DE102023203344B4 - Kontinuierlich verteilte Wicklung für eine elektrische Maschine, Stator, Rotor sowie elektrische Maschine mit der kontinuierlich verteilten Wicklung - Google Patents

Abstract

Die Anmeldung betrifft eine kontinuierlich verteilte Wicklung (1) insbesondere eine Wellenwicklung, für eine elektrische Maschine (100), wobei die zumindest teilweise parallel verlaufenden Wickelmatten (3) mit ihren jeweiligen Wendebereichen (W) eine Wendebereichanordnung (11) bilden, wobei die Wendebereichanordnung (11) jeweils eine der Lochzahl q entsprechenden Anzahl (A) an einzelnen Wendebereichen (W) umfasst, wobei die Wicklung (1) mehrere Wendebereichanordnungen (11) umfasst, wobei in den mehreren Wendebereichanordnungen (11) der Wicklung (1) jeweils ein Wendebereich (Wb) der einzelnen Wendebereiche (W) über einen verbleibenden Wendebereich (Wv) der einzelnen Wendebereiche (W) überbrückend verläuft. Die Erfindung betriff weiterhin einen Stator (90) mit der Wicklung (1), einen Rotor mit der Wicklung (1) sowie eine elektrische Maschine (100) mit der Wicklung (1).

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine kontinuierlich verteilte Wicklung, insbesondere eine Wellenwicklung, für eine elektrische Maschine, einen Stator mit der kontinuierlich verteilten Wicklung, einen Rotor mit der kontinuierlich verteilten Wicklung sowie eine elektrische Maschine mit der mit der kontinuierlich verteilten Wicklung.
• Zur Steigerung einer wirtschaftlichen Produktion und einer höheren Leistungsdichte elektrischer Maschinen kommen in neuen elektrifizierten Fahrzeugen oftmals Wicklungen mit Steckspulen zum Einsatz. Besonders die Hairpin-Technologie hat sich in diesem Bereich bereits teilweise etabliert. Dabei wird eine Vielzahl von einzelnen - meist U-förmig - gebogenen Steckspulen in Nuten eines Blechpakets angeordnet. Das Blechpaket kann ein Blechpaket des Stators oder des Rotors sein. Meist werden die Steckspulen an einer Seite am Blechpaket über ihren Endbereich mit einer Vielzahl von Fügestellen zueinander gefügt und/oder verschalten. Als Beispiele hierfür können aus dem Stand der Technik DE 10 2019 215 094 A1 , DE 10 2018 125 829 A1 oder auch DE 10 2021 132 259 A1 genannt werden.
• Zur Reduzierung der Fügestellen und einer Qualitätserhöhung innerhalb der Wicklung kann die Wicklung als eine Wellenwicklung ausgeführt werden. Bei der Wellenwicklung setzt sich die Wicklung aus mehreren sogenannten Wickelmatten mit jeweils zwei Endbereichen zusammen. Die wellenförmigen Wickelmatten können mehrmals entlang der Wicklung und über mehrere Lagen der Wicklung in den Nuten verlaufen. Die Wickelmatten können dabei mehrmals die axial verlaufenden Nuten durchlaufen. Der Bereich oder Abschnitt, in dem die Wickelmatte axial in der Nut verläuft, wird als Leiterbereich bezeichnet. Als Beispiel für Stand der Technik kann DE 10 2016 118 871 A1 genannt werden.
• Über die Endbereiche bzw. Kontaktbereiche können mehrere Wickelmatten zueinander kontaktiert oder angeschlossen werden. Dadurch kann eine absolute Anzahl an Fügestellen innerhalb einer Wicklung reduziert werden. Oftmals sind jeweils zwei Leiterbereiche über einen sogenannten Wendebereich miteinander verbunden. Zur Realisierung der kontinuierlich verteilten Wicklung, insbesondere der Wellenwicklung, müssen die Wickelmatten oftmals eine spezielle Biegung aufweisen. Innerhalb der Wickelmatte kann sich eine Vielzahl unterschiedlicher Biegeradien ergeben. Zur Realisierung der kontinuierlich verteilten Wicklung wird oftmals auch ein zusätzlicher Bauraum am Wickelkopf der Wicklung vorgesehen sein. Eine Wicklung als Wellenwicklung hat meistens auch mehr als zwei verschiedene Spulenweiten innerhalb der Wickelmatte bzw. Wicklung. Dadurch kann eine Wickelmatte eine Vielzahl unterschiedlicher Biegeradien aufweisen. Zum Einbringen der Vielzahl an unterschiedlichen Biegeradien sind komplexe Fertigungswerkzeuge notwendig. Durch die unterschiedlichen Biegungen und unterschiedlichen Spulenweiten kann sich zudem eine Asymmetrie innerhalb der Wicklung am Wickelkopf ergeben. Die Asymmetrie kann sich am Wickelkopf einer Anschlussseite und/oder einer Gegenanschlussseite der Wicklung ergeben. Durch die Asymmetrie kann eine unterschiedliche Temperaturverteilung innerhalb der Wicklung resultieren. Die Asymmetrie wird oftmals durch eine zusätzliche aktive Kühlung innerhalb der elektrischen Maschine ausgeglichen werden.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine kontinuierlich verteilte Wicklung, einen Stator, einen Rotor sowie eine elektrische Maschine mit der kontinuierlich verteilten Wicklung bereitzustellen, bei der die oben angegebenen Nachteile wenigstens teilweise verringert werden.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine kontinuierlich verteilte Wicklung nach Anspruch 1, einem Stator nach Anspruch 11, einem Rotor nach Anspruch 12 sowie einer elektrischen Maschine nach Anspruch 13. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
• Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine kontinuierlich verteilte Wicklung, insbesondere eine Wellenwicklung, für eine elektrische Maschine mit zumindest einer Phase und einer Lochzahl q von zumindest drei, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator aufweist, wobei der Rotor oder der Stator Nuten für eine Aufnahme der verteilten Wicklung aufweist, wobei die Wicklung mehrere in Umfangsrichtung der Wicklung verlaufende Wickelmatten umfasst und eine der Lochzahl q entsprechende Anzahl der mehreren Wickelmatten zumindest teilweise parallel nebeneinander verlaufen, wobei jede Wickelmatte mehrere axial zu einer Rotorachse verlaufende Leiterelemente umfasst, wobei jeweils zwei Leiterelemente einer Wickelmatte über einen Wendebereich im Bereich eines Wickelkopfs miteinander verbunden sind, wobei jede Wickelmatte mehrere Wendebereiche umfasst, wobei jede Wickelmatte an ihren Enden Kontaktbereiche aufweist, welche jeweils als Kontaktpin oder als Anschlusspin ausgeführt sind, wobei die zumindest teilweise parallel verlaufenden Wickelmatten mit ihren jeweiligen Wendebereichen eine Wendebereichanordnung () bilden, wobei die Wendebereichanordnung jeweils eine der Lochzahl q entsprechenden Anzahl an einzelnen Wendebereichen umfasst, wobei die Wicklung mehrere Wendebereichanordnungen umfasst, wobei in den mehreren Wendebereichanordnungen der Wicklung jeweils ein Wendebereich der einzelnen Wendebereiche über einen verbleibenden Wendebereich der einzelnen Wendebereiche überbrückend verläuft.
• Die kontinuierlich verteilte Wicklung kann sich aus mehreren Wickelmatten zusammensetzen. Die mehreren Wickelmatten können die kontinuierlich verteilte Wicklung bilden. Die mehreren Wickelmatten können zu der Wicklung verschalten sein.
• Bei der verteilten Wicklung kann die Wicklung jeweils über den Umfang der elektrischen Maschine verteilt sein. Die elektrische Maschine kann zumindest eine Phase aufweisen, wobei auch mehr Phasen, insbesondere drei Phasen, vorgesehen sein können. Es ist eine festgelegte Anzahl von magnetischen Polen vorgesehen, die über einen Umfang der elektrischen Maschine verteilt sind. Diese Anzahl kann einer Polzahl entsprechen und geradzahlig sein, da jeweils eine gleiche Anzahl von magnetischen Nord- und Südpolen vorliegt. Entweder der Rotor, der Stator oder Rotor und Stator der elektrischen Maschine können Nuten für eine Aufnahme der Wicklung aufweisen. Pro Phase können zwei oder mehr Wickelmatten parallel geschalten vorgesehen sein. Die Wickelmatte kann ein Spulenstrang sein. Jede Wickelmatte umfasst mehrere Leiterelemente, die jeweils in Reihe geschaltet sein können.
• Jede Wickelmatte weist an ihren Enden Kontaktbereiche auf. Eine Anzahl der Leiterelemente der Wickelmatte kann eine gerade Anzahl sein. Durch die gerade Anzahl der Leiterelemente können die Kontaktbereiche in einer Richtung axial zur Rotorachse auf der gleichen Seite angeordnet sein. Dadurch kann eine Fertigung und Montage der Wicklung erleichtert und vereinfacht werden. Über die Kontaktbereiche können die Wickelmatten zueinander verschalten werden. Die Verschaltung kann parallel oder in Reihe sein. Die Wickelmatten können zu einer Sternschaltung verschalten werden. Die Wickelmatten können zu einer Dreieckschaltung verschalten werden. Die Kontaktbereiche können als Kontaktpin ausgeführt sein. Über einen oder mehrere Kontaktpins kann die eine Wickelmatte mit einer anderen Wickelmatte der Wicklung verbunden oder elektrisch verschalten werden. Über den Anschlusspin kann die Wicklung mit einer Leistungselektronik verbunden oder elektrisch angeschlossen werden.
• Die Wicklung kann zylinderförmig oder rohrförmig sein. Innerhalb der Wicklung kann konzentrisch die Rotorachse verlaufen. Die axial verlaufenden Leiterelemente können parallel zur Rotorachse angeordnet sein. Die axial verlaufenden Leiterelemente können innerhalb der Wicklung in Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnet sein.
• Die Wickelmatten verlaufen zumindest teilweise parallel. Die Wickelmatten können räumlich unterschiedlich zueinander verlaufen. Je nach Betrachtungsweise oder räumlicher Betrachtung können die Wickelmatten parallel oder zumindest teilweise parallel verlaufen. Je nach Betrachtungsweise oder räumlicher Betrachtung können die Wickelmatten parallel verlaufen und aus einer anderen Betrachtungsweise oder räumlicher Betrachtung nicht parallel verlaufen.
• Die Wickelmatten sind jeweils einteilig ausgeführt und verlaufen über mehrere Lagen. Weiter weist die Wicklung zwei Wickelköpfe auf, in denen die Wendebereiche angeordnet sind.
• Der eine Wendebereich kann den verbleibenden Wendebereich überbrückend verlaufen. Als synonymer Begriff kann der eine Wendebereich den verbleibenden Wendebereich transponieren. Durch den überbrückenden Verlauf können die Wendebereiche der Wendebereichanordnung zueinander, aufeinander oder ineinander verflochten sein. Dadurch kann die Wicklung im Wickelkopf kompakter, platzsparender und symmetrischer ausgeführt werden.
• Die Wendebereichanordnung kann zwei oder mehrere Wendebereiche umfassen. Der überbrückend verlaufende Wendebereich kann einen oder mehrere Wendebereiche umfassen. Der verbleibende Wendebereich kann einen Wendebereich oder mehrere Wendebereiche umfassen. Der überbrückend verlaufende Wendebereich kann den verbleibenden Wendebereich untertunneln.
• In den mehreren Wendebereichanordnungen der Wicklung verläuft jeweils ein Wendebereich der einzelnen Wendebereiche über einen verbleibenden Wendebereich der einzelnen Wendebereiche überbrückend. Die mehreren Wendebereichanordnungen der Wicklung können alle in der Wicklung auftretenden Wendebereichanordnungen sein. Die Wendebereichanordnungen können mehrfach in Umfangsrichtung und allen Lagen der Wicklung gebildet sein.
• Weitere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
• Ausführungsformen der Erfindung werden beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
• 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Wicklung einer elektrischen Maschine
• 2 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Wicklung
• 3 eine schematische Darstellung einer Wendebereichanordnung in zwei Varianten
• 4 eine Darstellung mehrerer Wendebereichanordnungen in zwei Varianten
• 5 ein Ausführungsbeispiel für ein Wickelschema der erfindungsgemäßen Wicklung
• 6 eine Draufsicht auf einen Wickelkopf der erfindungsgemäßen Wicklung
• 7 mehrere Verschaltungsvarianten der erfindungsgemäßen Wicklung
• Vor einer detaillierten Beschreibung der Figuren folgen allgemeine Bemerkungen zu den Ausführungsformen.
• Der Begriff „Lochzahl“ beschreibt eine Anzahl an Nuten, z.B. im Stator der elektrischen Maschine je magnetischem Pol und Phase. Die Lochzahl wird mit dem Buchstaben q abgekürzt. Die Lochzahl q ist der Quotient aus der Nutanzahl N als Dividend und dem Produkt aus 2 mal der Polpaarzahl p mal Anzahl der Phasen m als Divisor. Die Formel lautet: q= N/(2p*m)
• Es gibt Ausführungsformen, bei denen in jeder der mehreren Wendebereichanordnungen eine Anzahl überbrückend verlaufender Wendebereiche und eine Anzahl verbleibender Wendebereiche jeweils in einer Beziehung zur Lochzahl q stehen, wobei zwei Varianten vorgesehen sind, die sich nach Folgenden Formeln ergeben: $$\text{A-Wb = 1 und A-Wv =q - 1;}$$

  

  oder $$\text{A-Wb = q-1 und A-Wv = 1}\text{.}$$

  
• Aus den Varianten ergeben sich verschiedene Verlaufsmöglichkeiten der Wendebereiche innerhalb der Wendebereichanordnung. Nachfolgende Ausführungsbeispiele sind für die Lochzahl q=3 und q=4. Die Lochzahl kann auch eine andere Zahl sein. Die verschiedenen Verlaufsmöglichkeiten sind nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele begrenzt.
• Ausführungsbeispiele bei q = 3:
• Variante 1 (q = 3): $$\text{A-Wb = 1 und A-Wv = 2}$$

  

  In Variante 1 (q = 3) verläuft ein Wendebereich überbrückend über zwei verbleibende Wendebereiche.
• Variante 2 (q = 3): $$\text{A-Wb = 2 und A-Wv = 1}$$

  

  In Variante 2 (q = 3) verlaufen zwei Wendebereiche überbrückend über einen verbleibenden Wendebereich.
• Ausführungsbeispiele bei q = 4:
• Variante 1 (q = 4): $$\text{A - Wb = 1 und A - Wv = 3}$$

  

  In Variante 1 (q = 4) verläuft ein Wendebereich überbrückend über drei verbleibende Wendebereiche.
• Variante 2 (q = 4): $$\text{A-Wb = 3 und A-Wv = 1}$$

  

  In Variante 2 (q = 4) verlaufen drei Wendebereiche überbrückend über einen verbleibenden Wendebereich.
• Es gibt Ausführungsformen, bei denen die zwei durch den Wendebereich verbundenen Leiterelemente mit einer definierten Spulenweite zueinander in Umfangsrichtung beabstandet sind, wobei die Wickelmatte und/oder die Wicklung höchstens zwei unterschiedliche definierte Spulenweiten umfasst.
• Durch die zuvor beschriebene Wendebereichanordnung kann die Wickelmatte derart ausgeführt sein, dass höchstens zwei unterschiedliche Spulenweiten in der Wickelmatte und/oder Wicklung auftreten. Die Spulenweite kann einer Summe entsprechen, um wie viele Leiterelemente oder Nuten das zweite Leiterelement zu dem ersten Leiterelement beabstandet in Umfangsrichtung versetzt ist.
• Es kann eine Spulenweite in der Wickelmatte und/oder Wicklung geben. Es kann zwei Spulenweiten in der Wickelmatte und/oder Wicklung geben. Dadurch, dass die maximale Anzahl an Spulenweiten innerhalb der Wickelmatte und der Wicklung auf zwei begrenzt ist, kann die Symmetrie der Wicklung erhöht werden. Zugleich kann eine Asymmetrie reduziert werden. Es kann die Symmetrie der Wicklung innerhalb des Wickelkopfs erhöht werden. Es kann die Symmetrie der Wicklung beider Wickelköpfe zueinander erhöht werden. Durch die Symmetrie kann die thermische Verteilung innerhalb der Wicklung gleichmäßiger sein. Durch die Symmetrie kann ein thermisches Verhalten günstig sein.
• Dadurch, dass die Anzahl auf maximal zwei unterschiedliche Spulenweiten begrenzt ist, kann ein Fertigungswerkzeug zur Herstellung der Wickelmatte mit einer geringeren Komplexität hergestellt werden. Dadurch können Herstellungskosten reduziert werden.
• Es gibt Ausführungsformen, bei denen in der Wickelmatte und/oder der Wicklung zwei unterschiedliche definierte Spulenweiten auftreten, wobei zwei Varianten vorgesehen sind, die jeweils in einer Beziehung zur Lochzahl q stehen und sich nach Folgenden Formeln ergeben: $$\text{Sw1 = q*3-1 und Sw2 = q*3+}\left(\text{q-1}\right);\text{ oder}$$

  

  $$\text{Sw1 = q*3-}\left(\text{q -1}\right)\text{ und Sw2 = q*3+1}$$

  
• Aus den Formeln ergeben sich verschiedene Varianten, wobei zwei unterschiedliche Spulenweiten innerhalb der Wickelmatte und/oder Wicklung auftreten können.
• Nachfolgende Ausführungsbeispiele sind für die Lochzahl q=3 und q=4. Die zwei unterschiedlichen Spulenweiten innerhalb der Wickelmatte und/oder Wicklung sind nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele begrenzt.
• Ausführungsbeispiele bei q = 3: Variante 1 (q = 3): $$\text{Sw1 = 8 und Sw2 = 11}$$

  

  In Variante 1 (q = 3) ist eine erste Spulenweite 8 und eine zweite Spulenweite 11. Variante 2 (q = 3): $$\text{Sw1 = 7 und Sw2 = 10}$$

  

  In Variante 2 (q = 3) ist eine erste Spulenweite 7 und eine zweite Spulenweite 10.
• Ausführungsbeispiele bei q = 4: Variante 1 (q = 4): $$\text{Sw1 = 11 und Sw2 = 15}$$

  

  In Variante 1 (q = 4) ist eine erste Spulenweite 11 und eine zweite Spulenweite 15. Variante 2 (q = 4): $$\text{Sw1 = 9 und Sw2 = 13}$$

  

  In Variante 2 (q = 4) ist eine erste Spulenweite 9 und eine zweite Spulenweite 13.
• Es gibt Ausführungsformen, bei denen jede Wickelmatte einstückig ausgeführt ist und von einem äußeren Umfang der Wicklung oder der Nut zu einem inneren Umfang der Wicklung oder der Nut über mehrere Lagen verläuft. Die Wickelmatte innerhalb der Wicklung kann einteilig ausgeführt sein. Die Wickelmatte kann auch mehrteilig oder mehrstückig ausgeführt sein.
• Durch eine einstückige Ausführung der Wickelmatte kann eine Anzahl an einzelnen Elementen, aus der sich die Wicklung zusammensetzt, reduziert werden. Dadurch kann eine Anzahl an erforderlichen Fügestellen oder Schweißstellen reduziert werden. Dadurch kann ein Fertigungsaufwand verringert werden.
• Jede Wickelmatte innerhalb der Wicklung kann einmal oder mehrmals um die Rotorachse herum verlaufen. Die Wickelmatte kann in allen Lagen der Wicklung verlaufen.
• Es gibt Ausführungsformen, bei denen die überbrückend verlaufenden Wendebereiche jeweils in einem identischen Ebenenbereich entlang der Rotorachse verlaufen und die verbleibenden Wendebereiche jeweils in einem identischen Ebenenbereich entlang der Rotorachse verlaufen.
• Der Ebenenbereich kann orthogonal zur Rotorachse ausgerichtet sein. Der Ebenenbereich kann eine Ebene sein. Der Ebenenbereich kann ein Abschnitt oder ein Bereich sein, der sich über einen Bereich entlang der Rotorachse erstreckt.
• Die überbrückend verlaufenden Wendebereiche können in einem entlang der Rotorachse höheren Ebenenbereich verlaufen als die verbleibenden Wendebereiche. Höher bedeutet in diesem Zusammenhang weiter von den Leiterelementen entfernt. Der überbrückend verlaufende Wendebereich kann innerhalb des Ebenenbereichs einen radialen Versatz haben.
• Es gibt Ausführungsformen, bei denen an jeder Wendebereichanordnung der mehreren Wendebereichanordnungen in allen Lagen und entlang des gesamten Umfangs der Wicklung jeweils ein Wendebereich der einzelnen Wendebereiche über einen verbleibenden Wendebereich der einzelnen Wendebereiche überbrückend verläuft. In allen Wendebereichanordnungen innerhalb der Wicklung kann jeweils ein Wendebereich der einzelnen Wendebereiche über einen verbleibenden Wendebereich der einzelnen Wendebereiche überbrückend verlaufen. Dadurch kann die Wicklung symmetrischer sein bzw. die Wendebereiche in der Wicklung symmetrischer angeordnet sein.
• Es gibt Ausführungsformen, bei denen an dem überbrückend verlaufenden Wendebereich ein radial nach innen oder nach außen verlaufender Verbindungsbereich ausgebildet ist. Der Verbindungsbereich kann ein Abschnitt des Wendebereichs sein. Der Verbindungsbereich kann die zu verbindenden Leiterelemente zueinander verbinden.
• Der Verbindungsbereich kann ein Überbrückungsbereich sein. Der Verbindungsbereich kann ein Sprungbereich sein. Der Verbindungsbereich kann einen radialen Versatz aufweisen. Mit dem radialen Versatz des Verbindungsbereichs können Leiterelemente in verschiedenen Lagen der Wicklung miteinander verbunden werden. Der Verbindungsbereich kann einen axialen Versatz aufweisen. Durch den axialen Versatz kann eine Höhendifferenz ausgeglichen werden. Der Verbindungsbereich kann einen Lagesprung verbinden. Der Verbindungsbereich kann einen Lagesprung ausgleichen. Lagesprung ist ein Übergang von einer Lage zu einer anderen Lage innerhalb der Wickelmatte und/oder der Wicklung. Der Verbindungsbereich kann einen radialen Versatz und einen axialen Versatz aufweisen. Durch den Verbindungsbereich können trotz verschiedener Lagebeziehungen und Lageanordnungen die Leiterelemente über den Wendebereich zueinander verbunden werden.
• Der Verbindungsbereich der überbrückenden Wendebereiche kann anders sein als der Verbindungsbereich der verbleibenden Wendebereiche. Die mehreren überbrückenden Wendebereiche oder die mehreren verbleibenden Wendebereiche können jeweils einen anderen Verbindungsbereich haben. Der radiale Versatz und der axiale Versatz des Verbindungsbereichs können von der entsprechenden Wicklung oder Konfiguration der elektrischen Maschine abhängen. Durch den Verbindungsbereich kann in axialer und/oder radialer Richtung der Wicklung Bauraum eingespart werden. Durch den Verbindungsbereich kann die Wicklung symmetrischer gestaltet werden.
• Es gibt Ausführungsformen, bei denen die Wicklung zwei Wickelköpfe aufweist, wobei an beiden Wickelköpfen in den mehreren Wendebereichanordnungen der Wicklung jeweils ein Wendebereich der einzelnen Wendebereiche über einen verbleibenden Wendebereich der einzelnen Wendebereiche überbrückend verläuft. Ein erster Wickelkopf kann auf einer Anschlussseite angeordnet sein. Ein zweiter Wickelkopf kann an einer Gegenanschlussseite angeordnet sein. Die Anschlussseite kann eine Schaltseite sein. Die Gegenanschlussseite kann eine Gegenschaltseite sein. Dadurch können beide Wickelköpfe sehr symmetrisch sein. Dadurch kann sich ein günstiges oder vorteilhaftes thermisches Verhalten ergeben.
• Es kann in allen Wendebereichanordnungen der Wicklung jeweils ein Wendebereich der einzelnen Wendebereiche über einen verbleibenden Wendebereich der einzelnen Wendebereiche überbrückend verlaufen.
• Es gibt Ausführungsformen, bei denen eine radiale Wickelkopfbreite der Wicklung maximal einer Tiefe der Nut am Rotor oder Stator entspricht. Die Wickelkopfbereite kann eine Breite, Dicke oder Stärke in radialer Richtung der Wicklung sein. Die Tiefe kann eine Tiefe in radialer Richtung sein. Die Nut kann in einem Blechpaket am Rotor oder Stator ausgebildet sein. Die Wickelkopfbreite kann geringer sein als die Tiefe der Nut. Der Wickelkopf kann in Umfangsrichtung radial nicht über die Nut herausragen. Dadurch kann der Wickelkopf und damit die Wickelkopfbreite insgesamt schmaler ausgeführt werden. Dadurch kann Bauraum in radialer Richtung eingespart werden.
• Es gibt Ausführungsformen, bei denen die Wicklung mehrere parallele Zweige mit jeweils zumindest einer Phase umfasst. Jeder Zweig kann 3 Phasen umfassen. Die Wicklung kann 2, 3 oder mehr parallele Zweige umfassen. Die Wicklung kann mehr parallele Zweige umfassen, als tatsächlich angeschlossen oder verschalten sind. Die parallelen Zweige könne über die Kontaktbereiche jeder Wellenwicklung zueinander elektrisch verschalten sein. Dadurch kann eine modulare Bauweise begünstigt werden. Dadurch kann eine unterschiedliche Spezifikation oder Konfiguration der elektrischen Maschine bei einer gleichen Wickelmatte und/oder Wicklung realisiert werden.
• Es gibt Ausführungsformen, bei denen die Wicklung mit den mehreren parallelen Zweigen über eine Verschaltungseinheit verschaltbar ist, wobei ein Zweig oder mehrere Zweige in der Wicklung über die Verschaltungseinheit verschaltbar sind. Es kann der Fall sein, dass weniger Zweige in der Wicklung über die Verschaltungseinheit verschalten sind als die mehreren Zweige in der Wicklung. Die Wicklung ist über die Verschaltungseinheit unterschiedlich verschaltbar. Es kann ein Zweig oder mehrere Zweige der parallelen Zweige verschalten werden. Die Wicklung kann als Sternschaltung, Dreieckschaltung oder kombiniert verschalten oder zusammengeschaltet werden. Dadurch können verschiedene Konfigurationen der elektrischen Maschine realisiert werden.
• Ein weiterer Aspekt der Anmeldung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, wobei der Stator mit der erfindungsgemäßen kontinuierlich verteilten Wicklung versehen ist. Der Stator kann ein feststehender, unbeweglicher Teil der elektrischen Maschine sein. Der Stator kann ein Statorblechpaket umfassen. In dem Stator oder dem Statorblechpaket können die Nuten axial in Umfangsrichtung um die Rotorachse herum verlaufen.
• Ein weiterer Aspekt der Anmeldung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine mit der erfindungsgemäßen kontinuierlich verteilten Wicklung. Der Rotor kann ein rotierendes Element der elektrischen Maschine sein. Der Rotor kann ein Läufer, Anker, Induktor oder Polrad der elektrischen Maschine sein.
• Ein weiterer Aspekt der Anmeldung betrifft eine elektrische Maschine mit mindestens der erfindungsgemäßen kontinuierlich verteilten Wicklung. Die elektrische Maschine kann eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug sein. Das Fahrzeug kann ein Kraftfahrzeug, Lastkraftfahrzeug, Zweirad, Schienenfahrzeug oder ein anderes Fahrzeug sein. Die elektrische Maschine kann eine Gleichstrommaschine oder Drehstrommaschine sein. Die Drehstrommaschine kann eine Synchronmaschine oder Asychronmaschine sein. Die elektrische Maschine kann auch eine andere beliebige elektrische Maschine sein.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Gleiche oder ähnliche Bauteile werden mit einheitlichen Bezugszeichen bezeichnet.
• 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen, kontinuierlich verteilten Wicklung 1 einer elektrischen Maschine 100. Die Wicklung 1 setzt sich aus mehreren zueinander und ineinander angeordneten Wickelmatten 3 zusammen. Die Wickelmatten 3 verlaufen teilweise parallel zueinander. Die Wicklung 1 ist in einem Blechpaket eines rohrförmigen Stators 90 angeordnet. Die Wicklung 1 und der rohrförmige Stator 90 sind konzentrisch um eine Rotorachse 50 herum angeordnet. In dem Stator 90 sind entlang eines inneren Umfangs Nuten 80 ausgeformt. Die Nuten 80 verlaufen axial und parallel zur Rotorachse 50. Die Nuten 80 sind in Umfangsrichtung radial beabstandet zueinander angeordnet. In den Nuten 80 verlaufen mehrere Leiterelemente 5 der Wickelmatten 3. Jeweils zwei Leiterelemente 5 sind über einen Wendebereich W miteinander verbunden. Die Wendebereiche W ragen an beiden Stirnseiten des Stators 90 aus dem Stator 90 heraus. Jeder aus dem Stator 90 herausragende Abschnitt der Wicklung 1 ist ein Wickelkopf 40. Mehrere Leiterelemente 5 und mehrere Wendebereiche W bilden jeweils zusammen eine der mehreren Wickelmatten 3. Die Wickelmatten 3 verlaufen mit ihren mehreren Leiterelementen 5 mehrmals in Umfangsrichtung in den Nuten 80 um die Rotorachse 50 herum. In den Nuten 80 verlaufen die Leiterelemente 5 in mehreren Lagen L. Innerhalb eines Abschnitts in Umfangsrichtung ragen am oberen Wickelkopf 40 mehrere Kontaktbereiche K als Kontaktpins 7 und Anschlusspins 9 heraus. Die Kontaktpins 7 sind an einem inneren Umfang der Wicklung 1 und einem äußeren Umfang der Wicklung 1 in Umfangsrichtung um die Rotorachse 50 herum angeordnet.
• An beiden Wickelköpfen 40 der Wicklung 1 sind mehrere Wendebereiche W der Leiterelemente 5 ausgebildet. Jeweils drei teilweise parallel verlaufende Wickelmatten 3 mit jeweils drei Wendebereichen W bilden gemeinsam eine Wendebereichanordnung 11. In 1 ist eine Wendebereichanordnung 11 exemplarisch eingekreist. Innerhalb der Wendebereichanordnung 11 verläuft ein Wendebereich Wb überbrückend über zwei verbleibende Wendebereiche Wv von einer Lage L zu einer anderen Lage L innerhalb der Wicklung 1. An einem U-förmigen Abschnitt der Wendebereiche W ist jeweils ein Verbindungsbereich 6 ausgebildet.
• 2 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Wicklung 1. 2 zeigt die Wicklung 1 im Stator 90 aus 1 in einer liegenden Position. Im Bereich des Stators 90 ist mittig eine Mittellinie M eingezeichnet. Die Mittellinie M unterteilt die Wicklung 1 und den Stator 90 in zwei gleich große Hälften. Eine Höhe der beiden Wickelköpfe 40 (ohne Kontaktbereiche K) wird über die Abstände D1 und D2 beschrieben werden. In 2 haben beide Wickelköpfe 40 eine identische bzw. symmetrische Höhe. Die Abstände D1 und D2 sind identisch.
• 3 zeigt eine schematische Darstellung der Wendebereichanordnung 11 in zwei Varianten A) und B). In beiden Wendebereichanordnungen 11 sind jeweils drei Wendebereiche W dargestellt. Jeweils im oberen (U-förmigen) Abschnitt der Wendebereiche W ist der Verbindungsbereich 6 angeordnet. In Variante A) überbrückt einer der drei Wendebereiche Wb die zwei verbleibenden Wendebereiche Wv. In Variante B) überbrücken zwei Wendebereiche Wb den verbleibenden Wendebereich Wv.
• 4 zeigt eine Darstellung mehrerer Wendebereichanordnungen 11 in zwei Varianten A) und B). Die Darstellungen in 4 unterscheiden sich zu den Darstellungen in 3 dahingehend, dass in 4 die Wendebereichanordnungen 11 innerhalb der Wicklung 1 dargestellt sind. Weiterhin sind mehrere Wendebereichanordnungen 11 innerhalb der Wicklung 1 dargestellt. Die mehreren Wendebereichanordnungen 11 sind sowohl in Umfangsrichtung der Wicklung 1 und in mehreren Lagen L der Wicklung 1 angeordnet. Der Verlauf der Wendebereiche W in Variante A) der 4 entspricht dem Verlauf der Wendebereiche in Variante A) der 3. Der Verlauf der Wendebereiche W in Variante B) der 4 entspricht dem Verlauf der Wendebereiche in Variante B) der 3.
• 5 zeigt ein beispielhaftes Wickelschema für zwei Zweige Z1 und Z2 mit der erfindungsgemäßen, kontinuierlich verteilen Wicklung 1. Die Wicklung 1 hat die beiden Spulenweiten Sw1 = 8 und Sw = 11. Die Wicklung 1 hat drei Phasen U, V, W.
• Das Wickelschema ist aus Gründen der Übersichtlichkeit unterteilt in 5A und 5B. Das Wickelschema ist in einer Tabellenform dargestellt. Die Tabelle hat 54 Spalten. Jede Spalte entspricht einer Nut 80. Im unteren Teil des Wickelschemas hat die Tabelle 6 Zeilen. Jede Zeile entspricht einer Lage L in der Wicklung 1. Die Wicklung 1 hat sechs Lagen L1 bis L6. Die Lage L1 ist am äußeren Durchmesser der Wicklung 1 angeordnet. Die Lage L6 ist am inneren Durchmesser der Wicklung 1 angeordnet. Die sechs Lagen L1 bis L6 sind zu drei Doppellagen zusammengefügt. Jeweils ein Sprung von Lage 2 zu Lage 3, von Lage 4 zu Lage 5 und von Lage 6 zu Lage 1 wird im Folgenden als Lagesprung bezeichnet. Im Lagesprung verläuft ein Wendebereich Wb überbrückend über einen verbleibenden Wendebereich Wv. In jeder Nut 80 verlaufen sechs Leiterelemente 5.
• Jeder Zweig Z1 und Z2 hat jeweils drei Wickelmatten 3 (U1 bis U6) mit mehreren Leiterelementen 5. Jeder einzelne Verlauf der mehreren Verläufe einer Wickelmatte 3 durch eine der 54 Nuten 80 wird als Leiterelement 5 bezeichnet. Der erste Zweig Z1 umfasst die Wickelmatten 3 U3, U2 und U5. Der zweite Zweig Z2 umfasst die Wickelmatten 3 U1, U4 und U6. Am äußeren Umfang der Wicklung 1 in der äußeren Lage L1 befinden sich mehrere Kontaktbereiche K bzw. Anschlusspins 9, die aus der Wicklung 1 herausragen.
• In 5 verläuft jede Wickelmatte 3 durch Nuten 80 in allen Lagen L1 bis L6 in Umfangrichtung der Wicklung 1. Aus jeder Wickelmatte 3 verlaufen sowohl innerhalb einer Lage L als auch in jeder Lage L1 bis L6 mehrere Leiterelemente 5 durch die Nuten 80. Die dünnen Pfeile zeigen exemplarisch einen Lagesprung. Die dickeren Pfeile zeigen ein jeweils letztes Leiterelement 5 einer der Wickelmatten 3 bzw. einen Kontaktbereich K der Wickelmatten 3. Die Leiterelemente 5 bzw. Kontaktbereiche K sind entsprechend den dickeren Pfeilen zueinander verbunden bzw. verschalten.
• 6 zeigt eine Wicklung 1 in einer Draufsicht auf den Wickelkopf 40 einer Gegenschaltseite. Die Wicklung 1 ist in Nuten 80 des Stators 90 angeordnet. Die Nuten 80 haben eine Tiefe T. Der Wickelkopf 40 hat eine Wickelkopfbreite 41. Die Wickelkopfbreite 41 ergibt sich aus einer Differenz zwischen einem äußeren Durchmesser (punktierter Kreis) und einem inneren Durchmesser (gestrichelter Kreis) der Wicklung 1. Der punktierte Kreis ist sowohl ein Grenzbereich der Wicklung 1 als auch ein Grenzbereich der Nut 80. In 6 ist die Wickelkopfbreite 41 geringer als die Tiefe T der Nut.
• In 7 sind beispielhaft drei Varianten 7A bis 7C von Verschaltungen der erfindungsgemäßen kontinuierlich verteilten Wicklung 1 dargestellt. In den drei Varianten ist die Wicklung 1 in einer Sternschaltung verschalten. Die Verschaltung ist nicht auf diese drei Varianten beschränkt. In den drei Varianten variiert die Verschaltung bei gleichbleibender Wicklung 1. Die langen, radial nach außen ragenden Pfeile sind jeweils ein Anschlusspin 9. Die kurzen, radial nach außen ragenden Pfeile sind jeweils ein Kontaktpin 7. Die punktierten Pfeile sind eine Verschaltung innerhalb der Wicklung 1.
• In der ersten Variante, dargestellt in 7A, ist die Wicklung 1 mit einem Zweig in der Sternschaltung verschalten. In der zweiten Variante, dargestellt in 7B, ist die Wicklung 1 mit zwei Zweigen in der Sternschaltung verschalten. In der dritten Variante, dargestellt in 7C, ist die Wicklung 1 mit drei Strängen in der Sternschaltung verschalten.
• Die erfindungsgemäße, kontinuierlich verteile Wicklung ist nicht auf den Einsatz in einer elektrischen Maschine für ein Fahrzeug begrenzt. Die Wicklung kann auch in jeder anderen beliebigen elektrisch betriebenen Baugruppe eingesetzt werden. Weitere Aspekte und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus den Ansprüchen.
• Bezugszeichen

1

Wicklung

3

Wickelmatte

5

Leiterelement

6

Verbindungsbereich

7

Kontaktpin

9

Anschlusspin

11

Wendebereichanordnung

40

Wickelkopf

41

Wickelkopfbereite

50

Rotorachse

80

Nut

90

Stator

100

Elektrische Maschine

q

Lochzahl

W

Wendebereich

Wb

Überbrückend verlaufender Wendebereich

Wv

Verbleibender Wendebereich

A

Anzahl

A-Wb

Anzahl überbrückend verlaufender Wendebereiche

A-Wv

Anzahl verbleibender Wendebereiche

Sw

Spulenweite

L

Lage

T

Tiefe der Nut

D

Abstand

M

Mittellinie

K

Kontaktbereich

Z

Zweig

Claims (13)

1. Kontinuierlich verteilte Wicklung (1) in Form einer Wellenwicklung, für eine elektrische Maschine (100) mit zumindest einer Phase und einer Lochzahl q von zumindest drei, wobei die elektrische Maschine (100) einen Rotor und einen Stator aufweist, wobei der Rotor oder der Stator (90) Nuten (80) für eine Aufnahme der verteilten Wicklung (1) aufweist, wobei die Wicklung (1) mehrere in Umfangsrichtung der Wicklung (1) verlaufende Wickelmatten (3) umfasst und eine der Lochzahl q entsprechende Anzahl der mehreren Wickelmatten (3) zumindest teilweise parallel nebeneinander verlaufen, wobei jede Wickelmatte (3) mehrere axial zu einer Rotorachse (50) verlaufende Leiterelemente (5) umfasst, wobei jeweils zwei Leiterelemente (5) einer Wickelmatte (3) über einen Wendebereich (W) im Bereich eines Wickelkopfs (40) miteinander verbunden sind, wobei jede Wickelmatte (3) mehrere Wendebereiche (W) umfasst, wobei jede Wickelmatte (3) an ihren Enden Kontaktbereiche (K) aufweist, welche jeweils als Kontaktpin (7) oder als Anschlusspin (9) ausgeführt sind, wobei jede Wickelmatte (3) einstückig ausgeführt ist und von einem äußeren Umfang der Wicklung (1) oder der Nut (80) zu einem inneren Umfang der Wicklung (1) oder der Nut (80) über mehrere Lagen (L) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest teilweise parallel verlaufenden Wickelmatten (3) mit ihren jeweiligen Wendebereichen (W) eine Wendebereichanordnung (11) bilden, wobei die Wendebereichanordnung (11) jeweils eine der Lochzahl q entsprechenden Anzahl (A) an einzelnen Wendebereichen (W) umfasst, wobei die Wicklung (1) mehrere Wendebereichanordnungen (11) umfasst, wobei in den mehreren Wendebereichanordnungen (11) der Wicklung (1) jeweils ein Wendebereich (Wb) der einzelnen Wendebereiche (W) über einen verbleibenden Wendebereich (Wv) der einzelnen Wendebereiche (W) überbrückend verläuft, und dass die Wicklung (1) zwei Wickelköpfe (40) aufweist, wobei an beiden Wickelköpfen (40) in den mehreren Wendebereichanordnungen (11) der Wicklung (1) jeweils ein Wendebereich (Wb) der einzelnen Wendebereiche (W) über einen verbleibenden Wendebereich (Wv) der einzelnen Wendebereiche (W) überbrückend verläuft.
2. Kontinuierlich verteilte Wicklung (1) nach Anspruch 1, wobei in jeder der mehreren Wendebereichanordnungen (11) eine Anzahl (A-Wb) überbrückend verlaufender Wendebereiche (Wb) und eine Anzahl (A-Wv) verbleibender Wendebereiche (Wv) jeweils in einer Beziehung zur Lochzahl q stehen, wobei zwei Varianten vorgesehen sind, die sich nach Folgenden Formeln ergeben: $$\text{A-Wb = 1 und A-Wv = q - 1;}$$

   

   oder $$\text{A-Wb = q-1 und A-Wv = 1}\text{.}$$

   
3. Kontinuierlich verteilte Wicklung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zwei durch den Wendebereich (W) verbundenen Leiterelemente (5) mit einer definierten Spulenweite (Sw) zueinander in Umfangsrichtung beabstandet sind, wobei die Wickelmatte (3) und/oder die Wicklung (1) höchstens zwei unterschiedliche definierte Spulenweiten (Sw1, Sw2) umfasst.
4. Kontinuierlich verteilte Wicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Wickelmatte (3) und/oder der Wicklung (1) zwei unterschiedliche definierte Spulenweiten (Sw1, Sw2) auftreten, wobei zwei Varianten vorgesehen sind, die jeweils in einer Beziehung zur Lochzahl q stehen und sich nach Folgenden Formeln ergeben: $$\text{Sw1 = q*3-1 und Sw2 = q*3+}\left(\text{q-1}\right);$$

   

   oder $$\text{Sw1 = q*3-}\left(\text{q-1}\right)\text{ und Sw2 = q*3+1}\text{.}$$

   
5. Kontinuierlich verteilte Wicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die überbrückend verlaufenden Wendebereiche (Wb) jeweils in einem identischen Ebenenbereich entlang der Rotorachse (50) verlaufen und die verbleibenden Wendebereiche (Wv) jeweils in einem identischen Ebenenbereich entlang der Rotorachse (50) verlaufen.
6. Kontinuierlich verteilte Wicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an jeder Wendebereichanordnung (11) der mehreren Wendebereichanordnungen (11) in allen Lagen (L) und entlang des gesamten Umfangs der Wicklung (1) jeweils ein Wendebereich (Wb) der einzelnen Wendebereiche (W) über einen verbleibenden Wendebereich (Wv) der einzelnen Wendebereiche (W) überbrückend verläuft.
7. Kontinuierlich verteilte Wicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an dem überbrückend verlaufenden Wendebereich (Wb) ein radial nach innen oder nach außen verlaufender Verbindungsbereich (6) ausgebildet ist.
8. Kontinuierlich verteilte Wicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine radiale Wickelkopfbreite (41) der Wicklung (1) maximal einer Tiefe (T) der Nut (80) am Rotor oder Stator (90) entspricht.
9. Kontinuierlich verteilte Wicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wicklung (1) mehrere parallele Zweige mit jeweils zumindest einer Phase umfasst.
10. Kontinuierlich verteilte Wicklung (1) nach Anspruch 9, wobei die Wicklung (1) mit den mehreren parallelen Zweigen über eine Verschaltungseinheit verschaltbar ist, wobei ein Zweig oder mehrere Zweige in der Wicklung (1) über die Verschaltungseinheit verschaltbar sind.
11. Stator (90) für eine elektrische Maschine (100), wobei der Stator (90) mit einer kontinuierlich verteilten Wicklung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 versehen ist.
12. Rotor für eine elektrische Maschine (100), wobei der Rotor mit einer kontinuierlich verteilten Wicklung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 versehen ist.
13. Elektrische Maschine (100) mit mindestens einer kontinuierlich verteilten Wicklung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

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