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Die Erfindung betrifft einen Stator mit einer bandförmigen Wicklungseinheit für eine Statorwicklung mit einem ersten und zweiten Wicklungsleiter, wobei beide Wicklungsleiter in einer ersten und einer zweiten Lage der Wicklungseinheit geführt sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Wickelverfahren für einen derartigen Stator.
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Bandförmige Wicklungseinheiten werden beispielsweise zur Herstellung von Stabwellenwicklungen elektrischer Maschinen verwendet und ermöglichen eine effiziente Herstellung größerer Stückzahlen solcher Maschinen. Die bandförmigen Wicklungseinheiten werden in der Regel vorgefertigt und entsprechen Teilen einer zu fertigenden Statorwicklung. Die vorgefertigten Wicklungseinheiten werden typischerweise einzeln in die Nuten eines Statorkerns eingebracht, und nach dem Einbringen miteinander verbunden, um die Statorwicklung zu bilden.
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Beispiele derartiger Wicklungseinheiten sind aus der
US 8 779 643 B2 , der
US 7 386 931 B2 , der
US 7 269 888 B2 und der
US 7 365 467 B2 bekannt. Diese bandförmigen Wicklungseinheiten umfassen mehrere gerade in einer Querrichtung der Wicklungseinheit verlaufende Nutabschnitte, die zueinander parallel angeordnet sind. Dies geraden Nutabschnitte können dann zur Bildung einer Statorwicklung in Nuten eines Statorkerns eingebracht werden. Die Wicklungseinheit umfasst zudem mehrere erste gekrümmte Endabschnitte auf, die jeweils zwei Nutabschnitte miteinander verbinden und auf einer ersten Längsseite der Wicklungseinheit angeordnet sind, und mehrere zweite gekrümmte Endabschnitte, die jeweils zwei Nutabschnitte miteinander verbinden und auf einer der ersten Längsseite gegenüberliegenden, zweiten Längsseite der Wicklungseinheit angeordnet sind. Durch diese gekrümmten Endabschnitte kann ein wellenförmiger Verlauf des Wicklungsleiters erhalten werden. Aufgrund dieser Geometrie werden Wicklungen mit derartigen Wicklungseinheiten auch als Wellenwicklung bezeichnet.
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Die bekannten Wicklungseinheiten sind oftmals sehr lang, so dass sie sich mehrfach um den Umfang des Stators erstrecken. Hiermit geht ein hoher Fertigungsaufwand einher. Ein weiterer Nachteil der bekannten Wicklungseinheiten ist darin zu sehen, dass diese in der Regel eine Vielzahl von Lagen aufweisen, wodurch die weitere Verarbeitung, insbesondere das Einbringen der Wicklungseinheiten in den Statorkern erschwert wird.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, den Aufwand bei der Fertigung elektrischer Maschinen zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Stator mir einer bandförmigen Wicklungseinheit mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch ein Wickelverfahren für einen Stator einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Die erfindungsgemäße bandförmige Wicklungseinheit für eine Statorwicklung umfasst einen ersten und einen zweiten Wicklungsleiter, beide Wicklungsleiter in einer ersten und einer zweiten Lage der Wicklungseinheit geführt sind. Unter der ersten und zweiten Lage ist in diesem Zusammenhang die jeweilige vertikale Lage der Wicklungsleiter zu verstehen, die sich ergibt, wenn die bandförmige Wicklungseinheit auf einer horizontalen Ebene positioniert ist und demnach außerhalb des Stators. Beide Wicklungsleiter umfassen mehrere gerade in einer Querrichtung der Wicklungseinheit verlaufende Nutabschnitte, die zueinander parallel angeordnet sind, sowie mehrere erste gekrümmte Endabschnitte, die jeweils zwei Nutabschnitte des zugehörigen Wicklungsleiters miteinander verbinden und auf einer ersten Längsseite der Wicklungseinheit angeordnet sind, und mehrere zweite gekrümmte Endabschnitte, die jeweils zwei Nutabschnitte des zugehörigen Wicklungsleiters miteinander verbinden und auf einer der ersten Längsseite gegenüberliegenden, zweiten Längsseite der Wicklungseinheit angeordnet sind.
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Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Wicklungseinheit liegt darin, dass die ersten und zweiten gekrümmten Endabschnitte jeweils einen Nutabschnitt des zugehörigen Wicklungsleiters in der ersten Lage und einen Nutabschnitt des zugehörigen Wicklungsleiters in der zweiten Lage miteinander verbinden. Wenn die bandförmige Wicklungseinheit auf einer horizontalen Ebenen Fläche angeordnet ist, verbinden die ersten und zweiten gekrümmten Endabschnitte jeweils einen Nutabschnitt der unteren Lage mit einem Nutabschnitt der oberen Lage.
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Wichtig im Zusammenhang mit der Erfindung ist, dass die Lage nicht mit der Radialposition der Nutabschnitte in den Statornuten zu verwechseln ist. Die Lage definiert grundsätzlich die vertikale Position der Nutabschnitte einer bandförmigen Wicklungseinheit außerhalb des Stators, wenn die Wicklungseinheit sich vertikal über eine horizontale Ebene erstreckt.
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Nachdem die bandförmige Wicklungseinheit in den Stator eingebracht wird, werden die ursprünglichen Lagen der Nutabschnitte in Radialpositionen überführt, die nicht nur von der vorherigen Lage abhängig ist sondern auch von der Anordnung der Wicklungseinheit in Relation zu etwaigen weiteren im Stator angeordneten bandförmigen Wicklungseinheiten. Nach dem Einlegen der bandförmigen Wicklungseinheit in den Statorkern können die Nutabschnitte einer bestimmten Lage, beispielsweise der ersten Lage der bandförmigen Wicklungseinheit, also verschiedene Radialpositionen in den Nuten einnehmen.
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Da bei der bandförmigen Wicklungseinheit die in Querrichtung verlaufenden Nutabschnitte jeweils in einer von nur zwei Lagen angeordnet sind, entsteht eine bandförmige Wicklungseinheit mit einer geringen Dicke, insbesondere mit einer Dicke von nur zwei Lagen. Hierdurch wird eine Wicklungseinheit erhalten, die mit verringertem Aufwand in die Nuten eines Statorkerns eingebracht werden kann.
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Der erfindungsgemäße Stator für eine elektrische Maschine umfasst ferner einen Statorkern und eine Statorwicklung, wobei der Statorkern mehrere in einer Umfangsrichtung beabstandet angeordnete Nuten aufweist, die eine in radialer Richtung verlaufende Tiefe aufweisen und die Anordnung von Nutabschnitten der Statorwicklung in mehreren radial beabstandeten Radialpositionen ermöglicht, wobei die Statorwicklung eine vorstehend beschriebene bandförmige Wicklungseinheit aufweist. Bevorzugt sind deren Nutabschnitte derart in den Nuten des Statorkerns aufgenommen, dass die bandförmige Wicklungseinheit spiralförmig in dem Statorkern angeordnet ist.
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In einer Ausgestaltung der bandförmigen Wicklungseinheit sind die beiden Wicklungsleiter zu einer sogenannten Umkehrwicklung über einen dritten gekrümmten Endabschnitt an einem Umkehrpunkt miteinander verbunden. Der dritte gekrümmte Endabschnitt unterscheidet sich von dem ersten und zweiten Endabschnitt dadurch, dass er gerade nicht Nutabschnitte unterschiedlicher Lagen miteinander verbindet. Vielmehr sind entweder jeweils ein Nutabschnitt des ersten und zweiten Wicklungsleiters in der ersten Lage oder jeweils ein Nutabschnitt des ersten und zweiten Wicklungsleiters in der zweiten Lage über den dritten gekrümmten Endabschnitt miteinander verbunden sind. Eine derartige Umkehrwicklung umfasst demnach als gekrümmte Endabschnitte ausschließlich erste und zweite gekrümmte Endabschnitte, die jeweils Nutabschnitte unterschiedlicher Lagen miteinander verbinden und genau einen gekrümmten Endabschnitt - den dritten gekrümmten Endabschnitt - der Nutabschnitte der gleichen Lage miteinander verbindet. Der dritte gekrümmte Endabschnitt befindet sich am Umkehrpunkt der Umkehrwicklung.
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Auch in diesem Zusammenhang sein noch einmal darauf hingewiesen, dass der dritte gekrümmte Endabschnitt sehr wohl Nutabschitte unterschiedlicher Radialpositionen miteinander verbinden kann. Entscheidend ist, dass der dritte gekrümmte Endabschnitt Nutabschnitte gleicher Lage der bandförmigen Wicklungseinheit verbindet, wenn diese auf einer horizontale Ebene außerhalb des Stators vertikal ausgebreitet angeordnet ist.
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Durch die Bildung eines Umkehrpunkts des Wicklungsleiters wird es möglich, dass die Wicklungseinheit zwei Wicklungsanschlüsse aufweist, die auf derselben Längsseite der bandförmigen Wicklungseinheit und in derselben Lage der Wicklungseinheit vorgesehen sind. Bei einer Anordnung der Wicklungseinheit in einem Statorkern können diese Wicklungsanschlüsse auf derselben Stirnseite des Statorkerns und entweder beide radial innenliegend oder beide radial außenliegend angeordnet sein, so dass der Aufwand zum Kontaktieren der Wicklungsanschlüsse reduziert wird.
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Unter einem geraden Nutabschnitt wird im Sinne der Erfindung ein gerade verlaufender Abschnitt des Wicklungsdrahts verstanden, der in eine Nut eines Statorkern eingebracht werden kann, um eine Statorwicklung zu bilden. Solche Nutabschnitte sind bevorzugt über identische Abstände voneinander parallel beabstandet.
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Ein gekrümmter Endabschnitt ist im Sinne der Erfindung ein nicht gerade verlaufender Endabschnitt. Der Endabschnitt kann eine Umkehr des Wicklungsleiters um im Wesentlichen 180° bewirken. Der gekrümmte Endabschnitt kann eine bogenartige Krümmung aufweisen und/oder einen Biegepunkt. Beispielsweise kann der gekrümmte Endabschnitt einen ersten und einen zweiten im Wesentlichen geraden Teilabschnitt umfassen, die über einen Biegepunkt miteinander verbunden sind. Bei solchen gekrümmten Endabschnitten, die einen Nutabschnitt in der ersten Lage und einen Nutabschnitt in der zweiten Lage miteinander verbinden, ist bevorzugt der erste gerade Teilabschnitt in der ersten Lage und der zweite gerade Teilabschnitt in der zweiten Lage angeordnet, so dass in dem Biegepunkt ein Lagenwechsel innerhalb der Wicklungseinheit realisiert ist.
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Dass die bandförmige Wicklungseinheit bevorzugt spiralförmig in dem Statorkern angeordnet ist, bedeutet im Sinne einer Ausführungsform der Wicklungseinheit ohne Umkehrwicklung, dass die einzelnen Nutabschnitte der Wicklungseinheit derart in verschiedenen Radialpositionen in den Nuten des Statorkerns aufgenommen sind, dass eine erste Radialposition eines ersten Nutabschnitts, der einen größeren Abstand zu einem Ende des zugehörigen Wicklungsleiters aufweist radial weiter außen liegt als eine zweite Radialposition eines zweiten Nutabschnitts, der einen geringeren Abstand zu dem Ende des zugehörigen Wicklungsleiters aufweist.
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Bevorzugt liegt eine dritte Radialposition eines dritten Nutabschnitts radial weiter innen als die zweite Radialposition, wobei der dritte Nutabschnitt einen noch geringeren Abstand zu dem Umkehrpunkt bzw. jeweiligen Ende des Wicklungsleiters aufweist, als der zweite Nutabschnitt. Insofern sind die einzelnen Nutabschnitte der Wicklungseinheit derart in verschiedenen Radialpositionen in den Nuten des Statorkerns aufgenommen, dass die Radialpositionen der Nutabschnitte mit abnehmendem Abstand von dem Umkehrpunkt der Wicklungseinheit bzw. dem Ende des jeweiligen Wicklungsleiters radial weiter innenliegend vorgesehen sind.
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Der Statorkern des Stators ist bevorzugt als Blechpaket ausgebildet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Stators ist ferner vorgesehen, dass ein erster Nutabschnitt in einer ersten Nut in einer ersten Radialposition angeordnet ist und ein mit dem ersten Nutabschnitt unmittelbar über einen ersten Endabschnitt verbundener zweiter Nutabschnitt in einer zweiten Nut in einer zweiten Radialposition angeordnet ist, welche gegenüber der ersten Radialposition um zwei Radialpositionen versetzt ist. Insofern ergibt sich zwischen zwei benachbarten Nutabschnitten desselben Wicklungsdrahts ein Versatz um zwei Radialpositionen. Hierdurch wird es möglich, dass eine gegenüber der ersten Radialposition um eine Radialposition versetzte Zwischen-Radialposition durch einen anderen Nutabschnitt desselben Wicklungsdrahts belegt werden kann, beispielsweise durch einen Nutabschnitt desselben Wicklungsdrahts belegt wird, welcher mit den ersten und zweiten Nutabschnitten mittelbar über den Umkehrpunkt verbunden ist, sofern dieser vorhanden ist.
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In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn ein dritter Nutabschnitt in der ersten Nut in einer dritten Radialposition angeordnet ist, die gegenüber der ersten Radialposition um eine Radialposition versetzt ist, und ein mit dem dritten Nutabschnitt über einen zweiten Endabschnitt unmittelbar verbundener vierter Nutabschnitt in der zweiten Nut in einer vierten Radialposition angeordnet ist, welche identisch zu der dritten Radialposition ist. Durch eine derartige Belegung der Radialpositionen wird es möglich, ein kollisionsfreies Vorbeilaufen eines Hinlauf-Abschnitts des Wicklungsdrahts bis zu dem Umkehrpunkt und eines Rücklauf-Abschnitts des Wicklungsdrahts zu ermöglichen, sofern eine Umkehrwicklung vorgesehen ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein mit dem zweiten Nutabschnitt über einen zweiten Endabschnitt unmittelbar verbundener, fünfter Nutabschnitt in einer dritten Nut in einer fünften Radialposition angeordnet ist, die identisch mit der zweiten Radialposition ist. Insofern ergibt sich zwischen dem ersten und zweiten Nutabschnitt desselben Wicklungsdrahts zunächst ein Versatz um zwei Radialpositionen und zwischen dem zweiten und fünften Nutabschnitt kein Versatz. Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein mit dem fünften Nutabschnitt über einen ersten Endabschnitt unmittelbar verbundener, sechster Nutabschnitt in einer vierten Nut in einer sechsten Radialposition angeordnet ist, welche gegenüber der zweiten bzw. fünften Radialposition um zwei Radialpositionen versetzt ist. Insofern ergibt sich zwischen dem ersten und zweiten Nutabschnitt desselben Wicklungsdrahts zunächst ein Versatz um zwei Radialpositionen, zwischen dem zweiten und fünften Nutabschnitt kein Versatz und zwischen dem fünften und sechsten Nutabschnitt ein Versatz um zwei Radialpositionen.
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Eine alternative, vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass ein erster Nutabschnitt in einer ersten Nut in einer ersten Radialposition angeordnet ist, ein mit dem ersten Nutabschnitt über einen zweiten Endabschnitt unmittelbar verbundener zweiter Nutabschnitt in einer zweiten Nut in einer zweiten Radialposition angeordnet ist, welche gegenüber der ersten Radialposition um zwei Radialpositionen versetzt ist, ein dritter Nutabschnitt in der ersten Nut in einer dritten Radialposition angeordnet ist, die gegenüber der ersten Radialposition um eine Radialposition versetzt ist, und ein mit dem dritten Nutabschnitt über einen ersten Endabschnitt unmittelbar verbundener vierter Nutabschnitt in der zweiten Nut in einer vierten Radialposition angeordnet ist, welche identisch zu der dritten Radialposition ist.
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In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn ein mit dem zweiten Nutabschnitt über einen ersten Endabschnitt unmittelbar verbundener, fünfter Nutabschnitt in einer dritten Nut in einer fünften Radialposition angeordnet ist, die identisch mit der zweiten Radialposition ist. Wie zuvor bereits im Zusammenhang mit der ersten Alternative erörtert, ergibt sich insofern zwischen dem ersten und zweiten Nutabschnitt desselben Wicklungsdrahts zunächst ein Versatz um zwei Radialpositionen und zwischen dem zweiten und fünften Nutabschnitt kein Versatz. Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein mit dem fünften Nutabschnitt über einen zweiten Endabschnitt unmittelbar verbundener, sechster Nutabschnitt in einer vierten Nut in einer sechsten Radialposition angeordnet ist, welche gegenüber der zweiten bzw. fünften Radialposition um zwei Radialpositionen versetzt ist. Insofern ergibt sich zwischen dem ersten und zweiten Nutabschnitt desselben Wicklungsdrahts zunächst ein Versatz um zwei Radialpositionen, zwischen dem zweiten und fünften Nutabschnitt kein Versatz und zwischen dem fünften und sechsten Nutabschnitt ein Versatz um zwei Radialpositionen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Wicklungsleiter zwei Anschlussabschnitte aufweist, die entweder beide auf der ersten Längsseite oder beide auf der zweiten Längsseite angeordnet sind. Über die Anschlussabschnitte kann der Wicklungsleiter der Wicklungseinheit kontaktiert werden. Die Anordnung der Anschlussabschnitte auf derselben Seite erleichtert das Kontaktieren der Anschlussabschnitte, insbesondere das Kontaktieren von Anschlussabschnitten einer ersten bandförmigen Wicklungseinheit mit einer zweiten bandförmigen Wicklungseinheit.
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In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Anschlussabschnitte entweder beide in der ersten Lage oder beide in der zweiten Lage angeordnet sind. Durch eine Anordnung der Anschlussabschnitte in derselben Lage, wird es möglich, dass die Anschlussabschnitte bei Anordnung der Wicklungseinheit in einem Statorkern, alle radial außenliegend angeordnet werden können. Hierdurch kann der Aufwand zum Kontaktieren der Anschlussabschnitte verringert werden. Alternativ können die Anschlussabschnitte alle radial innenliegend in dem Statorkern angeordnet werden. Weiter alternativ ist es möglich, dass ein erster der beiden Anschlussabschnitte in der ersten Lage und ein zweiter der beiden Anschlussabschnitte in der zweiten Lage angeordnet ist.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Wicklungseinheit einen oder mehrere weitere Wicklungsleiter umfasst, die identisch zu dem ersten und zweiten Wicklungsleiter ausgebildet und derart versetzt angeordnet sind, dass der erste, zweite und die weiteren Wicklungsleiter in denselben ersten und zweiten Lage der Wicklungseinheit angeordnet sind und dass deren Nutabschnitte im Abstand der Nuten des Stators zueinander angeordnet sind. Die Nutabschnitte der weiteren Wicklungsleiter sind gegenüber den Nutabschnitten des ersten und zweiten Wicklungsleiters versetzt angeordnet. Somit kann eine Wicklungseinheit mit mehreren Wicklungsdrähten erhalten werden, die eine geringe Dicke von nur zwei Lagen aufweist. Eine solche Wicklungseinheit mit mehreren Wicklungsdrähten soll nachfolgend auch als Wicklungsmatte bezeichnet werden. Die Nutabschnitte der Wicklungsleiter einer solchen Wicklungsmatte liegen, von den im Randbereich angeordneten Nutabschnitten abgesehen, paarweise aufeinander und weisen lateral einen Abstand zueinander auf, der dem Abstand der Statornuten entspricht. Die Wicklungsdrähte der Wicklungseinheit können wahlweise seriell oder parallel miteinander verschaltet werden. Hierzu werden bevorzugt die Anschlussabschnitte des ersten Wicklungsleiters, des zweiten Wicklungsleiters und der einen oder mehreren weiteren Wicklungsleiter in geeigneter Weise miteinander verbunden. Beispielsweise können der erste und zweite Wicklungsleiter wie zuvor beschrieben zu einer Umkehrwicklung an einem Umkehrpunkt miteinander verbunden werden. Unter Verwendung von 16 weiteren Wicklungsleitern, von denen immer zwei zu einer Umkehrwicklung verbunden werden, lässt sich eine Wicklungsmatte mit insgesamt 9 Umkehrwicklungen erzeugen, die mit einem Versatz in Längsrichtung um jeweils eine Nutteilung zueinander angeordnet werden können. Als Konsequenz verteilen sich sämtliche Wicklungsleiter auch hier auf besagte erste und zweite Lage der Wicklungseinheit.
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Selbstverständlich lassen sich aber die verschiedenen Wicklungsleiter auch ohne eine paarweise Verbindung an einem Umkehrpunkt zu einer Wicklungsmatte verschalten. Hier sind verschiedene Konfigurationen durch Reihen- und/oder Parallelschaltungen denkbar, um eine Wicklungsmatte an die betrieblichen Anforderungen einer elektrischen Maschine optimal anzupassen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Stator mindestens eine weitere Wicklungseinheit, die identisch zu der zuvor beschriebenen Wicklungseinheit ausgebildet ist und gegenüber dieser in Umfangsrichtung des Stators versetzt angeordnet ist. Die Wicklungseinheit und die weitere Wicklungseinheit bilden somit zwei Wicklungsmatten. Eine der Wicklungsmatten setzt an einer ersten Nut am Innenumfang des Stators an während die andere Wicklungsmatte an einer zweiten Nut am Innenumfang des Stators ansetzt, wobei die ersten Nut und die zweiten Nut verschieden sind. Wenn nun beispielsweise die erste Wicklungsmatte über die zweite Nut geführt wird, wird diese zweite Nut sowohl mit zwei Leitern der ersten Wicklungsmatte als auch mit zwei Leitern der zweiten Wicklungsmatte belegt. Mit anderen Worten ist bei einer derartigen Ausgestaltung ein am äußeren Rand der weiteren Wicklungseinheit angeordneter Nutabschnitt in der zweiten Nut angeordnet ist und ein mit dem am äußeren Rand der weiteren Wicklungseinheit über einen ersten oder zweiten gekrümmten Endabschnitt verbundener weiterer Nutabschnitt der weiteren Wicklungseinheit in der dritten Nut angeordnet ist. Dies hat zur Folge, dass ein erster Nutabschnitt der ersten Wicklungsmatte in einer ersten Nut in einer ersten Radialposition angeordnet ist und ein mit dem ersten Nutabschnitt unmittelbar über einen ersten Endabschnitt verbundener zweiter Nutabschnitt in der zweiten Nut in einer zweiten Radialposition angeordnet ist, welche gegenüber der ersten Radialposition um zwei Radialpositionen versetzt ist. Hierbei wird ein dritter Nutabschnitt der ersten Wicklungsmatte in der ersten Nut in einer dritten Radialposition angeordnet sein, die gegenüber der ersten Radialposition um eine Radialposition versetzt ist, und ein mit dem dritten Nutabschnitt über einen zweiten Endabschnitt unmittelbar verbundener vierter Nutabschnitt in der zweiten Nut in einer vierten Radialposition angeordnet sein, welche identisch zu der dritten Radialposition ist.
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Ferner wird die Aufgabe durch Ein Wickelverfahren für einen Stator einer elektrischen Maschine gelöst, bei dem folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- Zunächst wird zumindest eine erste und eine zweite Wicklungseinheit erzeugt, die jeweils mindestens einen ersten und einen zweiten Wicklungsleiter aufweisen. Die Erzeugung geschieht derart, dass der erste und zweite Wicklungsleiter in einer ersten und einer zweiten Lage der jeweiligen Wicklungseinheit geführt ist. Die Wicklungsleiter werden derart gestaltet, dass sie jeweils mehrere gerade in einer Querrichtung der Wicklungseinheit verlaufende Nutabschnitte aufweisen, die parallel zueinander angeordnet sind. Ferner werden mehrere erste gekrümmte Endabschnitte erzeugt, die jeweils zwei Nutabschnitte des zugehörigen Wicklungsleiters miteinander verbinden und auf einer ersten Längsseite der Wicklungseinheit angeordnet sind. Zusätzlich werden mehrere zweite gekrümmte Endabschnitte erzeugt, die jeweils zwei Nutabschnitte des zugehörigen Wicklungsleiters miteinander verbinden und auf einer der ersten Längsseite gegenüberliegenden zweiten Längsseite der Wicklungseinheit angeordnet sind.
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Die Nutabschnitte der ersten Wicklungseinheit werden in mehreren in einer Umfangsrichtung beabstandet angeordnete Nuten eines Statorkerns angeordnet. Auch die Nutabschnitte der zweiten Wicklungseinheit werden in mehreren in einer Umfangsrichtung beabstandet angeordnete Nuten des Statorkerns angeordnet. Dies geschieht derart, dass die zweite Wicklungseinheit gegenüber der ersten Wicklungseinheit mit einem Versatz in Umfangsrichtung im Inneren des Stators zu liegen kommt und Nutabschnitte der ersten und zweiten Wicklungseinheit in gleichen Nuten angeordnet sind. Dieser Versatz kann derart gestaltet sein, dass innerhalb jeder der bandförmigen Wicklungseinheiten ein erster Nutabschnitt in einer ersten Nut in einer ersten Radialposition angeordnet ist und ein mit dem ersten Nutabschnitt über einen ersten Endabschnitt unmittelbar verbundener zweiter Nutabschnitt in einer zweiten Nut in einer zweiten Radialposition angeordnet ist, welche gegenüber der ersten Radialposition um zwei Radialpositionen versetzt ist.
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Zum Einbringen der ersten und zweiten Wicklungseinheit in einen im wesentlichen zylinderförmigen Stator kann es zweckmäßig sein, die erste und zweite Wicklungseinheit in Umfangsrichtung versetzt zueinander auf einen zylinderförmigen Übertragungsdorn aufzubringen. Dieser Übertragungsdorn kann axial in den vom Statorkern umschlossenen Innenraum verschoben werden. Im Anschluss können die Wicklungseinheiten radial nach außen vom Übertragungsdorn in die Nuten des Statorkerns expandiert werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 eine bandförmige Wicklungseinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung;
- 2 die Wicklungseinheit gemäß 1 in einer Seitenansicht;
- 3 eine bandförmige Wicklungseinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung;
- 4 die Wicklungseinheit gemäß 3 in einer Aufsicht auf eine Längsseite;
- 5 die Wicklungseinheit gemäß 3 in einer Seitenansicht;
- 6 eine bandförmige Wicklungseinheit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung;
- 7 die Wicklungseinheit gemäß 6 in einer Aufsicht auf eine Längsseite;
- 8 die Wicklungseinheit gemäß 6 in einer Seitenansicht;
- 9 ein Stator gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer bandförmigen Wicklungseinheit gemäß 3 in einer schematischen Schnittdarstellung;
- 10 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Anordnung der Wicklungseinheit gemäß 3 in dem Stator gemäß 9;
- 11 eine Statorwicklung in einem Schaltbild;
- 12a und b die Wicklungseinheit gemäß 3 zur Veranschaulichung der Anordnung in einem Statorkern in einer perspektivischen Darstellung und einer Aufsicht auf eine Längsseite bzw. Stirnseite;
- 13a und b eine Wicklungseinheit gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel zur Veranschaulichung der Anordnung in einem Statorkern in einer perspektivischen Darstellung und einer Aufsicht auf eine Längsseite bzw. Stirnseite;
- 14a und b eine Wicklungseinheit gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel zur Veranschaulichung der Anordnung in einem Statorkern in einer perspektivischen Darstellung und einer Aufsicht auf eine Längsseite bzw. Stirnseite;
- 15a und b ein Teil einer Statorwicklung zur Veranschaulichung der Anordnung in einem Statorkern in einer perspektivischen Darstellung und einer Aufsicht auf eine Längsseite bzw. Stirnseite;
- 16a und b eine Statorwicklung zur Veranschaulichung der Anordnung in einem Statorkern in einer perspektivischen Darstellung und einer Aufsicht auf eine Längsseite bzw. Stirnseite,
- 17 einen Stator einer elektrischen Maschine mit vier bandförmigen Wicklungseinheiten,
- 18 einen Stator einer elektrischen Maschine mit zwei bandförmigen Wicklungseinheiten,
- 19 einen Stator einer elektrischen Maschine mit zwei bandförmigen Wicklungseinheiten, die jeweils als Umkehrwicklung ausgebildet sind,
- 20 einen weiteren Stator einer elektrischen Maschine mit vier bandförmigen Wicklungseinheiten,
- 21 bis 23 Verfahrensschritte zur Erzeugung einer spiralförmigen Wicklung aus zwei bandförmigen Wicklungseinheiten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
- 24 einen Verfahrenschritt zum Übertragen der spiralförmigen Wicklung in die Nuten eines Stators.
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In der 1 und 2 ist eine bandförmige Wicklungseinheit 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem ersten und einem zweiten 2, 2' dargestellt, die in einer ersten Lage L1 und einer zweiten Lage L2 der Wicklungseinheit 1 geführt sind. Anfang und Ende der beiden Wicklungsleiter 2, 2' sind jeweils zur Orientierung mit einem Pfeil gekennzeichnet. Beide Wicklungsleiter 2, 2' der Wicklungseinheit 1 umfassen mehrere gerade in einer Querrichtung Q der Wicklungseinheit 1 verlaufende Nutabschnitte 3, die zueinander parallel angeordnet sind. Der Abstand zwischen den Nutabschnitten 3 der Wicklungsleiter 2, 2' ist derart bemessen, dass benachbarte Nutabschnitte 3 in verschiedene Statornuten eines Statorkerns einer elektrischen Maschine eingebracht werden können. Die Nutabschnitte 3 sind über Endabschnitte 5, 6 miteinander verbunden, die in einem Zustand, in welchem die Nutabschnitte 3 der Wicklungseinheit 1 in die Statornuten eines Statorkern eingebracht sind, stirnseitig aus dem Statorkern herausstehen.
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Die Nutabschnitte 3 sind auf einer ersten Längsseite der Wicklungseinheit 1 über mehrere erste gekrümmte Endabschnitte 5 miteinander verbunden. Dabei verbinden die ersten gekrümmten Endabschnitte 5 jeweils einen ersten Nutabschnitt 3 in der ersten Lage L1 und einen zweiten Nutabschnitt 3 in der zweiten Lage L2 der jeweiligen Wicklungsleiter 2, 2' miteinander. Insofern wird durch die ersten Endabschnitte 5 jeweils ein Lagenwechsel des zugehörigen Wicklungsleiters 2, 2' ermöglicht. Auf einer der ersten Längsseite gegenüberliegenden zweiten Längsseite der Wicklungseinheit 1 sind mehrere zweite gekrümmte Endabschnitte 6 vorgesehen, die jeweils zwei Nutabschnitte 3 miteinander verbinden und auf einer der ersten Längsseite gegenüberliegenden, zweiten Längsseite der Wicklungseinheit 1 angeordnet sind. Alle zweiten gekrümmte Endabschnitte 6 verbinden jeweils einen ersten Nutabschnitt 3 in der ersten Lage L1 und einen zweiten Nutabschnitt 3 in der zweiten Lage L2 des zugehörigen Wicklungsleiter 2, 2' miteinander. Zwischen den beiden Wicklungsleitern 2, 2' ist innerhalb der Wicklungseinheit zunächst keine galvanische Verbindung vorgesehen. Leiteranfang und Leiterende der Wicklungsleiter 2, 2' stehen für eine beliebige Verschaltung insbesondere nach dem Einfügen einer vollständigen Wicklungsmatte zur Verfügung. So ist beispielsweise eine Reihenschaltung oder Parallelschaltung der Wicklungsleiter 2, 2' denkbar.
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In der 3, 4 und 5 ist eine bandförmige Wicklungseinheit 1` gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem die beiden Wicklungsleiter 2, 2' an einem Umkehrpunkt über einen dritten gekrümmten Endabschnitt 6' miteinander verbunden werden. Auf diese Art und Weise entsteht eine sogenannte Umkehrwicklung. Die Wicklungsleiter 2, 2' sind auch hier in einer ersten Lage L1 und einer zweiten Lage L2 der Wicklungseinheit 1' geführt ist, wie in 4 gut zu erkennen ist. Die Wicklungseinheit 1' umfasst wiederum mehrere gerade in einer Querrichtung Q der Wicklungseinheit 1 verlaufende Nutabschnitte 3, die zueinander parallel angeordnet sind. Der Abstand zwischen den Nutabschnitten 3 der Wicklungsleiter 2, 2' ist derart bemessen, dass benachbarte Nutabschnitte 3 in verschiedene Statornuten eines Statorkerns einer elektrischen Maschine eingebracht werden können. Die Nutabschnitte 3 sind über Endabschnitte 5, 6, 6' miteinander verbunden, die in einem Zustand, in welchem die Nutabschnitte 3 der Wicklungseinheit 1 in die Statornuten eines Statorkern eingebracht sind stirnseitig aus dem Statorkern herausstehen.
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Die Nutabschnitte 3 sind auf einer ersten Längsseite der Wicklungseinheit 1' über mehrere erste gekrümmte Endabschnitte 5 miteinander verbunden. Dabei verbinden die ersten gekrümmten Endabschnitte 5 jeweils einen ersten Nutabschnitt 3 in der ersten Lage L1 und einen zweiten Nutabschnitt 3 in der zweiten Lage L2 miteinander. Insofern wird durch die ersten Endabschnitt 5 jeweils ein Lagenwechsel der jeweiligen Wicklungsleiter 2, 2', die die Umkehrwicklung bilden, ermöglicht. Auf einer der ersten Längsseite gegenüberliegenden zweiten Längsseite der Wicklungseinheit 1' sind mehrere zweite gekrümmte Endabschnitte 6, 6' vorgesehen, die jeweils zwei Nutabschnitte 3 miteinander verbinden und auf einer der ersten Längsseite gegenüberliegenden, zweiten Längsseite der Wicklungseinheit 1' angeordnet sind. Genau ein zweiter gekrümmter Endabschnitt 6' ist dabei zur Bildung eines Umkehrpunkts des aus den Wicklungsleitern 2, 2' gebildeten Wicklungsleiters derart ausgestaltet, dass er zwei Nutabschnitte 3 in der zweiten Lage L2 miteinander verbindet, von denen einer dem ersten Wicklungsleiter 2 zugeordnet ist und einer dem zweiten Wicklungsleiter 2' zugeordnet ist. Alle übrigen zweiten gekrümmte Endabschnitte 6 verbinden hingegen jeweils einen ersten Nutabschnitt 3 in der ersten Lage L1 und einen zweiten Nutabschnitt 3 in der zweiten Lage L2 des ersten Wicklungsleiters 2 oder des zweiten Wicklungsleiters 2' miteinander.
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Gemäß einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels kann vorgesehen sein, dass der zur Bildung des Umkehrpunkts vorgesehene eine zweite gekrümmte Endabschnitt 6' zwei Nutabschnitte in der ersten Lage miteinander verbindet.
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Die bandförmige Wicklungseinheit 1' weist somit einen aus zwei Wicklungsleitern 2, 2' gebildeten hin- und rückläufigen Leiter auf, der ausgehend von einem ersten Anschlussabschnitt 4 bis zu dem Umkehrpunkt einen wellenförmigen Verlauf beschreibt. Der Leiter kehrt am Umkehrpunkt um und beschreibt dann ausgehend von dem Umkehrpunkt bis zu einem zweiten Anschlussabschnitt 4 wiederum einen wellenförmigen Verlauf.
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Die gekrümmten Endabschnitte 5, 6, 6' der Wicklungseinheit 1' bewirken eine Umkehr des Leiters um im Wesentlichen 180°. Die gekrümmten Endabschnitte 5, 6, 6'umfassen jeweils einen ersten im Wesentlichen geraden Teilabschnitt 7 und einen zweiten im Wesentlichen geraden Teilabschnitt 8 umfassen, die über einen Biegepunkt 9 miteinander verbunden sind.
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Die Wicklungsleiter 2, 2' umfassen ferner zwei Anschlussabschnitte 4, über welche die so gebildete Umkehrwicklung kontaktiert werden kann. Die Anschlussabschnitte 4 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel beide auf der zweiten Längsseite der Wicklungseinheit 1 angeordnet und beide in derselben - hier der ersten Lage L1 der Wicklungseinheit 1 vorgesehen.
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Die Darstellungen in 6, 7 und 8 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel einer bandförmigen Wicklungseinheit 1", die sich von der Wicklungseinheit 1' gemäß der zweiten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass diese zusätzlich zu dem ersten und zweiten Wicklungsleiter 2, 2' mehrere weitere Wicklungsleiter 2" umfasst. Auch hier bilden wiederum der erste und der zweite Wicklungsleiter 2, 2' eine Umkehrwicklung. In identischer Weise wird aus zwei weiteren Wicklungsleitern 2" eine weitere Umkehrwicklung gebildet.
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Die weitere Umkehrwicklung ist demnach identisch zu der Umkehrwicklung ausgebildet, die aus dem ersten und zweiten Wicklungsleiter gebildet ist. Sie ist derart versetzt angeordnet, dass die Wicklungsleiter 2, 2' der Umkehrwicklung und die Wicklungsleiter 2" der weiteren Umkehrwicklung in derselben ersten Lage L1 und derselben zweiten Lage L2 der Wicklungseinheit 1" angeordnet sind. Insofern bildet die Wicklungseinheit 1" eine Wicklungsmatte mit mehreren Wicklungsleitern 2, 2', 2" die über eine Vielzahl an Anschlussabschnitten 4 kontaktiert werden können. Die Nutabschnitte dieser Wicklungsleiter 2, 2', 2" sind im Abstand der Nutteilung in laterale Richtung angeordnet.
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Anhand der Darstellungen in 9 und 10 soll nachfolgend eine spiralförmige Anordnung einer bandförmigen Wicklungseinheit 1' gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in einem Statorkern 11 eines Stators 10 erläutert werden. Die Figuren veranschauliche, wie die zuvor beschriebenen Lagen der Nutabschnitte in einer bandförmigen Wicklungseinheit, die auf einer horizontalen Ebene angeordnet ist und sich vertikal über diese erstreckt, in Radialpositionen innerhalb der Statornuten überführt werden. Stator 10 und Statorkern 11 sind in 9 aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich schematisch angedeutet. Die in radialer Richtung verlaufenden Striche entsprechen den einzelnen Nuten des Statorkerns 11, die in Umfangsrichtung des Statorkerns 11 beabstandet vorgesehen sind. Die Statornuten weisen in radialer Richtung eine Tiefe auf, welche es erlaubt, die Wicklungseinheit 1' in einer von acht verschiedenen Radialpositionen anzuordnen. 10 zeigt schematisch die acht verschiedenen Radialpositionen RP über zehn verschiedenen Nuten N, in denen die Nutabschnitte der Wicklungsleiter 2, 2' angeordnet sind. Die Nutabschnitte 3 des ersten Wicklungsleiters 2 im Bereich zwischen einem ersten Anschlussabschnitt 4 (Hinlauf) und dem Umkehrpunkt sind mit dem Bezugszeichen A markiert, während die Nutabschnitte 3 des zweiten Wicklungsleiters 2' im Bereich zwischen dem Umkehrpunkt und einem zweiten Anschlussabschnitt 4 (Rücklauf) mit dem Bezugszeichen B markiert sind. Es ist erkennbar, dass die beiden Bereiche der aus den Wicklungsleitern 2, 2' gebildeten Umkehrwicklung, also der Hinlauf und der Rücklauf, auf zwei Lagen der Wicklungseinheit 1 ineinander verwoben sind. Die beiden Lagen erstrecken sich aufgrund der spiralförmigen Anordnung der Wicklungseinheit 1' nunmehr über acht Radialpositionen der Nuten N.
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Es ist erkennbar, dass ein erster Nutabschnitt 3, A in einer ersten Nut N=10 in einer ersten Radialposition RP=1 angeordnet ist und ein mit dem ersten Nutabschnitt 3, A über einen ersten Endabschnitt 5 unmittelbar verbundener zweiter Nutabschnitt 3, A in einer zweiten Nut N=19 in einer zweiten Radialposition RP= 3 angeordnet ist, welche gegenüber der ersten Radialposition RP=1 um zwei Radialpositionen versetzt ist. Ein dritter Nutabschnitt 3, B ist in der ersten Nut N=10 in einer dritten Radialposition RP=2 angeordnet, die gegenüber der ersten Radialposition RP=1 um eine Radialposition versetzt ist, und ein mit dem dritten Nutabschnitt 3, B über einen zweiten Endabschnitt 6 unmittelbar verbundener vierter Nutabschnitt 3, B ist in der zweiten Nut N=19 ist in einer vierten Radialposition RP=2 angeordnet, welche identisch zu der dritten Radialposition RP=2 ist. Ferner ist ein mit dem zweiten Nutabschnitt 3, A über einen zweiten Endabschnitt 6 unmittelbar verbundener, fünfter Nutabschnitt 3, A in einer dritten Nut N=28 in einer fünften Radialposition RP=3 angeordnet, die identisch mit der zweiten Radialposition RP=3 ist. Dieses Schema setzt sich fort, bis der Umkehrpunkt erreicht ist: Ein mit dem fünften Nutabschnitt 3, A über einen ersten Endabschnitt 5 verbundener sechster Nutabschnitt 3, A ist in einer vierten Nut N=37 in einer sechsten Radialposition RP=5 angeordnet, welche um zwei Radialpositionen gegenüber der fünften Radialposition RP=3 versetzt ist. Ein mit dem sechsten Nutabschnitt 3, A über einen zweiten Endabschnitt 6 unmittelbar verbundener, siebter Nutabschnitt 3, A in einer fünften Nut N=46 ist in einer siebten Radialposition RP=5 angeordnet, die identisch mit der sechsten Radialposition RP=5 ist. Ein mit dem siebten Nutabschnitt 3, A über einen ersten Endabschnitt 5 verbundener achter Nutabschnitt 3, A ist in einer sechsten Nut N=55 in einer achten Radialposition RP=7 angeordnet, welche um zwei Radialpositionen gegenüber der der siebten Radialposition RP=5 versetzt ist. Ein mit dem achten Nutabschnitt 3, A über einen zweiten Endabschnitt 6 unmittelbar verbundener, neunter Nutabschnitt 3, A in einer siebten Nut N=64 ist in einer neunten Radialposition RP=7 angeordnet, die identisch mit der achten Radialposition RP=7 ist. Schließlich verbindet ein erster Endabschnitt 5 den neunten Nutabschnitt 3, A in der siebten Nut N=64 mit einem zehnten Nutabschnitt 3, A in einer achten Nut N=73. Ein zweiter Endabschnitt 6' verbindet den zehnten Nutabschnitt 3, A mit einem elften Nutabschnitt 3, B in der siebten Nut N=73, wobei der elfte Nutabschnitt 3, B eine Radialposition RP=8 aufweist, die identisch mit der Radialposition N=8 des zehnten Nutabschnitts 3, A ist.
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Die Darstellung in 11 zeigt beispielhaft einen Aufbau einer Statorwicklung 20 aus mehreren bandförmigen Wicklungseinheiten, wobei die in 9 und 10 gezeigte Wicklungseinheit mit dem Bezugszeichen U1-1 bezeichnet ist.
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In 12a und 12b ist nochmals die bandförmige Wicklungseinheit 1` gemäß 3 gezeigt, wobei die Wicklungseinheit 1' spiralförmig angeordnet ist, um die Anordnung der Wicklungseinheit 1' in den einem hier nicht gezeigten Statorkern zu veranschaulichen. 12a zeigt eine perspektivische Darstellung und 12b eine Aufsicht auf eine Längsseite bzw. Stirnseite des Stators. Die bandförmige Wicklungseinheit 1' weist zwei Anschlussbereiche 4 auf, die um einen Abstand beabstandet sind, der im Wesentlichen dem Abstand der Nutbereiche 3 der Wicklungsleiter 2, 2' entspricht.
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In 13a und 13b ist eine Abwandlung der bandförmige Wicklungseinheit 1' gemäß 3 dargestellt, wobei die Wicklungseinheit 1’’’ spiralförmig angeordnet ist, um die Anordnung der Wicklungseinheit in den einem hier nicht gezeigten Statorkern zu veranschaulichen. 13a zeigt eine perspektivische Darstellung und 13b eine Aufsicht auf eine Längsseite bzw. Stirnseite des Stators. Im Gegensatz zu 12a und 12b weist die bandförmige Wicklungseinheit 1’’’ zwei Anschlussbereiche 4 auf, die um einen Abstand beabstandet sind, der kleiner ist als der Abstand der Nutbereiche 3 der Wicklungsleiter 2, 2‘.
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In 14a und 14b ist eine Wicklungseinheit 1’’’’ gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel gezeigt. 14a zeigt eine perspektivische Darstellung und 14b eine Aufsicht auf eine Längsseite bzw. Stirnseite des Stators. Diese Wicklungseinheit umfasst eine Wicklungseinheit 1' gemäß 12a und zwei Wicklungseinheiten 1’’’ gemäß 13a, die jeweils versetzt angeordnet sind, so dass eine Wicklungseinheit 1 ““ mit zwei Lagen erhalten wird. Die Anschlussabschnitte 4 der einzelnen Wicklungseinheiten 1', 1’’’ sind derart verbunden, dass eine Serienschaltung der drei Wicklungseinheiten 1‘, 1’’’ erhalten wird. Die Wicklungseinheit 1’’’’ entspricht einer Phase des Stators nach 11.
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Die Darstellung in 15a und 15b zeigt einen Teil 21 einer Statorwicklung 20 zur Veranschaulichung der Anordnung in einem Statorkern. 15a zeigt eine perspektivische Darstellung und 15b eine Aufsicht auf eine Längsseite bzw. Stirnseite des Stators. Der Teil 21 umfasst die jeweils versetzt angeordneten Wicklungseinheiten 1’’’’ gemäß 14a.
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In 16a und 16b ist schließlich die Statorwicklung 20 gemäß 11 dargestellt. 16a zeigt eine perspektivische Darstellung und 16b eine Aufsicht auf eine Längsseite bzw. Stirnseite des Stators. Die Statorwicklung 20 umfasst fünf identische Teile 21 gemäß 15a, die jeweils um 72° versetzt angeordnet sind.
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In den 17-20 sind weitere Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, bei denen zum Teil auf die Bildung eines Umkehrpunktes zwischen zwei Wicklungsleitern verzichtet wird. Dies hat gegenüber einer Ausführung mit Umkehrpunkt den Vorteil, dass die Möglichkeit paralleler Verschaltungen vergrößert wird. Für die spiralförmige Anordnung können bei einer Umkehrwicklung mehrere Wicklungseinheiten verwendet werden, die gleichmäßig über den Umfang in unmittelbar verbundenen Nutabschnitten eingelegt sind. Dies führt ebenfalls zu Einschränkungen in den Verschaltungsmöglichkeiten. Es können nur genau die Anzahl von Polzahl/2 Wicklungseinheiten verwendet werden.
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Besonders bei leistungsstärkeren Maschinen (> 200kW) müssen vermehrt parallele Verschaltungen der Wicklungseinheiten durchgeführt werden. Wenn statt dem Umkehrpunkt ein Drahtende erzeugt wird, besteht die Möglichkeit, diesen zusätzlich zur Verschaltung zu nutzen.
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Wenn die einzelnen Wicklungseinheiten gleichmäßig über den Umfang des Stators verteilt sind, ist die Zahl der parallelen Zweige festgelegt. Es ist daher wünschenswert, auch eine Anzahl von parallelen Zweigen erzeugen zu können, deren Anzahl von Wicklungseinheiten kleiner ist als bei gleichmäßiger Verteilung.
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Wenn der Umkehrpunkt entfällt, können die freiwerdenden Drahtenden als zusätzlicher Verschaltungspunkt für parallele Verschaltungen verwendet werden. Bei Verwendung der spiralförmigen Anordnung der einzelnen Wicklungseinheiten gemäß 9 kann wieder eine symmetrische Wicklung erzeugt werden.
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Eine variable Anzahl von Wicklungseinheiten wird erzeugt, indem eine kleinere Anzahl von einzelnen Wicklungseinheiten als Polzahl/2 in den Stator eingelegt wird. Dabei weisen die Nuten in einzelnen Polbereiche keine Drahtanfänge auf. Hier wird der Nutgrund durch die in den vorhergehenden Nutabschnitten eingelegten Wicklungseinheiten aufgefüllt. Dadurch wird eine wesentlich größere Anzahl von Verschaltungsmöglichkeiten erzeugt, was dazu führt, dass die elektrische Maschine gegebenenfalls besser an die Spannungsverhältnisse angepasst werden kann.
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Im Folgenden werden die in den 17-20 dargestellten Ausführungsformen eines Stators mit bandförmigen Wicklungseinheiten.
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In den 17-20 sind die jeweiligen Drahtanfänge und Drahtenden der bandförmigen Wicklungseinheiten mit einheitlichen Bezugszeichen versehen. So wird in jedem der Ausführungsbeispiele der Drahtanfang eines ersten Leiters mit dem Bezugszeichen 30 versehen und dessen Drahtende mit dem Bezugszeichen 31. Der Drahtanfang eines zweiten Leiters wird mit dem Bezugszeichen 32 gekennzeichnet, während dessen Ende mit dem Bezugszeichen 33 referenziert ist. Der Drahtanfang eines dritten Leiters trägt das Bezugszeichen 34, während dessen Drahtende das Bezugszeichen 35 trägt. Der Drahtanfang eines vierten Leiters ist mit dem Bezugszeichen 36 versehen. Das Drahtende des vierten Leiters trägt das Bezugszeichen 37. Der Drahtanfang eines fünften Leiters ist durch das Bezugszeichen 38 gekennzeichnet. Das Drahtende des fünften Leiters ist mit dem Bezugszeichen 39 gekennzeichnet. Der Drahtanfang des sechsten Leiters ist mit dem Bezugszeichen 40 gekennzeichnet. Das Drahtende des sechsten Leiters ist mit dem Bezugszeichen 41 gekennzeichnet. Der Drahtanfang eines siebten Leiters ist mit dem Bezugszeichen 42 gekennzeichnet. Das Drahtende des siebten Leiters ist mit dem Bezugszeichen 43 gekennzeichnet. Der Drahtanfang eines achten Leiters ist mit dem Bezugszeichen 44 gekennzeichnet. Das Drahtende des achten Leiters trägt das Bezugszeichen 45.
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17 zeigt einen Stator 10 einer elektrischen Maschine mit einem Startorkern 11 und vier bandförmigen Wicklungseinheiten, die Nuten des Statorkerns eingelegt sind. Die Wicklung ist für einen Stator mit 72 Nuten und 8 Polen mit jeweils 6 Leitern in der Nut ausgelegt. Die Lochzahl beträgt demnach 3. Der Übersicht halber werden nur die Leiter von einer Nut pro Pol dargestellt. Eine erste Wicklungseinheit umfasst einen ersten Leiter mit dem Drahtanfang 30 und Drahtende 31 sowie einen zweiten Leiter mit dem Drahtanfang 32 und dem Drahtende 33. In einer ersten Nut 50 befindet sich ein Nutabschnitt des zweiten Leiters in einer ersten Radialposition, die am Nutgrund angeordnet ist. Mit diesem Nutabschnitt ist auch der Drahtanfang 32 des zweiten Leiters verbunden. In radialer Richtung benachbart zu diesem Nutabschnitt befindet sich ein Nutabschnitt des ersten Leiters. Relativ zueinander betrachtet befindet sich der Nutabschnitt des ersten Leiters in einer ersten Lage, die oberhalb des Nutabschnitts des zweiten Leiters angeordnet ist (im Folgenden zweite Lage).
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Hierbei ist mit einer unteren Lage eine Lage bezeichnet, die vom Nutgrund betrachtet unterhalb des jeweils anderen Leiters angeordnet ist, der sich demnach definitionsgemäß in einer oberen Lage befindet. Es ist zu erkennen, dass in einer zweiten Nut 51 der Nutabschnitt des zweiten Leiters oberhalb des Nutabschnitts des ersten Lagers angeordnet ist. In einer dritten Nut 52 sind die Verhältnisse wiederum umgekehrt. D. h. die Lage des Nutabschnitts des ersten Leiters befindet sich wiederum über der Lage des Nutabschnitts des zweiten Leiters. Dieser Lagentausch setzt sich fort bis das Drahtende 31 des ersten Leiters erreicht ist.
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Der in der ersten Nut 50 am Nutgrund positionierte Nutabschnitt des zweiten Leiters ist über einen nicht dargestellten Endabschnitt mit einem Nutabschnitt in der zweiten Nut 51 verbunden, der sich in einer Radialposition befindet, die gegenüber der Radialposition am Nutgrund in der ersten Nut 50 um zwei Radialpositionen versetzt ist. Der Nutabschnitt des zweiten Leiters in der zweiten Nut 51 ist über einen weiteren nicht dargestellten Endabschnitt mit einem Nutabschnitt in der dritten Nut 52 verbunden, dessen Radialposition dem Nutabschnitt des zweiten Leiters in der zweiten Nut 51 entspricht. Der Nutabschnitt in der dritten Nut 52 des zweiten Leiters ist über einen nicht dargestellten Endabschnitt mit einem Nutabschnitt in einer vierten Nut 53 verbunden, der um zwei Radialpositionen von dem Nutabschnitt des zweiten Leiters in der dritten Nut 52 versetzt ist.
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Einem analogen Verlauf folgen die Radialpositionen des ersten Leiters zwischen der ersten Nut 50 und einer fünften Nut 54. Von der ersten Nut 50 zur zweiten Nut 51 wird die Radialposition der Nutabschnitte des ersten Leiters nicht verändert. Zwischen der zweiten Nut 51 und der dritten Nut 52 verändert sich hingegen die Radialposition um zwei Radialpositionen. Von der dritten Nut 52 zu vierten Nut 53 bleibt die Radialposition abermals unverändert. Von der vierten Nut 53 zur fünften Nut 54 findet wiederum ein Versatz der Radialposition um zwei Positionen statt.
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Die oben beschriebene Anordnung der Nutabschnitte der Leiter einer Wicklungseinheit in Bezug auf ihre relative Lage zueinander und in Bezug auf ihre Radialposition in den Nuten des Stators findet sich ebenso bei den weiteren Wicklungseinheiten wieder. Hierbei ist eine zweite Wicklungseinheit wiederum vereinfacht durch einen dritten Leiter mit dem Drahtanfang 34 und dem Drahtende 35 gekennzeichnet und einen vierten Leiter mit dem Drahtanfang 36 und dem Drahtende 37. Eine dritte Wicklungseinheit umfasst einen fünften Leiter mit dem Drahtanfang 38 und dem Drahtende 39 sowie einen sechsten Leiter mit dem Drahtanfang 40 und dem Drahtende 41. Eine vierte Wicklungseinheit umfasst einen siebten Leiter mit dem Drahtanfang 41 und den Drahtende 42 sowie einen achten Leiter mit dem Drahtanfang 43 und dem Drahtende 44.
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Die Wicklung besteht also aus gleichmäßig verteilten Wicklungseinheiten, die in unmittelbar verbundenen Nutabschnitten eingelegt sind. Eine Änderung gegenüber den Ausführungsformen nach 3 - 16 besteht hier darin, dass der Umkehrpunkt entfällt und die freiwerdenden Drahtenden zur weiteren Verschaltung verwendet werden können. Die dargestellten acht Leiter können parallelgeschaltet werden. Ausgleichströme werden dabei durch den symmetrischen Aufbau vermieden.
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18 zeigt einen Stator einer elektrischen Maschine mit zwei bandförmigen Wicklungseinheiten. Es ist eine Statorwicklungskonfiguration mit 10 Polen und Lochzahl 3 zu sehen, hier mit 90 Nuten. In den Nuten befinden sich jeweils 8 Leiter. Von den nur zwei Wicklungseinheiten werden wiederum der Übersichtlichkeit halber nur jeweils zwei Leiter mit ihren entsprechenden Drahtanfängen und Drahtenden dargestellt sind. Daher gibt es insgesamt 4 Drahtanfänge 30,32,34,36 und 4 Drahtenden 31,33,35,37. Insgesamt weisen also nur 4 Nuten in der Abbildung einen Drahtanfang aus. Es werden somit 4 Wicklungen parallelgeschaltet. Die restlichen Nuten werden mit den zu den Drahtanfängen gehörigen Nutabschnitten befüllt. Die Wicklungseinheiten sind asymmetrisch in den Stator eingelegt um die Drahtanfänge auf einen Segmentabschnitt des Stators zu konzentrieren. Die Verschaltungselemente können damit örtlich konzentriert angeordnet werden, eine Serienfertigung wird vereinfacht. Es entsteht eine leichte Asymmetrie, die nicht zwangsweise zu erhöhten Ausgleichsströmen führen muss.
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Die erste Wicklungseinheit umfasst einen ersten Leiter mit dem Drahtanfang 30 und dem Drahtende 31 und einen zweiten Leiter mit dem Drahtanfang 32 und dem Drahtende 33. Die zweite Wicklungseinheit umfasst einen dritten Leiter mit dem Drahtanfang 34 und dem Drahtende 35 und einen vierten Leiter mit dem Drahtanfang 36 und dem Drahtende 37. Das Muster des Verlaufes der relativen Lagen und Radialpositionen der beteiligten Nutabschnitte, das im Zusammenhang mit 17 beschrieben wurde, findet sich auch in dieser Ausführungsform wieder. Der relative Lagenwechsel zwischen den Nutabschnitten einer bandförmigen Wicklungseinheit findet in jeder Nut statt, in der zwei Nutabschnitte derselben bandförmigen Wicklungseinheit angeordnet sind, während der Versatz der benachbarten Nutabschnitte eines Leiters um zwei oder keine Radialposition immer nur dann vorkommt, wenn die gesamte bandförmige Wicklungseinheit ihre Radialposition verändert. Dies geschieht beispielsweise in Nuten, in denen sich Drahtanfänge befinden.
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19 zeigt einen Stator einer elektrischen Maschine mit zwei bandförmigen Wicklungseinheiten, die jeweils als Umkehrwicklung ausgebildet sind. Ein erster Leiter mit dem Drahtanfang 30 bildet eine hinlaufende Welle, die am Drahtende 31 endet. Ein zweiter Leiter mit dem Drahtanfang 32 bildet eine rücklaufende Welle, die an dem Drahtende 33 endet. Erster und zweiter Leiter bilden zusammen eine bandförmige Wicklungseinheit.
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Zur Bildung eines Umkehrpunktes werden das Drahtende 31 des ersten Leiters und der Drahtanfang 32 des zweiten Leiters durch einen gekrümmten Endabschnitt, der in der Figur nicht dargestellt ist, miteinander verbunden. Hierbei kann es sich um eine separate Verbindung handeln, die beispielsweise über eine Schweiß- oder Lötstelle eine galvanische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter herstellt. Ebenso ist es aber möglich, dass der erste Leiter und der zweite Leiter als einstückiger Draht ausbildet sind, der vor dem Einlegen in die Statornuten schon als solcher zu einer hin- und rücklaufenden Welle geformt wurde.
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In ähnlicher Art und Weise wird eine zweite bandförmige Wicklungseinheit mit Umkehrpunkt durch einen dritten Leiter mit dem Drahtanfang 34 und dem Drahtende 35 und einem vierten Leiter mit dem Drahtanfang 36 und dem Drahtende 37 gebildet. Der Umkehrpunkt liegt zwischen dem Drahtende 35 des dritten Leiters und dem Drahtanfang 36 des vierten Leiters wie bei der ersten Wicklungsmatte dieser Ausführungsform an der dem Luftspalt zugewandten Seite des Wickelkopfes. Hierbei kann es sich um eine separate Verbindung handeln, die beispielsweise über eine Schweiß- oder Lötstelle eine galvanische Verbindung zwischen dem dritten und dem vierten Leiter herstellt. Ebenso ist es aber möglich, dass der dritte Leiter und der vierte Leiter als einstückiger Draht ausbildet sind, der vor dem Einlegen in die Statornuten schon als solcher zu einer hin- und rücklaufenden Welle geformt wurde.
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20 zeigt einen weiteren Stator einer elektrischen Maschine mit vier bandförmigen Wicklungseinheiten. Der Stator besteht aus 90 Nuten die 10 Pole bilden. Auch hier befinden sich wieder 8 Leiter in einer Nut. Hier werden 4 Wicklungseinheiten mit 8 Drahtanfängen 30,32,34,36,38,40,42,44 verwendet. Dadurch können 8 Wicklungen parallelgeschaltet werden. Nicht jeder Pol weist einen Drahtanfang 30,32,34,36,38,40,42,44 auf. Diese Konfiguration lässt sich nur in dieser Anordnung erreichen, da weder über die Lochzahl (q=3) eine derartige Parallelschaltung erreicht werden kann, noch über die Polzahl 10.
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21 bis 23 zeigen Verfahrensschritte zur Erzeugung einer spiralförmigen Wicklung aus zwei bandförmigen Wicklungseinheiten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dargestellt ist ein Übertragungswerkzeug in Form eines Übertragungsdorns 14, der der Übertragung der Statorwicklung in den Statorkern dient.
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Exemplarisch ist in den 21-32 das Aufbringen einer ersten und einer zweiten Wicklungseinheit 12,13 auf den Übertragungsdorn gezeigt, wobei die beiden Wicklungseinheiten 12,13 auch hier der Übersicht halber nur durch jeweils einen ersten und einen zweiten Wicklungsleiter 2,2' repräsentiert werden. Die Wicklungsleiter 2,2' können jeweils einen Drahtanfang und ein Drahtende aufweisen oder alternativ über einen Umkehrpunkt zu einer Umkehrwicklung verbunden sein, sodass jede der Wicklungseinheiten 12,13 nur die Hälfte der Wicklungsanschlüsse aufweist als bei einer Wicklung ohne Umkehrpunkt.
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Wie zu erkennen ist, werden die Wicklungseinheiten 12,13 in Umfangsrichtung des Übertragungsdorn versetzt in Nuten des Übertragungsdorn eingebracht. Die Wicklungseinheiten 12,13 haben in 21 beim Anordnen der ersten Nutabschnitte in Nuten des Übertragungsdorns 14 zunächst noch eine flache, laterale Gestalt. Nachdem die ersten Nutabschnitte der jeweiligen Wicklungseinheiten in den Nuten fixiert sind, wird der Übertragungsdorn 14 gegen den Uhrzeigersinn gedreht (siehe 22). Hierdurch beginnt eine spiralförmige Verformung der bandförmigen Wicklungseinheiten 12,13, die sich durch weiteres Drehen des Übertragungsdorns 14 schließlich fortsetzt. Hierbei werden sukzessive sämtliche Nutabschnitte der Wicklungseinheiten 12,13 in Nuten des Übertragungsdorns 14 eingezogen.
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In einigen der Nuten des Übertragungsdorns 14 kommt es zur Überlappung von Nutabschnitten der ersten Wicklungseinheit 12 mit Nutabschnitten der zweiten Wicklungseinheit 13 - in 23 ist dies durch die vereinfachte Darstellung bei nur zwei Nuten zu erkennen. Durch diese Überlappung entsteht der bereits mehrfach angesprochene Verlauf der Radialpositionen von den Nutabschnitten in den Nuten, wie im Zusammenhang mit dem Gegenstand gemäß Patentanspruch 1 ausgeführt ist.
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Im Anschluss werden die auf diese Art und Weise auf den Übertragungsdorn aufgebrachten Wicklungseinheiten 12,13 in die nach innen geöffneten Nuten eines Stators eingebracht. Hierzu wird zunächst der mit den Wicklungseinheiten 12,13 bestückte Übertragungsdorn 14 axial in den zylinderförmigen Innenraum eines Stators eingeführt. Im Anschluss werden die Nutabschnitte radial aus den Nuten des Übertragungsdorns 14 in die Nuten des Stators expandiert. Dieser Verfahrensschritt ist exemplarisch in 24 dargestellt.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nicht einschränkend zu verstehen. Es ist möglich, erfindungsgemäße Wicklungseinheiten mit abweichender Leiterzahl sowie erfindungsgemäße Statoren mit abweichender Nutzahl, Polpaarzahl und abweichendem Nutfaktor herzustellen. Insbesondere ist die Anzahl der Radialpositionen nicht auf acht beschränkt, sondern kann geringer sein, beispielsweise vier, fünf oder sechs, oder größer sein, beispielsweise neun oder zehn. Ferner ist die Nutzahl nicht auf drei beschränkt, sondern kann davon abweichen, beispielsweise kann die Nutzahl zwei oder vier sein. Auch die Polpaarzahl und/oder die Phasenzahl können anderen als die gezeigten Werte annehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1’, 1’’, 1'’', 1’’’’
- Wicklungseinheit
- 2, 2', 2’’
- Wicklungsleiter
- 3, A, B
- Nutabschnitt
- 4
- Anschlussabschnitt
- 5
- erster Endabschnitt
- 6, 6'
- zweiter Endabschnitt
- 7
- erster Teilabschnitt
- 8
- zweiter Teilabschnitt
- 9
- Biegepunkt
- 10
- Stator
- 11
- Statorkern
- 12
- Erste Wicklungseinheit
- 13
- Zweite Wicklungseinheit
- 14
- Übertragungsdorn
- 20
- Statorwicklung
- 21
- Teil einer Statorwicklung
- 30
- Drahtanfang des ersten Leiters
- 31
- Drahtende des ersten Leiters
- 32
- Drahtanfang des zweiten Leiters
- 33
- Drahtende des zweiten Leiters
- 34
- Drahtanfang des dritten Leiters
- 35
- Drahtende des dritten Leiters
- 36
- Drahtanfang des vierten Leiters
- 37
- Drahtende des vierten Leiters
- 38
- Drahtanfang des fünften Leiters
- 39
- Drahtende des fünften Leiters
- 40
- Drahtanfang des sechsten Leiters
- 41
- Drahtende des sechsten Leiters
- 42
- Drahtanfang des siebten Leiters
- 43
- Drahtende des siebten Leiters
- 44
- Drahtanfang des achten Leiters
- 45
- Drahtende des achten Leiters
- 50
- erste Nut
- 51
- zweite Nut
- 52
- dritte Nut
- 53
- vierte Nut
- 54
- fünfte Nut
- L1, L2
- Lage der Wicklungseinheit
- N
- Nut
- Q
- Querrichtung
- RP
- Radialposition
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8779643 B2 [0003]
- US 7386931 B2 [0003]
- US 7269888 B2 [0003]
- US 7365467 B2 [0003]