutsprungwechsel vertauscht. Die Wickelköpfe 4 werden dabei idealerweise so angeordnet, dass der im Leiterverbund als erster angeordnete Leiter 3 oberhalb der beiden anderen Leiter 3 verläuft, die parallel nebeneinander angeordnet sind. Am Beispiel des ersten Nutsprungs bedeutet das, dass der erste Leiter U1 oberhalb des zweiten Leiters U2 und des dritten Leiters U3 verläuft, während der zweite Leiter U2 und der dritte Leiter U3 parallel nebeneinander angeordnet sind.
In ihrem zweiten Umlauf werden der erste, der zweite und der dritte Leiter U1 , U2, U3 zueinander versetzt, indem die Nutsprünge abwechselnd eine Nut N1 , ... , N72 weiter oder eine Nut N1 , ... , N72 kürzer ausgebildet sind. Der Leiterverbund ist folglich zwischen der dritten und der vierten Lage L3, L4 jeweils um eine Nut N1 , ... , N72 versetzt angeordnet. Auch hier erfolgt ein Nutsprungwechsel, nun zwischen der achtundzwanzigsten Nut N28 und der vierzigsten Nut N40, da hier der Unterscheid in der Weite der Nutsprünge berücksichtigt werden muss. Der dritte Umlauf erfolgt nun wieder mit Nutsprüngen, die acht Nuten N1 , , N72 Überspannen, wobei der erste Leiter U1 , der zweite Leiter U2 und der dritte Leiter U3 gemeinsam im Vergleich zu den ersten beiden vorherigen Lagen L1 , L2 um eine Nut N1 , ... , N72 versetzt angeordnet sind. Durch diesen Versatz, der als Sehnung bezeichnet wird und auch um mehr als eine Nut N1 , ... , N72 erfolgen kann, werden die akustischen Eigenschaften einer mit einer derart gewickelten leistungserzeugenden Komponente ausgestatteten elektrischen Maschine verbessert.
Neben dem ersten Leiterverbund umfasst die leistungserzeugende Komponente in beiden Ausführungsbeispielen den zweiten Leiterverbund bestehend aus dem vierten Leiter U4, dem fünften Leiter U5 und dem sechsten Leiter U6. Diese verlaufen jeweils gegenläufig zum ersten Leiterverbund: Während der Nutsprung des ersten Leiterverbunds auf der ersten Seite des Blechpakets 1 erfolgt, liegt der Nutsprung des zweiten Leiterverbunds auf der gegenüberliegenden zweiten Seite. Die mit beiden Leiterverbünden fertig gewickelte leistungserzeugende Komponente weist in beiden Ausführungsbeispielen somit in jedem Umlauf zwei Nutsprungwechsel auf, die sich an den gleichen oder zumindest benachbarten Nuten N1 , ... , N72 befinden. An dem Blechpaket 1 sind somit alle Nutsprungwechsel radial nebeneinanderliegend angeordnet. Dies kann auch die nicht eingetragenen Phasen mit einschließen, deren Wicklung analog der der ersten bis sechsten Leiter U1 , ... , U6 erfolgen kann. Es ist ferner problemlos möglich, die nachfolgend vorgestellten Prinzipien auf elektrische Maschinen mit abweichendem Aufbau, Anzahl an Phasen, Lochzahl, Polpaarzahl und damit auch einer abweichenden Anzahl an Nuten N1 , ... , N72 anzuwenden.
Bezugszeichen
1 Blechpaket
2 Nut
3 Leiter
4 Wickel kopf
5 S-förmiger Schlag
N1 , .. . , N72 Nuten
L1 , .. , L6 Lage
U1 erster Leiter
U2 zweiter Leiter
U3 dritter Leiter
U4 vierter Leiter
U5 fünfter Leiter
U6 sechster Leiter

Claims

Patentansprüche
1. Leistungserzeugende Komponente einer elektrischen Maschine, umfassend ein kranzförmiges Blechpaket (1 ) mit einer Vielzahl von radial angeordneten Nuten (N1 ,
N72) und eine Wellenwicklung mit mindestens einem ersten, einem zweiten und einem dritten kontinuierlichen, jeweils in einer Vielzahl an Umläufen durch benachbarte Nuten (N1 , ... , N72) geführten Leiter (U1 , U2, U3), die in Parallel- oder Reihenschaltung verbunden sind und einen Leiterverbund bilden, wobei der Leiterverbund mehrere Nutsprünge aufweist, bei denen der erste Leiter (U1 ), der zweite Leiter (U2) und der dritte Leiter (U3) jeweils eine gleiche Anzahl an Nuten (N1 , ... , N72) Überspannen und bei dem ein Lagenwechsel vorhanden ist, und der Leiterverbund mindestens einen Nutsprungwechsel aufweist, bei dem der erste Leiter (U1 ), der zweite Leiter (U2) und der dritte Leiter (U3) eine voneinander abweichende Anzahl an Nuten (N1 , ... , N72) überspannen, so dass der erste Leiter (U1 ), der zweite Leiter (U2) und der dritte Leiter (U3) nach dem Nutsprungwechsel in ihrer Anordnung zueinander vertauscht sind, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb jedes Umlaufs des Leiterverbunds mindestens ein Nutsprungwechsel vorhanden ist.
2. Leistungserzeugende Komponente nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leiter (U1 ), der zweite Leiter (U2) und der dritte Leiter (U3) jeweils einen bogenförmigen Wickelkopf (4) umfassen, der einen Scheitelpunkt mit einem S- förmigen Schlag (5) aufweist.
3. Leistungserzeugende Komponente nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelköpfe (4) von wenigstens zwei des ersten, des zweiten und des dritten Leiters (U1 , U2, U3) zueinander parallel übereinander oder nebeneinander angeordnet sind.
4. Leistungserzeugende Komponente nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelköpfe (4) des ersten, des zweiten und des dritten Leiters (U1 , U2, U3) zueinander parallel übereinander angeordnet sind.
5. Leistungserzeugende Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutsprungwechsel an dem Blechpaket (1 ) radial nebeneinanderliegend angeordnet sind.
6. Leistungserzeugende Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenwicklung eine Sehnung aufweist, bei der der erste Leiter (U1 ), der zweite Leiter (U2) und der dritte Leiter (U3) gemeinsam im Vergleich zu einer vorherigen Lage um mindestens eine Nut (N1 , ... , N72) versetzt angeordnet sind.
7. Leistungserzeugende Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenwicklung mehrere Phasen aufweist, die jeweils aus einem oder mehreren Leiterverbünden zusammengesetzt sind.
8. Wellenwicklung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Einsetzen in eine leistungserzeugende Komponente einer elektrischen Maschine.
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DE102014223202A1 (de) 2014-11-13 2016-05-19 Volkswagen Aktiengesellschaft Wellenwicklung, Stator und elektrische Maschine
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