WO2024018055A1 - Stator für eine elektrische maschine - Google Patents

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WO2024018055A1
WO2024018055A1 PCT/EP2023/070282 EP2023070282W WO2024018055A1 WO 2024018055 A1 WO2024018055 A1 WO 2024018055A1 EP 2023070282 W EP2023070282 W EP 2023070282W WO 2024018055 A1 WO2024018055 A1 WO 2024018055A1
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conductors
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strip conductor
conductor elements
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PCT/EP2023/070282
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Axel Helm
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Additive │ Drives GmbH
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    • H02K3/14—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors arranged in slots with transposed conductors, e.g. twisted conductors

Definitions

  • the invention relates to a stator for an electrical machine, in particular for an electric motor or generator with a stator core.
  • the stator core preferably has a plurality of stator slots, electrical conductors forming a winding being arranged in the stator slots and at least a part of the stator, in particular a winding head connecting the electrical conductor, being realized by means of an additive manufacturing method.
  • the electrical conductors are preferably inserted into a respective stator groove in a cross section of the stator in the radial direction and extending in the longitudinal direction.
  • a stator core has at least one stator slot in which at least two, preferably at least four, electrical conductors are arranged, at least part of the stator being manufactured using an additive manufacturing process.
  • relatively high electrical currents flow in the conductors of the electric motor. This leads to the fact that due to the specific resistance of the conductor material and, for example, the Skin effects or proximity effects in alternating current operation generate heat and the efficiency of the machine decreases.
  • a known approach to cooling is to surround the electrical conductors of the stator with a heat-conducting body.
  • a further possibility is created by means of the method for additive manufacturing, with at least one cooling channel which can be acted upon by a cooling fluid being designed for a predetermined number of electrical conductors, with at least two or at least four cooling channels, which are not formed by the same electrical conductor, being fluidly parallel are switched.
  • the electrical conductors according to DE 10 2021 119 405 Al can be designed as individual turn conductors of a winding, preferably as individual turn conductors of a coil or so-called I-pins or as U-pins or hairpins.
  • the electrical conductors of a stator slot are arranged in particular in a cross section perpendicular to a central axis of the stator in a radial direction of the stator, the electrical conductors, which are arranged in an inner region with respect to the radial direction of the stator, having the aforementioned cooling channels. This makes it possible to introduce cooling power directly there and serve as a heat sink where the heat development in the stator slot is greatest.
  • WO 2023/006612 A1 relates to a method for producing a stator comprising a winding, preferably a hairpin winding for an electrical machine, in particular an electric motor or a generator.
  • the task is to reduce the thermal and electrical power loss in the stator and to reduce the installation space for the stator.
  • winding base bodies are introduced, in particular inserted, into stator slots and at least a section of a winding head is applied additively, in particular by applying a building material in layers and locally selectively solidifying this building material by irradiation.
  • the winding head has connecting elements that are manufactured using an additive process.
  • the casing and thus the installation space of the winding head can be reduced or minimized.
  • This technology can reduce or avoid material changes and contact problems that would otherwise occur as a result of welding.
  • the winding base bodies can be varied in terms of their course and/or their cross sections and combined with the winding head in a variable manner. In one embodiment there, the cross-sectional areas of individual winding base bodies are maximized for low frequencies.
  • a stator slot can be divided into segments running next to one another in the axial direction, with the corresponding winding base body at least substantially completely filling the respective segment.
  • the cross section of one or each winding base body can be divided into at least two or three partial cross sections that are isolated from each other, in particular in order to reduce the current displacement inside the conductor caused, for example, by skin effects and thus reduce the eddy current losses.
  • the current displacement in the slot of an electrical machine which is provided with the corresponding electrical conductors as part of a winding, varies. This depends, on the one hand, on the operating mode of the machine in question and, on the other hand, on electrical-physical mechanisms such as the so-called skin effect, the proximity effect and also eddy currents.
  • the current displacement increases with increasing frequency and increasing flux density. For high-performance machines, such losses themselves must be minimized and not just their effects suppressed through cooling.
  • stator for an electrical machine in particular a motor or a generator, which creates the conditions for achieving or ensuring energy-efficient operation of a correspondingly designed machine, in particular the increase in winding losses reduced and the thermal load on the electrical conductors used and their insulation is significantly reduced.
  • the findings of the applicant regarding the formation of partial conductors twisted together over the active length are used for division of the cross section in the sense of reducing the skin effect and to prevent loop currents, as well as the idea of relocating the twisting and repositioning of the partial conductors from the active area to the area of the winding head, which is made possible in particular by additive manufacturing technology.
  • the groove surface, in particular the groove cross section can be optimally utilized and direct current losses can be reduced.
  • the object of the invention is solved by a stator according to the combination of features according to claim 1, the subclaims representing at least expedient refinements and developments.
  • stator for an electrical machine.
  • This is preferably a stator for an electric motor or an electric generator with a stator core.
  • the stator core includes a laminated core and a comparable design with a large number of stator slots.
  • Electrical conductors forming a winding are arranged in the stator slots. At least a part of the stator, in particular a winding head connecting the electrical conductors, is realized using a known additive manufacturing method.
  • the electrical conductors are inserted into a respective stator groove in a cross section of the stator in the radial direction and extending in the longitudinal direction.
  • stator slots In all or in selected stator slots, several types of electrical conductors (in the respective stator slot) are arranged, preferably in such a way that (in the respective stator slot) in an inner region (in particular closer to the stator longitudinal axis) there is a different type of electrical conductor than in an outer area, so that, for example, there is a stranded wire in the inner area and a different type (i.e. not a stranded wire) in the outer area, e.g. solid metal.
  • the order of arrangement and the selection of types of electrical conductors in all or in selected stator slots takes place in the direction from an inner area (oriented to the stator's longitudinal axis) to an outer area according to the expected current density for the respective, at a radial distance from the stator's longitudinal axis located electrical conductor.
  • This will preferably the current displacement changing in the radial direction is taken into account.
  • One or more stranded conductors or twisted strands with, in particular, slot-filling geometry are preferably arranged in or in the direction of the inner region oriented towards the longitudinal axis of the stator (or elsewhere, in particular in the stator slot).
  • solid metal conductors in particular solid profile wire solid copper conductors, are preferably located in the respective stator slots.
  • the stranded conductors can consist of different types of conductors, in particular different materials.
  • the stranded conductors can have a covering based on a solid conductor.
  • This solid conductor or the solid conductor covering can be realized using additive manufacturing (additive printing).
  • the rotating segmented conductors preferably consist of individual conductors with different cross sections that are twisted together, with the switching of the individual conductors being implemented in particular in the winding head in order to reduce direct current losses in particular.
  • At least a subset of the electrical conductors can be designed as so-called hairpins.
  • Röbel ladders consist of several individual conductors that swap places once over the length of the ladder over the course of a full transposition length. This means that each conductor changes its position when the coil is wound. This is particularly important with regard to minimizing AC losses and reducing coupling losses.
  • a Röbel conductor usually covers an extent of several (or very many) full transposition lengths and is able to carry high currents due to a very large number of Röbel individual conductors.
  • the strip conductors mentioned offer advantages in AC-powered machines and include at least two elongated, rigid strip conductor elements with corresponding contact devices for coupling and decoupling electrical current, the strip conductor elements providing a current path and the strip conductor elements being designed as a layer arrangement with electrical insulation in between. Coupling and decoupling of electrical current takes place in particular via a winding head on one or both sides, depending on the type of conductor design in a U or I shape.
  • the strip conductor elements used are preferably stacked one on top of the other and exchange their positions relative to the position in the stack at least once over their conductor length in the course of a full transposition path.
  • the position exchange is realized without twisting or torsion by complementary step changes of the strip conductor elements, preferably carried out by material forming.
  • the cross-sectional surface shape of the strip conductor elements preferably varies.
  • the cross-sectional area content is preferably (largely) constant.
  • the cross-sectional area in the area of the step jumps of the strip conductor elements is preferably adapted to the cross-sectional area content of the remaining sections of the strip conductor elements.
  • the step jumps in particular each have complementary strip conductor element width-side recesses, which interlock as a result of the stack being joined.
  • the corresponding strip conductors preferably comprise a stack arrangement of at least two strip conductor elements with at least two step jumps, the respective ends of the strip conductor elements being electrically connected.
  • the stack arrangement is adapted in particular to the dimensions of the stator slots of the electrical machine.
  • the tape conductors can be part of a rectangular coil and/or a hair pin.
  • the strip conductor elements are preferably stacked in a narrow, gap-free, dense manner and with the interposition of a thin insulating layer and/or form a compact arrangement.
  • the thickness or layer thickness of the insulating layer is preferably (many times) smaller than the thickness of the actual strip conductor elements.
  • the strip conductor elements can consist of a copper or copper alloy material or solid material and/or can be manufactured using additive technology. Aluminum material can also be used.
  • strip conductor elements used according to the invention in a stacked form forming a layer arrangement will be explained in more detail according to an exemplary embodiment and FIGS. 1 and 2.
  • Fig. 1 is a perspective view of a strip conductor device, assembled by bringing together two strip conductor elements according to the invention, which are already provided with an enveloping insulation layer, and
  • Fig. 2 is a side view similar to that of Fig. 1, but with embedding an insulating layer in the joining process of two strip conductor elements with step changes for producing the strip conductor device.
  • the strip conductor device comprises two strip conductor elements 1; 2 that are stacked on top of each other.
  • the strip conductor elements 1; 2 exchange their places in relation to the position in the stack over the course of a full transposition path VS over their conductor length.
  • the strip conductor element 1 is located at the top in the left-hand section according to FIG. 1 and changes its position downwards via a step jump SP.
  • the cross-sectional surface shape of the strip conductor elements 1 varies; 2.
  • the cross-sectional area in the area of the step jumps SP essentially corresponds to the cross-sectional area of the remaining sections of the strip conductor elements 1; 2 is adapted and, if possible, carried out immediately.
  • the step jumps SP each have complementary strip conductor element width-side recesses 3, which interlock as a result of the joining of the gap (see FIG. 1).
  • a strip conductor device with two strip conductor elements 1 results; 2, which are narrow, gap-free and densely stacked, creating a compact arrangement. If uninsulated strip conductor elements 1; 2 are used, then between the strip conductor elements 1; 2 during the process of stacking the strip conductor elements 1 one on top of the other; 2 a thin insulating layer 4 is introduced (see Figure 2).
  • This insulating layer 4 can already be preformed with regard to the contour in the area of the step jumps SP or can also consist of a material that is used when the strip conductor elements 1; 2 whose shape takes on the area of the step jumps.
  • the strip conductor elements 1; 2 can consist of a solid copper or copper alloy material, which is advantageous for more effective and cost-effective production. Using known, preferably used material forming methods, full-surface strip materials with a preferably rectangular cross-section can be deformed in such a way that the step jumps SP that are relevant here are formed and the joining of the strip conductor elements 1; 2 can be carried out automatically in a simple manner to obtain the strip conductor device.
  • An advantage of the strip conductor device presented is, due to the nonlinear conductor structure with step jump, a reduction in the area of contact for a groove transverse field when using the strip conductor device in electrical machines. Furthermore, the current displacement is minimized. By simply adjusting the conductor geometry, it is possible to respond to a different frequency spectrum when operating electrical machines. Any increased current density in the area of the step change can be reduced by geometric adjustment and optimization.
  • FIG. 3 shows a partial cross-sectional view through a stator and an associated rotor section of an electrical machine with an indicated slot stray field (dashed line) and various electrical conductors within a stator slot;
  • FIG. 4 shows a representation of the different current density that occurs as a result of the current displacement in the groove of an electrical machine, with an area of very high current density in the direction of the rotor section and a moderate or lower current density in an area away from the rotor, i.e. in the outer direction;
  • Fig. 5 shows an exemplary embodiment of a selection of types of electrical conductors with the aim of a loss-reduced design of windings, with two layers of stranded conductors close to the rotor, that is to say inwards, followed by two layers of rotating segmented conductors, followed again outwards by two layers of solid ladders are available;
  • Fig. 6 again shows a basic cross-sectional view of an arrangement of electrical conductors from an inner area in the direction of the rotor to the outside with two layers of stranded conductors on the inside, followed by stacked strip conductors forming a layer arrangement and these in turn followed by electrical conductors in the form of solid conductors.
  • Figures 3 to 6 represent part of the cross section of a stator for an electrical machine.
  • An exemplary groove 11 is formed in this stator 10, which receives electrical conductors 12, which are part of a winding.
  • the resulting current density in the respective groove 11 is symbolized using the cross-sectional representation according to FIG. Close to rotor 13, that is, in In the direction of an imaginary stator longitudinal axis, a high current density load 14 is to be expected. There is a moderate current density 15 in the middle range. In the outer region 16, the current density load is low to uncritical.
  • the current density distribution according to FIG. 4 results from typical commonly used solid conductors with mutual insulation (indicated in the figures) and corresponding connection in a winding head, not shown.
  • a special order of arrangement and a selection of types of electrical conductors in the stator slots 11 are now carried out by way of example, as shown in the cross-sectional view according to FIGS. 5 and 6.
  • the arrangement of stranded conductors 17 is first carried out towards the interior of the area oriented towards the stator's longitudinal axis (not shown).
  • stranded conductors 17 are followed by a section with rotating segmented conductors 18, followed outwards by solid conductors 19.
  • the stranded conductors which have a groove-shaped geometry, are followed by strip conductors, designed as stacked electrical conductors forming a layer arrangement 20.
  • the rotating segmented conductors 18 are individual conductors twisted together with different cross-sectional sections, with the switching of the individual conductors preferably being implemented in the winding head.
  • the strip conductors are conductors which consist of strip conductor elements stacked on top of each other and which exchange their positions in relation to the position in the stack at least once over their conductor length in the course of a full transposition path, the position exchange being carried out without twisting or torsion by complementary means, preferably by means of material forming Increments of the strip conductor elements are realized.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen elektrischen Motor oder Generator mit einem Statorkern, welcher eine Vielzahl von Statornuten aufweist, wobei in den Statornuten eine Wicklung bildende, elektrische Leiter angeordnet sind und mindestens einen Teil des Stators, insbesondere ein die elektrischen Leiter verbindender Wicklungskopf mittels eines Verfahrens der additiven Fertigung realisiert und die elektrischen Leiter in einer jeweiligen Statornut in einem Querschnitt des Stators in radialer Richtung und sich in Längsrichtung erstreckend eingesetzt sind. Erfindungsgemäß ist eine spezielle Reihenfolge der Anordnung und eine Auswahl von Typen der elektrischen Leiter in Richtung von einem Inneren, zur Statorlängsachse orientierten Bereich zu einem äußeren Bereich vorgesehen.

Description

Stator für eine elektrische Maschine
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen elektrischen Motor oder Generator mit einem Statorkern. Der Statorkern weist vorzugsweise eine Vielzahl von Statornuten auf, wobei in den Statornuten eine Wicklung bildende, elektrische Leiter angeordnet sind und mindestens ein Teil des Stators, insbesondere ein den elektrischen Leiter verbindender Wicklungskopf mittels eines Verfahrens zur additiven Fertigung realisiert ist. Die elektrischen Leiter sind vorzugsweise in einer jeweiligen Statornut in einem Querschnitt des Stators in radialer Richtung und sich in Längsrichtung erstreckend eingesetzt.
Aus der DE 10 2021 119 405 Al ist ein Stator für eine elektrische Maschine, ein Statorkühlsystem und ein Verfahren zum Kühlen eines Stators vorbekannt.
Ein Statorkern weist mindestens eine Statornut auf, in der mindestens zwei, vorzugsweise mindestens vier, elektrische Leiter angeordnet sind, wobei zumindest ein Teil des Stators mittels eines Verfahrens zur additiven Fertigung hergestellt ist. Bei insbesondere leistungsfähigen Motoren fließen relativ hohe elektrische Ströme in den Leitern des elektrischen Motors. Dies führt dazu, dass aufgrund des spezifischen Widerstandes des Leitermaterials und beispielsweise des Skin-Effektes oder von Proximity- Effekten bei Wechselstrombetrieb Wärme erzeugt wird und der Wirkungsgrad der Maschine sinkt.
Im Bereich von Hochleistungsmotoren, beispielsweise bei deren Einsatz in Antriebssträngen von Elektrofahrzeugen, ist es daher erforderlich, für eine geeignete Statorkühlung Sorge zu tragen.
Ein bekannter Ansatz zum Kühlen besteht darin, die elektrischen Leiter des Stators mit einem Wärmeleitkörper zu umgeben. Eine weitere Möglichkeit wird mittels des Verfahrens zur additiven Fertigung geschaffen, wobei bei einer vorbestimmten Anzahl von elektrischen Leitern jeweils mindestens ein mit einem Kühlfluid beaufschlagbarer Kühlkanal ausgestaltet ist, wobei mindestens zwei oder mindestens vier Kühlkanäle, die nicht durch denselben elektrischen Leiter ausgebildet werden, fluidisch parallel geschalten sind.
Die elektrischen Leiter gemäß DE 10 2021 119 405 Al können als einzelne Windungsleiter einer Wicklung, vorzugsweise als einzelne Windungsleiter einer Spule bzw. sogenannte I-Pins oder als U-Pins bzw. Hairpins ausgestaltet sein. Die elektrischen Leiter einer Statornut sind insbesondere in einem Querschnitt senkrecht zu einer zentralen Achse des Stators in einer radialen Richtung des Stators angeordnet, wobei die elektrischen Leiter, die in einem inneren Bereich bezogen auf die radiale Richtung des Stators angeordnet sind, die vorerwähnten Kühlkanäle aufweisen. Hierdurch ist es möglich, Kühlleistung direkt dort einzubringen und als Wärmesenke zu dienen, wo die Wärmeentwicklung in der Statornut am Größten ist.
Die WO 2023/006612 Al bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Stators, umfassend eine Wicklung, vorzugsweise eine Hairpin-Wicklung für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor oder einen Generator. Aufgabe ist es, die thermische aber auch die elektrische Verlustleistung im Stator zu reduzieren und den Bauraum für den Stator zu verringern.
Hierfür erfolgt ein Einbringen, insbesondere ein Einstecken von Wicklungsgrundkörpern in Statornuten und ein additives Aufbringen zumindest eines Abschnittes eines Wicklungskopfes, insbesondere mittels schichtweisen Aufbringen eines Aufbaumaterials und örtlich selektives Verfestigen dieses Aufbaumaterials durch eine Bestrahlung. Der Wicklungskopf weist diesbezüglich Verbindungselemente auf, die durch ein additives Verfahren hergestellt sind. Die Hülle und damit der Bauraum des Wicklungskopfes kann reduziert bzw. minimiert werden. Durch diese Technologie können bei ansonsten durch Schweißen auftretende Materialveränderungen und Kontaktprobleme verringert bzw. vermieden werden. Die Wicklungsgrundkörper können hinsichtlich ihres Verlaufes und/oder ihrer Querschnitte variiert und in variabler Weise mit dem Wicklungskopf kombiniert werden. In einer dortigen Ausführungsform werden für niedrige Frequenzen die Querschnittsflächen einzelner Wicklungsgrundkörper maximiert. Hier kann eine Statornut in nebeneinander in Axialrichtung verlaufende Segmente aufgeteilt sein, wobei der entsprechende Wicklungsgrundkörper das jeweilige Segment zumindest im Wesentlichen vollständig ausfüllt. Für hohe Frequenzen kann der Querschnitt eines oder jedes Wicklungsgrundkörpers in zumindest zwei oder drei Teilquerschnitte aufgeteilt werden, die voneinander isoliert sind, insbesondere um die zum Beispiel durch Skin-Effekte entstehende Stromverdrängung im Inneren des Leiters zu reduzieren und so die Wirbelstromverluste zu verringern.
Grundsätzlich ist es bekannt, dass die Stromverdrängung in der Nut einer elektrischen Maschine, die mit den entsprechenden elektrischen Leitern als Bestandteil einer Wicklung versehen ist, unterschiedlich ausfällt. Dies hängt zum einen von der Betriebsart der entsprechenden Maschine sowie zum anderen von elektrischphysikalischen Mechanismen, wie dem sogenannten Skin-Effekt, dem Proximity- Effekt und aber auch Wirbelströmen ab. Die Stromverdrängung nimmt mit steigender Frequenz und steigender Flussdichte zu. Für High-Performance Maschinen müssen auch derartige Verluste an sich minimiert und nicht nur in ihren Auswirkungen durch Kühlung unterdrückt werden.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten Stator für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Motor oder einen Generator anzugeben, welcher die Voraussetzungen schafft, einen energieeffizienten Betrieb einer entsprechend ausgestalteten Maschine zu erreichen bzw. sicherzustellen, wobei insbesondere der Anstieg von Wicklungsverlusten reduziert und die thermische Belastung der eingesetzten elektrischen Leiter und deren Isolation deutlich verringert wird.
Hierbei kommen die auf die Anmelderin zurückgehenden Erkenntnisse der Ausbildung von über der Aktivlänge miteinander verdrillten Teilleitern zur Aufteilung des Querschnittes im Sinne der Reduzierung des Skin-Effekts sowie zur Verhinderung von Schlingströmen ebenso zum Einsatz wie der Gedanke, das Verdrillen und Umschichten der Teilleiter aus dem Aktivbereich heraus in den Bereich des Wicklungskopfes zu verlagern, was insbesondere durch eine additive Fertigungstechnologie möglich wird. Durch diese Maßnahme kann die Nutfläche, insbesondere der Nutquerschnitt, optimal ausgenutzt und eine Reduktion von Gleichstromverlusten erfolgen.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen Stator gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Es wird demnach von einem Stator für eine elektrische Maschine ausgegangen. Hierbei handelt es sich bevorzugt um einen Stator für einen elektrischen Motor oder einen elektrischen Generator mit einem Statorkern. Der Statorkern umfasst ein Blechpaket und eine vergleichbare Ausbildung mit einer Vielzahl von Statornuten.
In den Statornuten sind, eine Wicklung bildende, elektrische Leiter angeordnet. Mindestens ein Teil des Stators, insbesondere ein die elektrischen Leiter verbindender Wicklungskopf ist mittels einem an sich bekannten Verfahren zur additiven Fertigung realisiert. Die elektrischen Leiter sind in einer jeweiligen Statornut in einem Querschnitt des Stators in radialer Richtung und sich in Längsrichtung erstreckend eingesetzt. In allen oder in ausgewählten Statornuten sind mehrere Typen von elektrischen Leitern (in der jeweiligen Statornut) angeordnet, vorzugsweise so, dass sich (in der jeweiligen Statornut) in einem inneren (insbesondere der Statorlängsachse näheren) Bereich ein anderer Typ eines elektrischen Leiters befindet als in einem äußeren Bereich, so dass sich beispielsweise in dem inneren Bereich eine Litze befindet und in dem äußeren Bereich ein anderer Typ (also keine Litze), z.B. Massivmetall.
Vorzugsweise erfolgt die Reihenfolge der Anordnung und die Auswahl von Typen der elektrischen Leiter in allen oder in ausgewählten Statornuten in Richtung von einem inneren (zur Statorlängsachse orientierten) Bereich zu einem äußeren Bereich nach zu erwartender Stromdichte für den jeweiligen, sich im radialen Abstand von der Statorlängsachse befindlichen elektrischen Leiter. Hierbei wird vorzugsweise die sich in radialer Richtung ändernde Stromverdrängung berücksichtigt.
Vorstehendes bedeutet insbesondere, dass in radialer Richtung in den jeweiligen Nuten nicht elektrische Leiter grundsätzlicher gleicher Bauart oder eines gleichen Typs, sondern spezifizierte Typen eingesetzt werden bzw. Verwendung finden.
Vorzugsweise im bzw. in Richtung des inneren, zur Statorlängsachse orientierten Bereichs (oder an anderer Stelle, insbesondere in der Statornut) sind bevorzugt ein oder mehrere Litzenleiter bzw. verdrillte Litze mit insbesondere nutfüllender Geometrie angeordnet.
Insbesondere dem oder den Litzenleitern in radialer Richtung nach außen folgend (oder an anderer Stelle, insbesondere in der Statornut), befinden sich vorzugsweise rotierend sementierte Leiter und/oder gestapelte, eine Schichtanordnung bildende Bandleiter. Diese sind funktional insbesondere mit einem Röbelstab vergleichbar.
Insbesondere radial außenseitig (oder an anderer Stelle, insbesondere in der Statornut) sind in den jeweiligen Statornuten vorzugsweise Massivmetall-, insbesondere Profildraht-Massivkupferleiter, befindlich.
Die Litzenleiter können aus unterschiedlichen Leitertypen, insbesondere unterschiedlichen Materialien bestehen.
Die Litzenleiter können in einer Ausgestaltung eine Umhüllung auf der Basis eines Massivleiters aufweisen. Dieser Massivleiter bzw. die Massivleiterumhüllung kann mittels additiver Herstellung (additivem Druck) realisiert werden.
Die rotierend segmentierten Leiter bestehen vorzugsweise aus miteinander verdrillten Einzelleitern mit unterschiedlichen Querschnitten, wobei die Verschaltungsumschichtung der Einzelleiter insbesondere im Wicklungskopf realisiert ist, um insbesondere Gleichstromverluste zu reduzieren.
Mindestens eine Teilmenge der elektrischen Leiter können als sogenannte Hairpins ausgeführt werden. Ebenso besteht alternativ oder zusätzlich die Möglichkeit, Röbelleiter einzusetzen, welche aus mehreren Einzelleitern bestehen, die über der Leiterlänge im Verlauf einer Volltranspositionslänge ihre Plätze einmal durchtauschen. Hierdurch wechselt jeder Leiter bei einer gewickelten Spule seine Position. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Minimierung von Wechselstromverlusten und die Reduktion von Kopplungsverlusten von Bedeutung. Ein Röbelleiter umfasst üblicherweise eine Ausdehnung von mehreren (bzw. sehr vielen) Volltranspositionslängen und ist durch eine sehr große Anzahl von verröbelten Einzelleitern in der Lage, hohe Ströme zu tragen.
Die erwähnten Bandleiter bieten Vorteile bei Wechselstrom-gespeisten Maschinen und umfassen mindestens zwei langgestreckten, starren Bandleiterelementen mit entsprechenden Kontakteinrichtungen zur Einkopplung und Auskopplung von elektrischem Strom, wobei die Bandleiterelemente einen Strompfad bereitstellen und die Bandleiterelemente als Schichtanordnung mit dazwischen befindlicher elektrischer Isolierung ausgeführt sind. Ein- und Auskopplung von elektrischem Strom erfolgt insbesondere über einen einseitigen oder beidseitig vorhandenen Wicklungskopf, je nach Art der Ausführung der Leiter in U- oder I-Form.
Die eingesetzten Bandleiterelemente sind vorzugsweise übereinander gestapelt und tauschen über ihre Leiterlänge im Verlauf einer Volltranspositionsstrecke ihre Plätze bezogen auf die Lage im Stapel mindestens einmal. Vorzugsweise wird der Lagetausch verdrill- und verdrehungsfrei durch komplementäre, bevorzugt mittels Materialumformung ausgeführter Stufensprünge der Bandleiterelemente realisiert.
Im Bereich der Stufensprünge variiert die Querschnittsflächenform der Bandleiterelemente vorzgusweise. Jedoch ist im Bereich der Stufensprünge bei variierender Querschnittsflächenform der Querschnittsflächeninhalt vorzugsweise (weitgehend) gleichbleibend.
Der Querschnittsflächeninhalt im Bereich der Stufensprünge der Bandleiterelemente ist vorzugsweise dem Querschnittsflächeninhalt der übrigen Abschnitte der Bandleiterelemente angepasst.
Die Stufensprünge weisen insbesondere jeweils komplementäre, Bandleiterelemente breitenseitige Rücksprünge auf, welche im Ergebnis des Fügens des Stapels ineinandergreifen. Die entsprechenden Bandleiter umfassen vorzugsweise eine Stapelanordnung von mindestens zwei Bandleiterelementen mit mindestens zwei Stufensprüngen, wobei die jeweiligen Enden der Bandleiterelemente elektrisch verbunden sind.
Die Stapelanordnung ist hinsichtlich ihrer Abmessungen in Länge und Querschnitt insbesondere an die Dimensionen der Statornuten der elektrischen Maschine angepasst. Die Bandleiter können hier Bestandteil einer Rechteckspule und/oder eines Hair-Pins sein.
Die Bandleiterelemente liegen vorzugsweise flächig eng, spaltfrei, dicht und unter Zwischenanordnung einer dünnen Isolierschicht gestapelt vor und/oder bilden eine kompakte Anordnung.
Die Dicke oder die Schichtstärke der Isolierschicht ist vorzugsweise (um ein Vielfaches) kleiner als die Dicke der eigentlichen Bandleiterelemente.
Die Bandleiterelemente können aus einem Kupfer- oder Kupferlegierungsmaterial bzw. Vollmaterial bestehen und/oder mittels additiver Technologie gefertigt werden. Auch ist Aluminiummaterial verwendbar.
Die erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Bandleiterelemente in gestapelter, eine Schichtanordnung bildender Form sollen gemäß einem Ausführungsbeispiel und den Figuren 1 und 2 näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Bandleitervorrichtung, gefügt durch Zusammenführen von zwei erfindungsgemäßen Bandleiterelementen, die bereits mit einer umhüllenden Isolationsschicht versehen sind, und
Fig. 2 eine Seitenansicht ähnlich derjenigen nach Fig. 1, jedoch mit Einbetten einer Isolierschicht im Fügeprozess zweier Bandleiterelemente mit Stufensprüngen zur Herstellung der Bandleitervorrichtung.
Die Bandleitervorrichtung gemäß den Figuren umfasst zwei Bandleiterelementen 1; 2, die übereinandergestapelt sind. Die Bandleiterelemente 1; 2 tauschen über ihre Leiterlänge im Verlauf einer Volltranspositionsstrecke VS ihre Plätze bezogen auf die Lage im Stapel.
Im gezeigten Beispiel befindet sich das Bandleiterelement 1 im linksseitigen Abschnitt nach Figur 1 oben und wechselt über einen Stufensprung SP seine Lage nach unten.
Umgekehrt verhält es sich mit dem Bandleiterabschnitt 2, das seine Lage von unten über den Stufensprung SP nach oben gemäß der figürlichen Darstellung nach Figur 1 wechselt.
Aus der figürlichen Darstellung ist ersichtlich, dass der Lagetausch der Bandleiterelemente verdrill- und verdrehungsfrei durch komplementäre, zum Beispiel mittels Materialumformung ausgeführte Stufensprünge SP der Bandleiterelemente realisiert ist.
Im Bereich der Stufensprünge SP variiert die Querschnittsflächenform der Bandleiterelemente 1; 2.
Durch Ausformung im Bereich der Stufensprünge SP gelingt es, bei variierender Querschnittsflächenform den Querschnittsflächeninhalt (weitgehend) gleichbleibend zu gestalten, so dass strombedingte Hotspots vermieden werden können.
Es liegt im Sinne der Erfindung, dass der Querschnittsflächeninhalt im Bereich der Stufensprünge SP im Wesentlichen dem Querschnittsflächeninhalt der übrigen Abschnitte der Bandleiterelemente 1; 2 angepasst ist und nach Möglichkeit gleich ausgeführt wird.
Die Stufensprünge SP weisen jeweils komplementäre, Bandleiterelementebreitenseitige Rücksprünge 3 auf, welche im Ergebnis des Fügens des Spaltes (siehe Figur 1) ineinandergreifen.
Im Ergebnis des Zusammenfügens der Bandleiterelemente 1; 2, bevorzugt mit einer maschinellen Einrichtung, ergibt sich ausgehend von einer Betrachtung der Figur 1 von rechts nach links eine Bandleitervorrichtung mit zwei Bandleiterelementen 1; 2, die flächig eng, spaltfrei und dicht gestapelt sind, so dass eine kompakte Anordnung entsteht. Wenn unisolierte Bandleiterelemente 1; 2 Verwendung finden, dann wird zwischen den Bandleiterelementen 1; 2 beim Vorgang des Übereinanderstapelns der Bandleiterelemente 1; 2 eine dünne Isolierschicht 4 eingebracht (siehe Figur 2).
Diese Isolierschicht 4 kann im Hinblick auf die Kontur im Bereich der Stufensprünge SP bereits vorgeformt sein oder aber auch aus einem solchen Material bestehen, das beim Zueinanderführen und Fügen der Bandleiterelemente 1; 2 deren Form im Bereich der Stufensprünge annimmt.
Die Bandleiterelemente 1; 2 können aus einem Kupfer- oder Kupferlegierungsvollmaterial bestehen, was für eine effektivere und kostengünstige Fertigung von Vorteil ist. Durch an sich bekannte, bevorzugt zur Anwendung kommende Verfahren der Materialumformung können Vollflächenbandmaterialien mit bevorzugt rechteckigem Querschnitt so verformt werden, dass sich die hier maßgeblichen Stufensprünge SP ausbilden und das Fügen der Bandleiterelemente 1; 2 zum Erhalten der Bandleitervorrichtung in einfacher Weise automatisiert durchführbar ist.
Ein Vorteil der vorgestellten Bandleitervorrichtung besteht aufgrund der nichtlinearen Leiterstruktur mit Stufensprung in einer Verringerung der Angriffsfläche für ein Nutquerfeld beim Einsatz der Bandleitervorrichtung in elektrischen Maschinen. Weiterhin wird die Stromverdrängung minimiert. Durch eine einfache Anpassung der Leitergeometrie kann auf ein unterschiedliches Frequenzspektrum beim Betrieb elektrischer Maschinen reagiert werden. Eine gegebenenfalls erhöhte Stromdichte im Bereich des Stufensprungs ist durch eine geometrische Anpassung und Optimierung reduzierbar.
Vergleicht man die Kupferverluste in Abhängigkeit zur Leitergeometrie ausgehend von bekannten verdrillten Leiterstrukturen mit Kupferverlusten der erfindungsgemäßen Bandleitervorrichtung, dann ist der frequenzabhängige Anstieg von Verlusten beim Einsatz einer Bandleitervorrichtung mit Stapelanordnung von Bandleiterelementen und Stufensprung, insbesondere bei höheren Frequenzen zwischen 600 und 1000 Hertz deutlich reduziert.
Die Ausbildung der Reihenfolge der Anordnung und die Auswahl von Typen elektrischer Leiter soll anhand des nachstehenden Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Figuren 3 bis 6 näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
Fig. 3 eine Teilquerschnittsdarstellung durch einen Stator und einen zugeordneten Rotorabschnitt einer elektrischen Maschine mit angedeuteten Nutstreufeld (gestrichelte Linie) und verschiedenen elektrischen Leitern innerhalb einer Statornut;
Fig. 4 eine Darstellung der infolge der Stromverdrängung in der Nut einer elektrischen Maschine sich einstellender unterschiedlicher Stromdichte mit einem Bereich sehr hoher Stromdichte in Richtung des Rotorabschnittes und einer moderaten bzw. geringeren Stromdichte in einem Bereich entfernt vom Rotor, das heißt in Außenrichtung;
Fig. 5 eine beispielhafte Ausführungsform einer Auswahl von Typen von elektrischen Leitern mit dem Ziel einer verlustreduzierten Ausgestaltung von Wicklungen, wobei rotornah, das heißt nach innen, zwei Lagen von Litzenleitern, gefolgt von zwei Lagen rotierend segmentierter Leiter wiederum nach außen gefolgt von zwei Lagen von Massivleitern vorhanden ist; und
Fig. 6 wiederum eine Prinzip-Querschnittsdarstellung einer Anordnung von elektrischen Leitern von einem inneren Bereich in Richtung Rotor nach außen mit innenseitig zwei Lagen von Litzenleitern, gefolgt von gestapelten, eine Schichtanordnung bildenden Bandleitern und diese wiederum gefolgt von elektrischen Leitern in Form von Massivleitern.
Die Figuren 3 bis 6 stellen einen Teil des Querschnittes eines Stators für eine elektrische Maschine dar. In diesem Stator 10 ist eine beispielhafte Nut 11 ausgebildet, welche elektrische Leiter 12 aufnimmt, die Bestandteil einer Wicklung sind.
Gestrichelt ist der Verlauf des sich ergebenden Nutstreufeldes angedeutet. Ein Teil eines Rotors 13 einer elektrischen Maschine ist entsprechend symbolisch angedeutet.
Die resultierende Stromdichte in der jeweiligen Nut 11 wird anhand der Querschnittsdarstellung nach Figur 4 symbolisiert. Nahe zum Rotor 13, das heißt in Richtung einer gedachten Statorlängsachse, ist mit einer hohen Stromdichtebelastung 14 zu rechnen. Im mittleren Bereich liegt eine moderate Stromdichte 15 vor. Im äußeren Bereich 16 ist die Stromdichtebelastung gering bis unkritisch.
Die Stromdichteverteilung nach Figur 4 ergibt sich bei typischen üblicherweise eingesetzten Massivleitern mit gegenseitiger (in den Figuren angedeuteter) Isolation und entsprechender Verschaltung in einem nicht dargestellten Wicklungskopf. Gemäß dem erfindungsgemäßen Ansatz wird nun beispielhaft, wie in der Querschnittsdarstellung nach Figur 5 und 6 gezeigt, eine besondere Reihenfolge der Anordnung und eine Auswahl von Typen elektrischer Leiter in den Statornuten 11 vorgenommen. Bei der Darstellung nach den Figuren 5 und 6 wird zunächst zum Inneren zur (nicht gezeigten) Statorlängsachse orientierten Bereich die Anordnung von Litzenleitern 17 vorgenommen.
Diesen Litzenleitern 17 folgt ein Abschnitt mit rotierend segmentierten Leitern 18, nach außen gefolgt von Massivleitern 19. Bei der Ausführungsform nach Figur 6 folgen den Litzenleitern, welche ein nutförmige Geometrie aufweisen, Bandleiter, ausgebildet als gestapelte, eine Schichtanordnung 20 bildende elektrische Leiter.
Diesen Bandleitern folgen wiederum Massivleiter 19.
Bei den rotierend segmentierten Leitern 18 handelt es sich um miteinander verdrillte Einzelleiter mit unterschiedlichen Querschnittsabschnitten, wobei die Verschaltungsumschichtung der Einzelleiter bevorzugt im Wicklungskopf realisiert ist.
Bei den Bandleitern handelt es sich um Leiter, die aus übereinander gestapelten Bandleiterelementen bestehen und die über ihre Leiterlänge im Verlauf einer Volltranspositionsstrecke ihre Plätze bezogen auf die Lage im Stapel mindestens einmal tauschen, wobei der Lagetausch verdrill- und verdrehungsfrei durch komplementäre, bevorzugt mittels Materialumformung ausgeführter Stufensprünge der Bandleiterelemente realisiert ist.
Alle vorerwähnten unterschiedlichen Leitertypen können frei von Schweiß- oder Crimpverbindungen im Wickelkopf durch additive Drucktechnologie elektrisch kontaktiert und verlustfrei verschalten werden. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass ein möglichst breiter Schutzumfang angestrebt wird. Insofern kann die in den Ansprüchen enthaltene Offenbarung auch durch Merkmale präzisiert werden, die mit weiteren Merkmalen beschrieben werden (auch ohne, dass diese weiteren Merkmale zwingend aufgenommen werden sollen). Explizit wird darauf hingewiesen, dass runde Klammern und der Begriff „insbesondere" im jeweiligen Kontext die Optionalität von Merkmalen hervorheben soll (was nicht im Umkehrschluss bedeuten soll, dass ohne derartige Kenntlichmachung ein Merkmal als im entsprechenden Zusammenhang zwingend zu betrachten ist).

Claims

Ansprüche Stator (10) für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen elektrischen Motor oder Generator mit einem Statorkern, welcher eine Vielzahl von Statornuten (11) aufweist, wobei in den Statornuten (11) eine Wicklung bildende, elektrische Leiter (12) angeordnet sind und mindestens einen Teil des Stators (10), insbesondere ein die elektrischen Leiter (12) verbindender Wicklungskopf, mittels eines Verfahrens zur additiven Fertigung realisiert ist und die elektrischen Leiter (12) in eine jeweilige Statornut (11) in einem Querschnitt des Stators (10) in radialer Richtung und sich in Längsrichtung erstreckend, eingesetzt sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Reihenfolge der Anordnung und die Auswahl von Typen der elektrischen Leiter (12) in allen oder ausgewählten Statornuten (11) in Richtung von einem Inneren, zur Statorlängsachse orientierten Bereich zu einem äußeren Bereich nach zu erwartender Stromdichte für den jeweiligen sich in radialem Abstand von der Statorlängsachse befindlichen elektrischen Leiter (12) erfolgt und hierbei die sich in radialer Richtung ändernde Stromverdrängung berücksichtigt ist. Stator nach Anspruch 1, dad u rch geken nzeich net, dass in Richtung des Inneren, zur Statorlängsachse orientierten Bereiches ein oder mehrere Litzenleiter (17) mit nutfüllender Geometrie eingesetzt sind. Stator nach Anspruch 2, dad u rch geken nzeich net, dass dem Litzenleiter (17) in radialer Richtung nach außen sich rotierend segmentierte Leiter (18) oder gestapelte, eine Schichtanordnung bildende Bandleiter (20) anschließen. Stator nach Anspruch 2 oder 3, dad u rch geken nzeich net, dass radial außenseitig in den jeweiligen Statornuten (11) Massivmetall-, insbesondere Massivkupferleiter (19) befindlich sind. Stator nach Anspruch 2, dad u rch geken nzeich net, dass die Litzenleiter (17) aus unterschiedlichen Leitermaterialtypen bestehen. Stator nach Anspruch 2 oder Anspruch 5, dad u rch geken nzeich net, dass die Litzenleiter (17) eine Umhüllung auf der Basis eines Massivleiters aufweisen. Stator nach Anspruch 6, dad u rch geken nzeich net, dass die Massivleiterumhüllung durch additiven Druck gebildet ist. Stator nach Anspruch 3, dad u rch geken nzeich net, dass die rotierend segmentierten Leiter (18) aus miteinander verdrillten Einzeldrähten mit unterschiedlichen Querschnitten bestehen, wobei die Verschaltungsumschichtung der Einzelleiter im Wicklungskopf realisiert ist. Stator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass mindestens Teilmengen der elektrischen Leiter als Hair-Pins ausgeführt sind. Stator nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dad u rch geken nzeich net, dass die Bandleiter (20) aus langgestreckten, starren Bandleiterelementen (1; 2) bestehen, wobei die Bandleiterelemente (1; 2) übereinander gestapelt sind und über ihre Leiterlänge im Verlauf einer Volltranspositionsstrecke (VS) ihre Plätze bezogen auf die Lage im Stapel mindestens einmal tauschen, weiterhin der Lagetausch verdrill- und verdrehungsfrei durch komplementäre, bevorzugt mittels Materialumformung ausgeführter Stufensprünge (SP) der Bandleiterelemente (1; 2) realisiert ist. Stator nach Anspruch 10, dad u rch geken nzeich net, dass im Bereich der Stufensprünge (SP) die Querschnittsflächenform der Bandleiterelemente (1; 2) variiert. Stator nach Anspruch 11, dad u rch geken nzeich net, dass im Bereich der Stufensprünge (SP) bei variierender Querschnittsflächenform der Querschnittsflächeninhalt weitgehend gleichbleibend ist. Stator nach Anspruch 12, dad u rch geken nzeich net, dass der Querschnittsflächeninhalt im Bereich der Stufensprünge (SP) dem Querschnittsflächeninhalt der übrigen Abschnitte der Bandleiterelemente (1; 2) angepasst ist. Stator nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dad u rch geken nzeich net, dass die Stufensprünge jeweils komplementäre, Bandleiterelemente- breitenseitige Rücksprünge (3) aufweisen, welche im Ergebnis des Fügens des Stapels ineinandergreifen. Stator nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dad u rch geken nzeich net, dass die Stapelanordnung mindestens zwei Bandleiterelemente (1; 2) mit mindestens zwei Stufensprüngen (SP) umfasst, wobei die jeweiligen Enden der Bandleiterelemente (1; 2) elektrisch verbunden sind. Stator nach Anspruch 15, dad u rch geken nzeich net, dass die Stapelanordnung hinsichtlich ihrer Abmessungen in Länge und Querschnitt an die Dimensionen von Nuten im Stator (10) der elektrischen Maschine angepasst ist. Stator nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dad u rch geken nzeich net, dass die Stapelanordnung Bestandteil einer Rechteckspule oder eines Hair-Pins ist. Stator nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dad u rch geken nzeich net, dass die Bandleiterelemente (1; 2) flächig eng, spaltfrei, dicht und unter Zwischenanordnung einer dünnen Isolierschicht (4) gestapelt sind und eine kompakte Anordnung bilden. Stator nach Anspruch 18, dad u rch geken nzeich net, dass die Dicke oder die Schichtstärke der Isolierschicht (4) um ein Vielfaches kleiner als die Dicke der Bandleiterelemente (1; 2) ist. Stator nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dad u rch geken nzeich net, dass die Bandleiterelemente (1; 2) aus einem Kupfer- oder Kupferlegierungsvollmaterial bestehen oder mittels additiver Technologie gefertigt sind. Stator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dad u rch geken nzeich net, dass alle unterschiedlichen Leitertypen frei von Schweiß- oder Crimpverbindungen im Wicklungskopf durch additive Drucktechnologie elektrisch kontaktiert und verschalten sind.
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