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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Wicklung für einen zylinderförmigen Rotor, insbesondere einen Schenkelpolrotor, für eine elektrische Maschine, einen Rotor mit der Wicklung sowie eine elektrische Maschine mit dem Rotor und der Wicklung.
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Es sind allgemein Wicklungen für Rotoren bekannt. Für die Wicklung stehen verschiedene Verfahren und Drähte zur Verfügung. Im Bereich der Traktionsmaschinen werden überwiegend Runddrahtwicklungen eingesetzt, die jeweils um einen Pol gewickelt werden. Im Bereich der Industriemotoren und Generatoren kommen des Weiteren auch Profilleiter zum Einsatz.
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Für Statoren von elektrischen Maschinen existiert darüber hinaus seit einigen Jahren die Hairpin-Wickeltechnik, bei der beispielsweise U- oder I-förmige Profildrähte in die Nuten des Stators eingesetzt werden. Anschließend werden die Profildrähte verformt und miteinander kontaktiert. Dies ist auch mit einer durchgängigen Leitermatte in Form einer Wellenwicklung möglich. Dadurch kann ein hoher Kupferfüllfaktor erreicht werden. Allerdings ist die Fertigung recht aufwendig und die Kontaktierung der einzelnen Profildrähte fehleranfällig.
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Weiterhin sind Verfahren und Wicklungen bekannt, bei denen die Wicklung durch gegossene Spulen gebildet wird. Dies erfolgt in einem komplexen Druckgussverfahren. Bei Wicklungen mit gegossenen Spulen kann sich im radialen Verlauf das Verhältnis von Leiterbreite zu Leiterdicke ändern. Allerdings haben diese Wicklungen aufgrund ihres Verfahrens eine begrenzte Variabilität, beispielsweise bei einem veränderten Anforderungsprofil an die Wicklung bzw. an die elektrische Maschine.
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Ein Problem, das sich bei Drahtwicklung ergibt, ist der ungenutzte Hohlraum zwischen den einzelnen Drähten. Durch den Einsatz von Drähten mit geringem Durchmesser kann ein Hohlraum zwischen den einzelnen Drähten verringert werden.
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Gleichzeitig erhöht sich dadurch jedoch der Isolationsanteil innerhalb der Nuten. Da der Draht über die komplette Länge innerhalb der Wicklung isoliert ist, wirkt sich dies merklich negativ auf den Kupferfüllfaktor aus. Weiterhin existiert fertigungsbedingt eine Trennung der verschiedenen bewickelten Pole, was zusätzlichen Platz benötigt. Dadurch reduziert sich der Kupferfüllfaktor weiter. Dies ist besonders bei Schenkelpolrotoren der Fall, da sich die Wicklungen zweier benachbarter Pole in je einer Nut befinden.
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Aus
DE 44 27 323 A1 ist aus dem Stand der Technik beispielsweise für elektrische Maschinen sowohl mit Permanentmagneten als auch mit Erregerspule bekannt, dass die Wicklung der Erregerspule von einem kontinuierlichen Bandmaterial gewickelt wird.
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Bei Schenkelpolrotoren ergibt sich zudem der Nachteil, dass ein Wickelraum zwischen den Wicklungen innerhalb einer Nut konstruktionsbedingt, nicht komplett ausgenutzt werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Wicklung, einen Rotor sowie eine elektrische Maschine mit der Wicklung bereitzustellen, bei der die oben angegebenen Nachteile wenigstens teilweise verringert werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wicklung nach Anspruch 1, einem Rotor nach Anspruch 7 sowie einer elektrischen Maschine nach Anspruch 12. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Wicklung für einen zylinderförmigen Rotor, insbesondere einen Schenkelpolrotor, für eine elektrische Maschine, wobei sich die Wicklung aus mehreren Lagen zusammensetzt, wobei die Wicklung mehrere Leiterabschnitte mit jeweils einem Leiterquerschnitt und mehrere Wendeabschnitte mit jeweils einem Wendequerschnitt umfasst, wobei die Leiterabschnitte dazu ausgebildet sind, bei im Rotor angeordneter Wicklung jeweils innerhalb einer Nut am Rotor axial entlang einer Rotationsachse des Rotors zu verlaufen und die Wendeabschnitte dazu ausgebildet sind, die Leiterabschnitte außerhalb der Nut zu verbinden, wobei die Leiterquerschnitte eine bogenartige Querschnittsform haben. Die Wicklung kann für einen Schenkelpolrotor sein.
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Die Wicklung kann allgemein die elektrischen Leiter einer elektrischen Maschine umfassen. Die Wicklung kann als Leiteranordnung bezeichnet werden. Die elektrische Maschine kann elektrische Leiter in einem Stator und/oder im Rotor beinhalten. Eine elektrische Maschine kann eine oder mehrere Wicklungen umfassen.
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Die Wicklung kann sich aus mehreren Lagen zusammensetzen, wobei die Wicklung bei der Anordnung im zylinderförmigen Rotor mehrmals in Umfangsrichtung zylinderförmig um die Rotationsachse herum verlaufen kann. Ein kompletter Umlauf der Wicklung in Umfangsrichtung kann einer Lage der Wicklung entsprechen. Die Wicklung kann radial nach innen oder nach außen verlaufen. Die Wicklung kann bei der Anordnung im Rotor eine zylinderförmige Grundgeometrie haben. Die Wicklung kann bei der Anordnung im Rotor aufgerollt sein. Die Wicklung kann vor der Anordnung im Rotor ausgerollt sein.
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Die bogenartige Querschnittsform der Leiterquerschnitte kann im Wesentlichen konzentrisch zur Rotationsachse ausgerichtet sein. Die Leiterquerschnitte können bei nicht im Rotor angeordneter Wicklung eine ebene Querschnittsform haben. Die Leiterquerschnitte können bei nicht im Rotor angeordneter Wicklung eine nicht bogenförmige Querschnittsform haben.
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Die Wendeabschnitte können bogenförmig außerhalb der Nut verlaufen. Die Wendeabschnitte können im Wesentlichen konzentrisch zur Rotationsachse ausgerichtet sein. Die Wendeabschnitte können außerhalb der Nut die Leiterabschnitte jeweils im Bereich einer ersten Stirnseite und/oder im Bereich einer zweiten Stirnseite des zylinderförmigen Rotors verbinden.
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Die Wicklung kann Anschlusselemente umfassen. Die Wicklung kann über die Anschlusselemente kontaktiert werden. Die Wicklung kann über die Anschlusselemente elektrisch verschalten und/oder angeschlossen werden. Die Wicklung kann eine Phase haben. Die Wicklung kann mit Gleichstrom versorgt werden. Die Wicklung kann eine Erregerwicklung sein.
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Durch die erfindungsgemäße Wicklung kann ein Nutfüllfaktor innerhalb der Nut erhöht werden. Weiterhin kann der Fertigungsaufwand der Wicklung reduziert werden.
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Weitere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
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Ausführungsformen der Erfindung werden beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wicklung in einem ausgerollten Zustand;
- 2 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Wicklung in einem aufgerollten Zustand;
- 3 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Wicklung;
- 4 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Wicklung aus einem zweistückigen Flachmaterial;
- 5 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Rotors mit der erfindungsgemäßen Wicklung;
- 6 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Rotors mit der erfindungsgemäßen Wicklung aus dem zweistückigen Flachmaterial; und
- 7 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit dem erfindungsgemäßen Rotor und der erfindungsgemäßen Wicklung.
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Vor einer detaillierten Beschreibung der Figuren folgen allgemeine Bemerkungen zu den Ausführungsformen.
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Der Begriff „Leiterabschnitt“ beschreibt allgemein den Abschnitt eines Leiters, der im Bereich der Nut am Rotor bzw. am Stator verläuft.
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Der „Leiterquerschnitt“ beschreibt allgemein den Querschnitt des Leiterabschnitts, dessen Fläche orthogonal zur Rotationsachse ausgerichtet ist.
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Der Begriff „Wendeabschnitt“ beschreibt allgemein den Abschnitt des Leiters, der außerhalb der Nut am Rotor bzw. am Stator verläuft. Die Wendeabschnitte der Wicklung bilden gemeinsam den Wickelkopf. Bei einem zylinderförmigen Rotor bzw. Stator ist der Wickelkopf oberhalb einer Stirnseite der zylinderförmigen Geometrie ausgebildet.
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Der „Wendequerschnitt“ beschreibt allgemein den Querschnitt des Wendeabschnitts, dessen Fläche parallel zur Rotationsachse ausgerichtet ist.
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Der „Koppelquerschnitt“ beschreibt allgemein den Querschnitt des Wendeabschnitts, dessen Fläche orthogonal zur Rotationsachse ausgerichtet ist.
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Der Begriff „Nutfüllfaktor“ bezeichnet das Verhältnis der effektiven Querschnittsfläche des Leiterabschnitts zur theoretisch maximalen Querschnittsfläche innerhalb der Nut.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen jeder Leiterabschnitt dazu ausgebildet ist, eine Lage der mehreren Lagen innerhalb der Nut zu bilden. Jeder Leiterabschnitt kann dazu ausgebildet sein, ein Volumen einer Lage innerhalb der Nut im Wesentlichen komplett auszufüllen. Dadurch kann der Wickelraum, der bislang konstruktionsbedingt nicht komplett ausfüllbar war, im Wesentlichen komplett ausgefüllt werden. Dadurch kann der Nutfüllfaktor in einem Rotor erhöht werden.
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Die mehreren Lagen können innerhalb der Nut radial beabstandet zueinander angeordnet sein. Die mehreren Leiterabschnitte können innerhalb der Nut radial beabstandet zueinander angeordnet sein. Die mehreren Lagen können in mehreren Schichten übereinander liegen. Die mehreren Leiterabschnitte können in mehreren Schichten übereinander liegen.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen die Wicklung aus einem mäanderförmigen Flachmaterial herstellbar ist. Die Wicklung kann aus einem mäanderförmigen Flachmaterial geformt sein.
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Bei dem mäanderförmigen Flachmaterial können die Leiterabschnitte parallel zueinander verlaufen. Die Leiterabschnitte mit den Wendeabschnitten können gemeinsam die Mäanderform bilden. Die Anschlusselemente der Wicklung können an einem Anfangsbereich und/oder einem Endbereich des mäanderförmigen Flachmaterials ausgebildet sein. Die Anschlusselemente können jeweils mit einem der Leiterabschnitte verbunden sein. Das Anschlusselement und der jeweilige Leiterabschnitt können einstückig sein.
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Bei dem mäanderförmigen Flachmaterial können die Wendequerschnitte bei einer Anordnung im Rotor aufgerollt radial übereinander liegen. Die Anzahl der aufgerollt radial übereinander liegenden Wendequerschnitt kann der Anzahl der Lagen der Wicklung entsprechen. Die Wicklung kann mehrere dieser aufgerollt radial übereinander liegenden Wendequerschnitte umfassen.
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In einem anderen Beispiel können bei einer Lagenanzahl von beispielsweise 4 jeweils zwei Wendeabschnitte aufgerollt radial übereinander liegen. Die jeweils zwei aufgerollt radial übereinander liegenden Wendeabschnitte können zueinander entlang der Umfangsrichtung U um die Rotationsachse 30 herum verschoben sein. Dadurch kann ein Wickelkopf erzeugt werden, der ausbalanciert ist. Dadurch kann der Wickelkopf radial dünner ausgeführt werden. In diesem Beispiel kann das mäanderförmige Flachmaterial sowohl einstückig als auch mehrstückig ausgeführt sein.
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Die Wicklung kann aus einem Flachmaterial gefertigt werden. Die Wicklung kann ein einstückiges Flachmaterial umfassen. Die Wicklung kann aus einem einstückigen Flachmaterial gebildet werden. Die Wicklung kann ein mehrstückiges Flachmaterial umfassen. Die Wicklung kann aus einem mehrstückigen Flachmaterial gebildet werden. Je nach Ausführung kann die Wicklung ausbalanciert am Rotor innerhalb der Nuten angeordnet sein. Dadurch kann sich ein besserer Rundlauf ergeben. Weiterhin kann dadurch eine radiale Breite des Wickelkopfs reduziert werden. Weiterhin kann das Gewicht reduziert werden. Das Gewicht kann lokal im Bereich des Wickelkopfes reduziert werden.
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Die Wicklung kann vor der Anordnung in dem Rotor vollständig aus dem Flachmaterial vorgefertigt sein. Das Flachmaterial kann blechartig sein. Das Flachmaterial kann ein Blech sein. Dadurch kann ein Fertigungsaufwand der Wicklung reduziert werden. Dadurch kann ein Automatisierungsgrad erhöht werden.
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Die Wicklung kann unter anderem in einem Stanz-, Schneid- oder Drahterosionsprozess aus dem Flachmaterial ausgeformt werden. Die Wicklung kann auch in einem anderen Prozess hergestellt werden. Dadurch kann der Automatisierungsgrad individuell angepasst werden. Beispielsweise kann die Wicklung seriell vorgefertigt werden.
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Die Wicklung kann nach dem Herstellungsprozess in einem ebenen bzw. flachen Zustand vorliegen. Dies kann den Transport zu einem Montageort begünstigen. In einem im Rotor angeordnetem Zustand kann die Wicklung spiralförmig sein.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen das Flachmaterial metallisch ist. Das Flachmaterial kann ein elektrisch leitendes Material sein. Das metallische Flachmaterial kann ein elektrisch leitendes Material sein.
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Das Flachmaterial kann unter anderem aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Silber, Gold oder einem anderen elektrisch leitendem Material sein.
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Die Wicklung aus dem Flachmaterial kann eine Isolationsschicht umfassen. Die Isolationsschicht kann ein Nichtleiter sein. Im Vergleich zu konventionellen Wicklungen ist bei der erfindungsgemäßen Wicklung eine Oberfläche aller Leiter zusammengefasst geringer. Bei der erfindungsgemäßen Wicklung kann ein Verhältnis von Isolationsmaterial zu Leitermaterial innerhalb einer Nut zusätzlich verringert werden. Dadurch kann ein höherer Nutfüllfaktor erreicht werden.
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Bei erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist eine Querschnittsfläche in jedem Leiterabschnitt und Wendeabschnitt gleich und eine geometrische Abmessung der Querschnittsfläche ist variabel. Die Querschnittsfläche kann innerhalb der kompletten Wicklung gleich sein. Die Querschnittsfläche des Leiterabschnitts und des Wendeabschnitts können gleich sein.
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Die geometrische Abmessung kann die geometrischen Eigenschaften der Querschnittsfläche beschreiben. Die geometrische Abmessung kann Seitenlängen beinhalten. Die geometrische Abmessung beinhaltet nicht die Querschnittsfläche.
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Erfindungsgemäß kann die Wicklung ein Flachmaterial mit variabler Wandstärke sein. Das kann beispielsweise durch ein Blech mit variabler Blechdicke in einem speziellen Walzprozess erfolgen. Der Walzprozess kann erfolgen, bevor die Wicklung in den Rotor angeordnet wird. Dadurch ist es möglich, die geometrische Abmessung der Querschnittsfläche variabel zu gestalten, bei gleicher Querschnittsfläche. Aufgrund einer Blechdickenanpassung kann die geometrische Abmessung variabel sein und die Querschnittsfläche konstant bleiben.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen die geometrische Abmessung der Querschnittsfläche innerhalb des Wendeabschnitts bei einem Lagenwechsel variabel ist. Die geometrische Abmessung kann innerhalb des Wickelkopfs variabel sein.
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Die geometrische Abmessung kann entlang eines Wendeabschnitts unterschiedlich sein. Die Wicklung kann Wendeabschnitte mit variabler geometrischer Abmessung und Wendeabschnitte mit gleicher geometrischer Abmessung umfassen.
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Bei einem Lagenwechsel kann ein Wechsel der Wicklung von beispielsweise einer Lage in eine andere Lage erfolgen. Der Wechsel kann in eine radiale Richtung erfolgen. Eine Änderung bzw. ein Ausgleich der geometrischen Abmessung von der einen Lage in die andere Lage kann in einem der Wendeabschnitte erfolgen.
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Durch die Variabilität kann auf die sich veränderliche geometrische Abmessung innerhalb der Nut reagiert werden. Dadurch kann die Fläche bzw. das Volumen je Lage innerhalb der Nut optimal durch den Leiterabschnitt ausgefüllt werden. Gleichzeitig kann eine gleichmäßige Materialverteilung gewährleistet werden.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen die geometrische Abmessung der Querschnittsflächen in unterschiedlichen Lagen variabel sind. Die geometrische Abmessung der Querschnittsflächen der Leiterabschnitte in unterschiedlichen Lagen kann variabel sein.
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Die Querschnittsfläche ändert sich bei variabler geometrischer Abmessung nicht. Dadurch kann ein gleichmäßiger schichtweiser Aufbau bei gleichbleibend hohem Nutfüllfaktor erreicht werden.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen die geometrische Abmessung des Leiterquerschnitts und die geometrische Abmessung des Wendequerschnitts jeweils eine erste Seitenlänge und eine zweite Seitenlänge umfasst, wobei die erste Seitenlänge jeweils kleiner ist als die zweite Seitenlänge.
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Die erste Seitenlänge und die zweite Seitenlänge können als eine jeweils gerade nicht bogenförmige Länge betrachtet werden, wenn die Wicklung nicht im Rotor angeordnet ist.
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Die erste Seitenlänge kann einer Wandstärke des Flachmaterials entsprechen. In einem im Rotor angeordneten Zustand kann die erste Seitenlänge eine radial zur Rotationsachse verlaufende Wandstärke sein.
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Die zweite Seitenlänge kann einer Breite des Leiterquerschnitts entsprechen. In einem im Rotor angeordnetem Zustand kann die zweite Seitenlänge im Wesentlichen konzentrisch um die Rotationsachse herum bogenförmig ausgerichtet sein.
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Die erste Seitenlänge kann innerhalb der gleichen Lage die gleiche Länge haben. Die erste Seitenlänge kann je bei unterschiedlicher Lage eine andere Seitenlänge haben. Diese Beziehung kann äquivalent zur zweiten Seitenlänge angewandt werden.
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Die erste Seitenlänge innerhalb einer Lage kann sich verkleinern, je weiter eine Lage der mehreren Lagen zur Rotationsachse entfernt angeordnet ist. Die zweite Seitenlänge innerhalb einer Lage kann sich vergrößern, je weiter eine Lage der mehreren Lagen zur Rotationsachse entfernt angeordnet ist.
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Ein weiterer Aspekt der Anmeldung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine mit der erfindungsgemäßen Wicklung. Der Rotor kann auch ein Läufer, ein Polrad oder ein Induktor sein. Der Rotor kann beispielsweise ein Rotor für Fahrzeuge, Industriemaschinen, Generatoren oder Traktionsantriebe sein.
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Der Rotor kann ein Rotor einer Innenpolmaschine sein. Der Rotor kann ein einphasiger Rotor sein. Der Rotor kann mit Gleichstrom betrieben werden.
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Die Nut im Rotor kann durch zwei sich gegenüberliegende/benachbarte Pole gebildet werden. Jeder Leiterabschnitt kann die Nut am Rotor innerhalb einer Lage im Wesentlichen komplett ausfüllen. Dadurch kann der Nutfüllfaktor deutlich erhöht werden.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen der Rotor ein Schenkelpolrotor ist.
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In einem äußeren Bereich des Schenkelpolrotors können Polschuhe ausgebildet sein. Die Polschuhe können T-förmig sein. Auf den Polschuhen innerhalb der Nut kann die Wicklung angeordnet sein. Die Wicklung kann eine Erregerwicklung sein.
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Bei konventionellen Schenkelpolrotoren bleibt konstruktionsbedingt immer ein Raum zwischen den benachbarten Wicklungen innerhalb derselben Nut. Hingegen kann durch die erfindungsgemäße Wicklung der Raum innerhalb der benachbarten Pole im Wesentlichen komplett ausgefüllt werden. Dadurch kann der Nutfüllfaktor erhöht werden.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen der Rotor segmentiert ist. Der Rotor kann mehrteilig sein. Der Rotor kann mehrstückig sein. Durch die Segmentierung kann eine Montage von Rotor und Wicklung vereinfacht werden.
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Der Rotor kann sich aus einem Joch und mehreren Polschuhen segmentiert zusammensetzen. Die Wicklung kann beispielsweise vor der Montage aufgerollt werden und um das Joch herum angeordnet werden. Anschließend können die Polschuhe von der radial außen liegenden Lage der Wicklung durch die Wicklung in radialer Richtung bis zu dem Joch geschoben werden. „Durch die Wicklung“ kann in diesem Zusammenhang bedeuten, dass die Polschuhe durch Zwischenräume in der Wicklung geschoben werden. Anschließend können die Polschuhe mit dem Joch über einen Verbindungsabschnitt verbunden werden. Anschließend können die Polschuhe mit dem Joch über den Verbindungsabschnitt gefügt werden. Die Polschuhe können axial mit dem Joch gefügt werden. Der Verbindungsabschnitt kann eine kraft-, form- oder stoffschlüssige Verbindung sein oder eine Kombination daraus.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen innerhalb der Nut im Rotor und innerhalb einer Lage der Wicklung ein einzelner Leiterabschnitt angeordnet ist.
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Der einzelne Leiterabschnitt innerhalb der Nut kann ein Volumen einer Lage innerhalb der Nut im Wesentlichen komplett auszufüllen. Dadurch kann der Wickelraum der Nut, der bislang konstruktionsbedingt nicht komplett ausfüllbar war, im Wesentlichen komplett durch den Leiterabschnitt ausgefüllt werden. Dadurch kann der Nutfüllfaktor in dem Rotor erhöht werden.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen an dem Rotor ein Polschuh ausgebildet ist, wobei eine zur Rotationsachse zeigende innere Kontur des Polschuhs eine bogenartige Kontur aufweist. Der Polschuh kann allgemein T-förmig sein.
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Die zur Rotationsachse zeigende innere Kontur des Polschuhs kann in einem oberen Abschnitt des T-förmigen Polschuhs ausgebildet sein. Aufgrund der bogenartigen Kontur kann der Polschuh in dem oberen Abschnitt runddachförmig ausgebildet sein. Hingegen ist bei bisherigen Polschulen der obere Abschnitt kreissegmentförmig ausgebildet.
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Die bogenartige Kontur am Polschuh kann im Wesentlichen konzentrisch zur bogenartigen Querschnittsform des Leiterabschnitts ausgerichtet sein.
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Der Polschuh mit runddachförmigem oberem Abschnitt kann in Kombination mit der erfindungsgemäßen Wicklung einen zusätzlichen positiven Effekt erzielen. Dadurch, dass die Leiterabschnitte der Wicklung eine bogenartige Querschnittsform haben und die innere Kontur des Polschuhs ebenfalls eine bogenartige Kontur aufweist, kann mehr Platz für die Wicklung innerhalb der Kontur zur Verfügung stehen. Dadurch kann der Nutfüllfaktor erhöht werden. Dadurch kann auch der Rotor kompakter gebaut werden.
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Durch den erfindungsgemäßen Rotor kann die Effizienz der elektrischen Maschine verbessert werden.
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Ein weiterer Aspekt der Anmeldung betriff eine elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Rotor und der erfindungsgemäßen Wicklung.
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Die elektrische Maschine kann eine elektrische Maschine für Fahrzeuge, Industriemaschinen, Generatoren oder Traktionsantriebe sein. Das Fahrzeug kann ein Kraftfahrzeug, Lastkraftfahrzeug, Zweirad, Schienenfahrzeug oder ein anderes Fahrzeug sein.
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Es gibt Ausführungsformen, bei denen die elektrische Maschine eine elektrisch erregte Synchronmaschine ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Gleiche oder ähnliche Bauteile werden mit einheitlichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Wicklung 1 in einem ausgerollten Zustand. Zur besseren Darstellung ist die Wicklung 1 geschnitten dargestellt. 1 zeigt die erfindungsgemäße Wicklung 1 exemplarisch. Die erfindungsgemäße Wicklung 1 ist nicht auf die schematische Darstellung beschränkt.
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Die Wicklung 1 ist aus einem einstückigen Flachmaterial 11 hergestellt. Das Flachmaterial 11 ist mäanderförmig mit drei Mäandern ausgebildet. Der Schnitt ist jeweils zwischen den drei Mäandern erfolgt. Die Wicklung setzt sich aus mehreren Leiterabschnitten 3 und mehreren Wendeabschnitten 7 zusammen. Jeweils zwei Leiterabschnitte 3 sind mit einem Wendeabschnitt 7 verbunden. Die Leiterabschnitte sind an einem oberen und einem unteren Ende mit jeweils einem Wendeabschnitt 7 verbunden. Die Wendeabschnitte 7 bilden jeweils einen oberen und einem unteren Abschluss der Wicklung 1.
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An dem ersten Leiterabschnitt 3_1 des ersten Mäanders ist an dem unteren Ende ein Anschlusselement 15 ausgebildet. Das Anschlusselement 15 ragt über den Wendeabschnitt 7 hinaus. Der erste Leiterabschnitt 3_1 bzw. das Anschlusselement 15 ist mit keinem Wendeabschnitt 7 verbunden.
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Die Leiterabschnitte 3 haben jeweils einen Leiterquerschnitt 5 mit einer Querschnittsfläche 13. Die in 1 dargestellte Wicklung 1 ist so ausgeführt, dass insgesamt drei Lagen L1 bis L3 bei einer Anordnung in einem Rotor 50 gebildet werden. Die erste Lage L1 ist die innerste Lage L der Wicklung 1. Die Lage L2 ist die mittlere Lage L der Wicklung 1. Die Lage L3 ist die äußerste Lage L der Wicklung 1.
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Eine geometrische Abmessung des Leiterquerschnitts 5 verändert sich jeweils nach einem Lagenwechsel. Die Querschnittsfläche 13 bleibt hingegen gleich. Die erste Lage L1 hat den Leiterquerschnitt 5_1. Der Leiterquerschnitt 5_1 ist in der Schnittdarstellung A-A dargestellt. Die zweite Lage L2 hat den Leiterquerschnitt 5_2. Der Leiterquerschnitt 5_2 ist in der Schnittdarstellung B-B dargestellt. Die dritte Lage L3 hat den Leiterquerschnitt 5_3. Der Leiterquerschnitt 5_3 ist in der Schnittdarstellung C-C dargestellt.
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Alle drei Leiterquerschnitte 5_1, 5_2, 5_3 haben einen rechteckigen Querschnitt mit jeweils einer geometrischen Abmessung. Die geometrische Abmessung des rechteckigen Querschnitts wird jeweils durch eine erste Seitenlänge a und eine zweite Seitenlänge b gebildet. Die erste Seitenlänge a ist in allen Leiterquerschnitten 5_1, 5_2, 5_3 jeweils kleiner als die zweite Seitenlänge b. Der erste Leiterquerschnitt 5_1 hat die erste Seitenlänge a1 und die zweite Seitenlänge b1. Der zweite Leiterquerschnitt 5_2 hat die erste Seitenlänge a2 und die zweite Seitenlänge b2. Der dritte Leiterquerschnitt 5_3 hat die erste Seitenlänge a3 und die zweite Seitenlänge b3.
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Die ersten Seitenlängen a1, a2, a3 stehen in folgender Beziehung zueinander:
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Die zweiten Seitenlängen b1, b2, b3 stehen in folgender Beziehung zueinander:
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Die erste Seitenlänge a verkleinert sich, je weiter außen die Lage L an der Wicklung 1 angeordnet ist. Die zweite Seitenlänge b vergrößert sich, je weiter außen die Lage L an der Wicklung 1 angeordnet ist.
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Der Lagenwechsel der Wicklung 1 erfolgt in 1 im oberen Wendeabschnitt 7. Die Wendeabschnitte 7 haben einen Wendequerschnitt 9 mit einer Querschnittsfläche 13. Die Querschnittsfläche 13 der Wendeabschnitte 7 ist identisch zu der Querschnittsfläche 13 der Leiterabschnitte 3. Die Querschnittsfläche 13 ist innerhalb des Wendeabschnitts 7 gleich. Beim Lagenwechsel variiert die geometrische Abmessung des Leiterquerschnitts 9 innerhalb des Wendeabschnitts 7.
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Der Lagenwechsel ist schematisch in 1 im Wendeabschnitt 7_2 dargestellt. Der Wendeabschnitt 7_2 verbindet den Leiterabschnitt 3 der ersten Lage L1 mit dem Leiterabschnitt 3 der zweiten Lage L2. Im Wendeabschnitt 7_2 wird die Änderung der geometrischen Abmessung des Leiterquerschnitts 5_1 zu der geometrischen Abmessung des Leiterquerschnitts 5_2 ausgeglichen bzw. überbrückt. Die geometrische Abmessung des Wendeabschnitts 7 setzt sich ebenfalls aus einer ersten Seitenlänge a und einer zweiten Seitenlänge b zusammen.
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Der Wendeabschnitt 7_2 hat im Bereich des ersten Leiterabschnitts L1 einen Wendequerschnitt 9_1. Der Wendequerschnitt 9_1 ist in der Schnittdarstellung D1-D1 dargestellt. Die geometrische Abmessung des Wendequerschnitts 9_1 entspricht der geometrischen Abmessung des Leiterquerschnitts 5_1. Der Wendequerschnitt 9_1 hat eine erste Seitenlänge a1 und eine zweite Seitenlänge b1. Im Bereich des zweiten Leiterabschnitts L2 hat der Wendeabschnitt 7_2 einen Wendequerschnitt 9_2. Der Wendequerschnitt 9_2 ist in der Schnittdarstellung D2-D2 dargestellt. Die geometrische Abmessung des Wendequerschnitts 9_2 entspricht der geometrischen Abmessung des Leiterquerschnitts 5_2. Der Wendequerschnitt 9_2 hat eine erste Seitenlänge a2 und eine zweite Seitenlänge b2.
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Zwischen dem Wendequerschnitt 9_1 und dem Wendequerschnitt 9_2 befindet sich der Wendequerschnitt 9_12 zum Ausgleichen bzw. Überbrücken der verschiedenen Leiterquerschnitte 5_1, 5_2. Die geometrische Abmessung des Wendequerschnitts 9_12 liegt in einem Bereich zwischen der geometrischen Abmessung des Wendequerschnitts 9_1 und des Wendequerschnitts 9_2. Der Wendequerschnitt 9_12 hat eine erste Seitenlänge a12 und eine zweite Seitenlänge b12. Die erste Seitenlänge a12 ist kleiner als die erste Seitenlänge a1 und größer als die erste Seitenlänge a2. Die zweite Seitenlänge b12 ist größer als die zweite Seitenlänge b1 und kleiner als die zweite Seitenlänge a2.
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Der Wendequerschnitt 9_12 kann sich einer beliebigen Position zwischen den Wendequerschnitten 9_1 und 9_2 befinden. Die Querschnittsfläche 13 ist im gesamten Wendequerschnitt 7_2 gleich.
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Erfolgt kein Lagenwechsel, ist die geometrische Abmessung entlang des Wendequerschnitts 7 gleich.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht der Wicklung 1 aus 1 in einem aufgerollten Zustand. Die äußere Geometrie der in 2 dargestellten Wicklung 1 ist keilförmig. Die drei Leiterquerschnitte 5_1, 5_2, 5_3 der drei Leiterabschnitte 3 haben eine bogenartige Querschnittsform und sind gestapelt zueinander angeordnet. Die geometrische Abmessung der Leiterquerschnitte 5_1, 5_2, 5_3 variiert in der Weise, wie bereits in 1 erläutert.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Wicklung 1. Die Wicklung 1 ist konzentrisch um eine Rotationsachse 30 ausgerichtet. Die Wicklung 1 ist aus dem Flachmaterial 11 ausgebildet. Das Flachmaterial 11 ist einstückig. Im Gegensatz zur schematischen Darstellung in 1 ist in 3 die Wicklung 1 mit dem mäanderförmigen Flachmaterial 11 zylinderförmig aufgerollt. Die Wicklung 1 setzt sich aus vier Lagen L zusammen. Jeweils vier Leiterabschnitte 3 und jeweils vier Wendeabschnitte 7 liegen aufgerollt übereinander.
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Alle Leiterabschnitte 3 verlaufen parallel zu der Rotationsachse 30. Die Fläche des Leiterquerschnitts 5 ist orthogonal zur Rotationsachse 30 ausgerichtet. Alle Leiterabschnitte 3 in der Wicklung 1 haben einen Leiterquerschnitt 5 mit jeweils einer bogenartigen Querschnittsform. Der Leiterquerschnitt 5 ist in 3 schematisch als gestrichelte Linie eingezeichnet. Die bogenartigen Leiterquerschnitte 5 sind im Wesentlichen konzentrisch um die Rotationsachse 30 ausgerichtet.
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Jeweils ein Wendeabschnitt 7 verbindet zwei Leiterabschnitte 3. Ein daraus resultierender Querschnitt ist ein Koppelquerschnitt 8. Die Fläche des Koppelquerschnitts 8 ist orthogonal zur Rotationsachse 30 ausgerichtet. Der Koppelquerschnitt 8 erstreckt sich über eine Länge von zwei Leiterabschnitten 3 und einen Wendeabschnitt 7. Der Koppelquerschnitt 8 hat eine bogenartige Querschnittsform und ist im Wesentlichen konzentrisch um die Rotationsachse 30 herum ausgerichtet. Der Koppelquerschnitt 8 ist in 3 schematisch als gestrichelte Linie eingezeichnet. In 3 liegen jeweils vier Koppelquerschnitte 8 aufgerollt radial übereinander. An einem unteren Ende des Leiterabschnitts 3 ist ein Anschlusselement 15 ausgebildet.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Wicklung 1 aus einem zweistückigen Flachmaterial 11. Die Wicklung 1 aus dem Flachmaterial 11 ist ausgebildet wie in 3. Im Unterschied zu 3 ist in 4 die Wicklung 1 aus zwei Flachmaterialen 11 zweistückig ausgebildet. Jeweils die Wendeabschnitte 7 der zwei inneren Lagen L1, L2 und die Wendeabschnitte 7 der zwei äußeren Lagen L3, L4 liegen aufgerollt radial übereinander. Die Wendeabschnitte 7 der zwei inneren Lagen L1, L2 und die Wendeabschnitte der zwei äußeren Lagen L3, L4 sind zueinander entlang einer Umfangsrichtung U um die Rotationsachse 30herum verschoben. Die Wendeabschnitte 7 der zwei inneren Lagen L1, L2 und die Wendeabschnitte 7 der zwei äußeren Lagen L3, L4 sind gewichtsmäßig ausbalanciert zueinander verschoben. Die zwei Flachmaterialien 11 der Wicklung 1 sind über die Anschlusselemente 15 kontaktiert.
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5 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor 50 mit der erfindungsgemäßen Wicklung 1 in einer perspektivischen Ansicht. Die Wicklung 1 entspricht der Wicklung 1 aus 3. Der zylinderförmige Rotor 50 ist konzentrisch um die Rotationsachse 30 ausgerichtet. Der Rotor 50 setzt sich aus einem zylinderförmigen Joch 57 und mehreren T-förmigen Polschuhen 53 zusammen. Durch das Joch 57 und die mehreren Polschuhe 53 werden mehrere Nuten 51 ausgebildet. Die Nuten 51 verlaufen parallel zur Rotationsachse 30. Die Nuten 51 sind in Umfangsrichtung U gleichmäßig beabstandet zueinander ausgerichtet. In den Nuten 51 verlaufen die Leiterabschnitte 3 der Wicklung 1. Im Bereich einer oberen und einer unteren Stirnseite des Rotors 50 verlaufen jeweils die Wendeabschnitte 7. Die Wendeabschnitte 7 bilden gemeinsam jeweils einen oberen und einen unteren Wickelkopf 10 des Rotors 50. In einem unteren Bereich ist das Anschlusselement 15 der Wicklung 1 angeordnet.
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6 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor 50 mit der Wicklung 1 in einer perspektivischen Ansicht. Im Unterschied zu 5 entspricht die Wicklung 1 der Wicklung 1 aus 4. Der Rotor 50 ist in 5 und 6 identisch ausgeführt. Im Unterschied zu 5 sind die Wendeabschnitte 7 gewichtsmäßig ausbalanciert um den Rotor 50 herum in Umfangsrichtung U angeordnet. Der Wickelkopf 10 ist gleichmäßig verteilt.
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7 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 100 mit dem erfindungsgemäßen Rotor 50 mit der erfindungsgemäßen Wicklung 1. Die elektrische Maschine 100 ist in 7 schematisch mit gestrichelten Linien dargestellt. Die weiteren, üblicherweise bekannten Komponenten der elektrischen Maschine 100 sind aus Gründen der Übersicht nicht dargestellt.
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Der Rotor 50 setzt sich segmentiert aus dem Joch 57 und den Polschuhen 53 zusammen. Das Joch 57 ist mit den Polschuhen 53 über einen Verbindungsabschnitt 59 verbunden. Jeweils eine Nut 51 des Rotors 50 wird über zwei gegenüberliegende Polschuhe 53 und dem Joch 57 innerhalb dieses Abschnitts ausgebildet.
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Die Wicklung 1 hat vier Lagen L1 bis L4. In jeder Nut 51 verlaufen vier Leiterabschnitte 3. Jeder Leiterquerschnitt 5 der vier Leiterabschnitte 3 innerhalb der Nut 51 hat jeweils eine bogenartige Querschnittsform. Innerhalb jeder Lage L1 bis L4 füllt der Leiterquerschnitt 5 im Wesentlichen die Fläche der Nut 51 komplett aus.
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An jedem T-förmigen Polschuh 53 ist ein oberer Abschnitt runddachförmig ausgebildet. Der obere Abschnitt des Polschuhs 53 überdacht die Leiterquerschnitte 5 teilweise. Die innere Kontur 55 im oberen Abschnitt des runddachförmigen Polschuhs 53 weist eine bogenartige Kontur 55 auf. Die bogenartige Kontur 55 ist im Wesentlichen konzentrisch zur bogenartigen Querschnittsform der Leiterquerschnitte 5 ausgerichtet.
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Die erfindungsgemäße Wicklung ist nicht auf den Einsatz in einer elektrischen Maschine in einem speziellen Einsatzgebiet limitiert. Die Wicklung kann in jeder beliebigen elektrisch betriebenen Baugruppe eingesetzt werden. Weitere Aspekte und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus den Ansprüchen.
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Bezugszeichen
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- 1
- Wicklung
- 3
- Leiterabschnitt
- 5
- Leiterquerschnitt
- 7
- Wendeabschnitt
- 8
- Koppelquerschnitt
- 9
- Wendequerschnitt
- 10
- Wickelkopf
- 11
- Flachmaterial
- 13
- Querschnittsfläche
- 15
- Anschlusselement
- 30
- Rotationsachse
- 50
- Rotor
- 51
- Nut
- 53
- Polschuh
- 55
- Kontur
- 57
- Joch
- 59
- Verbindungsabschnitt
- 100
- Elektrische Maschine
- L
- Lage
- a
- Erste Seitenlänge
- b
- Zweite Seitenlänge
- U
- Umfangsrichtung