DE10362345B3

DE10362345B3 - Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen für elektrische Maschinen

Info

Publication number: DE10362345B3
Application number: DE10362345.0A
Authority: DE
Inventors: Wei Cai; Christopher Congdon; David Fulton
Original assignee: Remy Inc
Current assignee: Remy Inc
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: US20030214196A1; US7034428B2; DE10321956B4; US6894417B2; DE10321956A1; US20050206263A1

Abstract

Haarnadelgewickelter Stator für eine elektrische Maschine, wobei der Stator umfasst: a. mehrere zum Teil geschlossene Statorschlitze, einschließlich einer Mehrzahl geradzahliger Schlitze und einer Mehrzahl ungeradzahliger Schlitze; b. einen ersten Wicklungssatz, der in den Statorschlitzen angeordnet ist und Wicklungen für Phase A für den ersten Wicklungssatz, Wicklungen für Phase B für den ersten Wicklungssatz und Wicklungen für Phase C für den ersten Wicklungssatz aufweist, wobei der erste Wicklungssatz eine erste Mehrzahl Haarnadeln umfasst, die eine erste Schicht Leiter in den Statorschlitzen und eine zweite Schicht Leiter in den Statorschlitzen bilden, wobei die erste Mehrzahl Haarnadeln jeweils zwei Beine mit Beinenden aufweist und jedes Beinende in eine gewünschte Konfiguration gebogen ist, um benachbarte Beinenden zwischen der ersten Schicht Leiter und der zweiten Schicht Leiter zu bilden; c. einen zweiten Wicklungssatz, der in den Statorschlitzen angeordnet ist und Wicklungen für Phase A für den zweiten Wicklungssatz, Wicklungen für Phase B für den zweiten Wicklungssatz und Wicklungen für Phase C für den zweiten Wicklungssatz aufweist, wobei der zweite Wicklungssatz eine zweite Mehrzahl Haarnadeln aufweist, die eine dritte Schicht Leiter in den Statorschlitzen und eine vierte Schicht Leiter in den Statorschlitzen bilden, wobei die dritte Schicht Leiter in jedem der ganzzahligen Schlitze einen Strom mit anderer Phase führt als die zweite Schicht Leiter, wobei die zweite Mehrzahl Haarnadeln jeweils zwei Beine mit Beinenden aufweist und jedes Beinende in eine gewünschte Konfiguration gebogen ist, um benachbarte Beinenden zwischen (i) der zweiten Schicht Leiter und der dritten Schicht Leiter und (ii) der dritten Schicht Leiter und der vierten Schicht Leiter zu bilden; worin der zweite Wicklungssatz mit dem ersten Wicklungssatz durch Verbinden zumindest eines der benachbarten Beinenden zwischen der zweiten Schicht Leiter und der dritten ...

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der provisorischen US-Anmeldung Nr. 60/380,638, die am 15. Mai 2002 eingereicht wurde.
HINTERGRUND
1. Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Wicklungstechnologie für elektrische Maschinen und insbesondere auf haarnadelgewickelte elektrische Maschinen.
2. Hintergrunddiskussion
Elektrische Maschinen sind Schlüsselkomponenten herkömmlicher Automobile. Einige elektrische Maschinen dienen als Anlassermotoren, um Automobilmotoren zu starten. Andere elektrische Maschinen dienen als Drehstromgeneratoren, die aus der Motorbewegung Elektrizität erzeugen und Leistung an Automobillasten liefern. Elektrische Maschinen sind auch sehr wichtig in modernen Hybridelektrofahrzeugen (HEVs), die einen Verbrennungsmotor mit einem durch einen Batteriesatz angetriebenen elektrischen Antriebssystem kombinieren. In diesen Hybridfahrzeugen ist typischerweise eine einzige elektrische Maschine erforderlich, um als (a) Anlassermotor, (b) Unterstützung des Elektroantriebs (Triebkraftverstärkung) sowie reiner Elektroantrieb (Triebkraft), (c) Generator, der für bordeigene elektrische Verbraucher Leistung liefert und die Batteriesätze lädt, und (d) Regenerator zu arbeiten, der dahingehend wirkt, die kinetische Energie des Fahrzeugs zum Aufladen des Batteriesatzes während eines Brems/Verzögerungsvorgangs des Fahrzeugs in elektrische Leistung umzuwandeln.
Hybridelektrofahrzeuge können bei geringem Kraftstoffverbrauch und geringer Luftverschmutzung arbeiten. An Bord der HEV gibt es zwei Antriebs- bzw. Triebkraftsysteme: (i) einen herkömmlichen Diesel/Benzinmotor und (ii) das elektrische Antriebssystem. Das zusätzliche elektrische Antriebssystem besteht aus einem Batteriesatz (Energiespeicherkomponente), Leistungselektronikeinheit (Steuerkomponenten) und einer elektrischen Maschine (Umwandlungskomponente – elektrische in mechanische Energie). Das elektrische Antriebssystem liefert den Antrieb bzw. die Triebkraft und Leistungserzeugung sowie eine Leistungsregenerierung.
Die elektrische Maschine ist eine Kernkomponente im elektrischen Antriebssystem des HEV. Je nach Fahrschema/Anforderungen läuft die Maschine im Anlaufzustand während des Startens des Fahrzeugs, eines elektrischen Hilfsantriebs/Vortriebs oder reinen elektrischen Antriebs/Vortriebs. Die elektrische Maschine muss im normalen Erzeugungszustand während des Motorantriebs/Vortriebs (wodurch Batterien geladen werden) und des regenerierenden Zustands während eines Bremsens des Fahrzeugs arbeiten. Offensichtlich wird der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine den Wirkungsgrad des elektrischen Antriebssystems und folglich die Wirtschaftlichkeit des Fahrzeugs direkt bestimmen.
Als die Leistungs-Umwandlungskomponente in einem elektrischen Antriebssystem steht die elektrische Maschine (über einen Riemen oder mechanischen Wandler/Kupplung) mit der Antriebswelle oder Motorwelle direkt oder indirekt in Verbindung und muss ”unter der Motorhaube” des Fahrzeugs liegen. Der für die elektrische Maschine an der erforderlichen Stelle verfügbare Raum ist beschränkt. Daher müssen die Größen/Abmessungen der elektrischen Maschine so klein wie möglich sein. Verglichen mit anderen Anwendungen für elektrische Maschinen sind der hohe Wirkungsgrad und geringe Größe für die elektrische Maschine an Bord des HEV wichtiger. Automobilhersteller verlangen zunehmend einen hohen Wirkungsgrad und geringe Größe für nahezu alle Anwendungen elektrischer Maschinen in Fahrzeugen. Daher besteht der Bedarf an kleinen und mittelgroßen elektrischen Maschinen mit hohem Wirkungsgrad und geringer Größe für alle Automobilfahrzeuge und besonders für HEVs und reine Elektrofahrzeuge.
Ein Weg, die Größe einer elektrischen Maschine zu reduzieren und den Wirkungsgrad zu erhöhen, ist, das Schlitzfüllverhältnis der elektrischen Maschine zu erhöhen. Nach 1(a) und 1(b) enthalten kleine und mittelgroße elektrische Maschinen einen aus einem Schichtungsstapel geschaffenen Stator 26. Im Stator sind mehrere Schlitze 20 ausgebildet. Die Statorschlitze sind in einem Kreis um den Stator mit einer Öffnung 22 zum Schlitz angeordnet, die dem Rotor der elektrischen Maschine zugewandt ist. Die Schlitze 20 dieser elektrischen Maschinen werden als ”zum Teil geschlossen” oder ”halb geschlossen” erachtet, da ein Hals 28 nahe der Öffnung zu jedem Schlitz ausgebildet ist, so dass die Breite der Öffnung 22 kleiner als die Breite des Schlitzes selbst ist. Mehrere elektrische Leiter 24, typischerweise in Form von Kupferdrähten, sind in den Schlitzen des Stators angeordnet.
Wie im vorhergehenden Absatz erwähnt wurde, wird, um eine elektrische Maschine mit hohem Wirkungsgrad und geringem Volumen zu entwerfen, ein hohes Schlitzfüllverhältnis (SFR) bevorzugt. Der Ausdruck ”Schlitzfüllverhältnis” ist typischerweise definiert als das Verhältnis von (a) der zusammengesetzten Querschnittfläche der reinen Kupferleiter in einem Schlitz zu (b) der Querschnittfläche des Schlitzes selbst. Bei hohem SFR hilft die große Querschnittfläche der Kupferdrähte dabei, den Phasenwiderstand und folglich den Widerstand der Wicklungen (d. h. Leistungsverlust) für eine gegebene Schlitzgröße zu reduzieren, so dass der Wirkungsgrad der Maschine verbessert wird. Demgemäß können effizientere elektrische Maschinen mit einer geringeren Größe als weniger effiziente Vorgänger gebaut werden.
Ankerwicklungen der kleinsten und mittelgroßen elektrischen Maschinen sind typischerweise in vielen Windungen mit einer einzigen oder mehreren Adern runder magnetischer Drähte gewickelt. 1(b) zeigt einen beispielhaften Statorschlitz nach dem Stand der Technik mit mehreren runden Leitern im Statorschlitz. Das SFR der Maschinen mit runden Drähten kann ein Maximum von 44% erreichen, was den Entwurf elektrischer Maschinen mit geringem Verlust (Widerstand) und hohem Wirkungsgrad verhindert. Wie vorher diskutiert wurde, wird diese Aufgabe sogar kritischer, wenn Maschinen mit hohem Wirkungsgrad für Hybridfahrzeuge entworfen werden. Der verfügbare Raum an Bord von Hybridfahrzeugen ist streng begrenzt, und daher wird manchmal ein Erhöhen des Wirkungsgrades durch Vergrößern der Maschinengröße unmöglich.
Eine Lösung, um das SFR zu erhöhen, besteht darin, anstelle runder Drähte rechtwinklige Drähte in den Statorschlitzen zu verwenden, wie die in 1(a) gezeigte Anordnung. Die Verwendung rechtwinkliger Drähte in den Statorschlitzen kann das Schlitzfüllverhältnis auf bis zu 70% über demjenigen runder Drähte erhöhen, was erlaubt, dass das SFR von Maschinen mit rechtwinkligen Drähten nahezu 75% oder mehr erreicht. Unglücklicherweise begrenzt das als ”Skineffekt” bekannte Phänomen die Größe von Leitern, die in den Statorschlitzen verwendet werden können, besonders die Dicke der Leiter in den Schlitzen. Der ”Skineffekt” reduziert die effektive Querschnittfläche eines Leiters in einem Schlitz, wenn die Dicke des Leiters zunimmt. Der Skineffekt ist besonders verbreitet in geraden Leitersegmenten beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb. Die Verwendung rechtwinkliger Drähte kann demgemäß das SFR erhöhen, die Dicke jedes rechtwinkligen Drahtes in Bezug auf die Schlitzhöhe/tiefe muss jedoch beschränkt werden, um den Skineffekt der Leiter zu reduzieren. Da die Verknüpfung bzw. Koppelung des Streuflusses bei Ebenen verschiedener Höhe/Tiefe eines Leiters in einem gegebenen Schlitz vom oberen Ende zum Boden des Schlitzes zunimmt, wird die Gegen-EMF, die dem unteren Teil des Leiters entspricht, höher als die am oberen Teil des Leiters.
Die Gegen-EMF aufgrund eines Schlitzstreuflusses erzwingt am oberen Teil des Leiters einen großen Betrag des Stromflusses. Demgemäß nimmt die Stromdichte im Leiter in einem Schlitz vom Boden des Schlitzes zum oberen Ende zu, falls alle Leiter im Schlitz den gleichen Phasenstrom führen, wie in der folgenden Gleichung (1) dargelegt ist. Falls verschiedene Phasenströme in einem Schlitz geführt werden, zeigt die Stromdichte eine komplizierte Verteilung. Wenn der Wechselstrom in einem Leiter fließt, reduziert der Skineffekt die effektive Querschnittfläche des Leiters, so dass der Wechselstromwiderstand eines Leiters größer als sein Gleichstromwiderstand ist. Die Erhöhung des Wechselstromwiderstands infolge des Skineffekts in einem rechtwinkligen Schlitz hängt von der Eindringtiefe d einer elektromagnetischen Welle ab, d. h.
wobei ρ der spezifische Widerstand des Leiters ist; f die Frequenz des Wechselstromsignals ist; μ die Permeabilität des Leiters (ungefähr gleich der Permeabilität von Luft für Kupferleiter) ist, b_c und b_s die Breiten des Leiters bzw. des Schlitzes sind. Offensichtlich wird die Eindringtiefe elektromagnetischer Wellen mit zunehmender Frequenz reduziert. Im allgemeinen gibt es keinen am unteren Teil des Leiters in einem Schlitz fließenden Strom, falls die Dicke des Drahtes die dreifache Eindringtiefe ist. Daher sollte die Dicke der rechtwinkligen Drähte im Schlitz so klein wie möglich ausgebildet werden.
Falls mehrere Drahtstränge in einem Schlitz verlegt sind, wird die Gegen-EMF eines Streuverlustes unter dem Effekt eines Schlitzstreuverlustes in einer Ader im unteren Teil des Schlitzes höher sein als die Gegen-EMF eines Streuverlustes in der Ader im oberen Teil des Schlitzes. Zirkulierende Ströme zwischen den Adern werden aufgrund der ungleichen Gegen-EMFs von Streuverlusten erzeugt, falls die Adern beim Schluß- bzw. Endwindungssegment als ein Leiter zusammengeschweißt sind, was den Leistungsverlust erhöhen wird. Um den zirkulierenden Strom in großen elektrischen Maschinen zu reduzieren oder zu eliminieren, bestehen die Wicklungsstäbe oft aus vielen Strängen kleiner/dünner rechtwinkliger Drähte, deren Lagen in der axialen Richtung eines Schlitzes mit einem Übergang versehen sind (engl. transitioned) (wie z. B. ein mit einem Übergang um 540° versehener Wicklungsstab etc.) sind. Reduzieren der Drahtdicke in den Statorschlitzen hilft dabei, den negativen Skineffekt zu verringern, und hilft beim Erreichen eines hohen Wirkungsgrades in einer elektrischen Maschine mit rechtwinkligen Leitern. Diese Wicklungsstäbe müssen jedoch in offenen Schlitzen verlegt werden, was spezielle Schlitzkeile (normalerweise ein magnetischer Schlitzkeil, um Skin- und Luftspalteffekte zu reduzieren) erfordert. Infolgedessen sind solche Wicklungsstäbe zu kompliziert, um sie beim Herstellen kleiner und mittelgroßer elektrischer Maschinen zu nutzen, da sie die Schwierigkeit und Kosten der Herstellung dramatisch erhöhen und die Zuverlässigkeit der Maschinen, insbesondere in Anwendungen bei Hybridfahrzeugen, reduzieren würden. Überdies ist es in vielen kleinen und mittelgroßen elektrischen Maschinen nicht wünschenswert, offene Schlitze zu verwenden. In mittelgroßen und kleinen Hochfrequenz-Wechselstrommaschinen werden oft Litzen-Drähte für die Wechselstromwicklungen verwendet. Litzen-Drähte können dabei helfen, zirkulierenden Strom und Skineffekte von Wechselstromwicklungen zu reduzieren, aber das Schlitzfüllverhältnis kann mit Litzen-Drähten nicht verbessert werden. Mit anderen Worten sollte der Übergang von Wechselstromwicklungen durch einen speziellen Entwurf gemäß einer Ankerstapellänge durchgeführt werden, um einen zirkulierenden Strom innerhalb der Wicklungen zu eliminieren, wobei einfaches Aufnehmen verfügbarer Litzen-Drähte das Ziel, den zirkulierenden Strom zu eliminieren, nicht erreichen kann. Litzen-Drahtwicklungen sind überdies während der Herstellung sehr schwierig zu handhaben und würden daher zu Herstellungskosten beitragen und zusätzliche Herstellungshürden schaffen.
Um die Herstellung zu vereinfachen und das Schlitzfüllverhältnis von Wicklungen hoch zu halten, wurden vorgeformte rechtwinklige Drähte mit geraden Leitersegmenten geschaffen, die in den Statorschlitzen angeordnet werden, aber verdrehten Enden, die die Schluß- bzw. Endwindungen bilden, wie in 3 gezeigt ist. Die in 3(a) gezeigten vorgeformten Wicklungen müssen jedoch durch die Schlitzöffnung eingesetzt werden, um auf dem Stator eingesetzt zu werden. Diese vorgeformten Wicklungen können somit nur in offenen Schlitzen wie die Wechselstromwicklungen von 2 platziert werden, die für große elektrische Maschinen verwendet werden. Diese Wicklungen können in den zum Teil geschlossenen Schlitzen nicht platziert werden, die typischerweise für kleine und mittelgroße elektrische Maschinen genutzt werden, weil die beschränkte Öffnung in einem zum Teil geschlossenen Schlitz die Wicklungen am Eintritt in den Schlitz hindert.
Um dieses Problem zu lösen, haben Konstrukteure kleiner und mittelgroßer elektrischer Maschinen mit zum Teil geschlossenen Schlitzen Leitersegmente verwendet, die in das obere Ende und/oder den Boden des Schlitzes eingesetzt werden können und nicht durch die Schlitzöffnungen gelangen müssen. Zu diesem Zweck werden die Leitersegmente zuerst in U-Formen gebogen, so dass die Leitersegmente eine U-förmige Endwindung mit zwei Beinen bilden, wie z. B. in 7(a) und/oder 7(b) gezeigt ist. Diese Leitersegmente werden wegen ihrer Form oft als ”Haarnadeln” bezeichnet. Die U-förmigen Leitersegmente können von einer Seite des Schichtungsstapels mit den Beinen voran in die Schlitze eingesetzt werden, wobei jedes Bein in einem unterschiedlichen Schlitz angeordnet wird. Die Beinenden der Haarnadeln, die durch die Schlitze verlaufen (d. h. die offenen Enden der Haarnadeln) werden dann in eine gewünschte Konfiguration gebogen, wie in 7(c) gezeigt ist, so dass jedes jeweilige Beinende gemäß den Verbindungsanforderungen der Wicklungen mit einem unterschiedlichen Beinende verbunden werden kann. Die entsprechenden rechtwinkligen Drähte werden schließlich in 3-Phasen- oder Mehrfach-Phasen-Wechselstromwicklungen verbunden.
Diese ”Haarnadel”-Wicklungstechnologie ist in vielen Produkten wie z. B. dem 50DN Drehstromgenerator von Delco Remy America, Inc. (seit den 60er), dargestellt in 3(b), in Anwendung. Die Konfiguration der in 3(b) dargestellten Wicklungen (d. h. Doppellagen- bzw. Doppelschichtwicklungen mit einer Ader pro Leiter) führt zu einer hohen Leiterdicke, die (neben anderen Gründen) einen starken Skineffekt und einen geringen Wirkungsgrad (weniger als 50%) verursacht.
Um den Skineffekt zu verringern, während das hohe Schlitzfüllverhältnis von Wechselstromwicklungen mit rechtwinkligen Drähten beibehalten wird, könnte jeder Leiter aus mehreren dünnen rechtwinkligen Drähten oder ”Adern” bestehen, wie in 4(a) gezeigt ist. Wie des oben beschriebene Haarnadelwicklungsverfahrens könnte der mehradrige Leiter an der Schluß- bzw. Endwindung mit einem Übergang versehen, in U-Formen geformt und von einer Seite des Schichtungsstapels in die Schlitze eingesetzt werden. Nachdem alle U-förmigen Wicklungen in die Schlitze eingesetzt sind, würde man die offenen Segmente der U-Wicklungen in die erforderlichen Formen umformen und in Phasenwicklungen verbinden. Ein Prototyp dieser Technologie ist in 4(b) dargestellt. Wegen der Beschränkung der Anzahl von Schlitzen und des verfügbaren Raums für Endwindungen ist jedoch die praktische Anwendung der 4(a) und 4(b) Wellenwicklungen mit einer Windung pro Spule bzw. Wicklung, da Verbindungsdrähte zwischen Polen bei Schleifenwicklungen den Raum für Endwindungen beeinträchtigen könnten. Diese Technologie kann daher nur für Wechselstromwicklungen niedriger Spannung wie der Prototyp von 4(b) verwendet werden. Überdies besteht ein weiteres Herstellungsproblem wegen der Schwierigkeit beim Verdrehen rechtwinkliger mehradriger Drähte.
Eine andere Lösung für die oben erwähnten Probleme ist damit verbunden, statt zwei Adern in einem Leiter wie in 4(a) gezeigt zu kombinieren, jede Ader in eine Wicklung mit einer einzigen Windung zu formen, und dann zwei U-förmige Wicklungen in die Schlitze einzusetzen, wie in 5(a) dargestellt ist. Verfolgt man das gleiche Verfahren wie die Herstellung von Haarnadelwicklungen in 3(b), kann ein Drehstromgenerator für Kraftfahrzeuge geschaffen werden, der zwei Sätze überlappender Wicklungen (eine auf der anderen) verwendet, die mit zwei separaten Gleichrichtern parallel verbunden sind. Neben der Notwendigkeit zweier Brücken erhöhen jedoch die überlappten Wicklungen die Schwierigkeit beim Herstellen und die Möglichkeit von Kurzschlüssen. Außerdem ist für die überlappten Wicklungen eine Zusatzlänge der Schluß- bzw. Endwindungen erforderlich (d. h. die Größe des Wicklungskopfes wird vergrößert). Diese zusätzliche Länge ist in modernen Fahrzeugen wie z. B. dem HEV, wo Maschinenraum sehr wichtig ist, unerwünscht. Außerdem ist die Reparatur überlappter Wicklungen sehr schwierig, wenn nicht unmöglich, da ein Satz Wicklungen den anderen Satz Wicklungen vollständig umgibt.
Ein in der US 2002/0024266 A1 beschriebener haarnadelgewickelter Stator für eine elektrische Maschine umfasst

– mehrere zum Teil geschlossene Statorschlitze,
– einen ersten Wicklungssatz, der in den Statorschlitzen angeordnet ist, wobei der erste Wicklungssatz eine erste Mehrzahl Haarnadeln umfasst, die eine erste Schicht Leiter in den Statorschlitzen und eine zweite Schicht Leiter in den Statorschlitzen bilden, wobei die erste Mehrzahl Haarnadeln jeweils zwei Beine mit Beinenden aufweist und jedes Beinende in eine gewünschte Konfiguration gebogen ist, um benachbarte Beinenden zwischen der ersten Schicht Leiter und der zweiten Schicht Leiter zu bilden,
– einen zweiten Wicklungssatz, der in den Statorschlitzen angeordnet ist, wobei der zweite Wicklungssatz eine zweite Mehrzahl Haarnadeln aufweist, die eine dritte Schicht Leiter in den Statorschlitzen und eine vierte Schicht Leiter in den Statorschlitzen bilden, wobei die zweite Mehrzahl Haarnadeln jeweils zwei Beine mit Beinenden aufweist und jedes Beinende in eine gewünschte Konfiguration gebogen ist, um benachbarte Beinenden zwischen der zweiten Schicht Leiter und der dritten Schicht Leiter sowie der dritten Schicht Leiter und der vierten Schicht Leiter zu bilden, wobei der zweite Wicklungssatz mit dem ersten Wicklungssatz durch Verbinden zumindest eines der benachbarten Beinenden zwischen der zweiten Schicht Leiter und der dritten Schicht Leiter zusammengefügt ist.

Ein weiterer haarnadelgewickelter Stator für eine elektrische Maschine ist aus der US 2002/0017825 A1 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein haarnadelgewickelter Stator für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stators sind in den Unteransprüchen 2 bis 11 angegeben. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 12 oder 15 vorgeschlagen. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind in den Unteransprüchen 13 und 14 bzw. 16 und 17 angegeben.
Eine elektrische Maschine mit Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen umfasst einen Stator mit mehreren zum Teil geschlossenen Statorschlitzen. Ein erster Wicklungssatz ist in den Statorschlitzen angeordnet. Der erste Wicklungssatz umfasst eine erste Mehrzahl Haarnadeln, die eine erste Schicht von Leitern in den Statorschlitzen und eine zweite Schicht Leiter in den Statorschlitzen bilden. Die erste Mehrzahl Haarnadeln kann jeweils zwei Beine aufweisen, wobei jedes Bein ein Beinende hat und jedes Beinende in eine gewünschte Konfiguration gebogen wird, um benachbarte Beinenden zwischen der ersten Schicht Leiter und der zweiten Schicht Leiter zu bilden. In den Statorschlitzen ist auch ein zweiter Wicklungssatz angeordnet. Der zweite Wicklungssatz umfasst eine zweite Mehrzahl Haarnadeln, die eine dritte Schicht Leiter in den Statorschlitzen und eine vierte Schicht Leiter in den Statorschlitzen bilden. Die zweite Mehrzahl Haarnadeln weist je zwei Beine auf, wobei jedes Bein ein Beinende hat und jedes Bein in eine gewünschte Konfiguration gebogen wird, um benachbarte Beinenden zwischen (i) der zweiten Schicht Leiter und der dritten Schicht Leiter und (ii) der dritten Schicht Leiter und der vierten Schicht Leiter zu bilden. Der zweite Wicklungssatz wird durch Verbinden zumindest eines oder zwei der benachbarten Beinenden pro Phase zwischen der zweiten Schicht Leiter und der dritten Schicht Leiter mit dem ersten Wicklungssatz verbunden. Demgemäß können die Wicklungssätze einfach verbunden werden, wie z. B. durch die Verwendung einer Maschine zur automatischen Verbindung von Haarnadelwicklungen.
Die in den Statorschlitzen geschaffenen Wicklungen sorgen auch für verbesserte Skineffekte in der elektrischen Maschine. Gemäß einer ersten Ausführungsform alternieren Leiterschichten in alternierenden Schlitzen zwischen verschiedenen Phasen. Die Leiterschichten in den verbleibenden Schlitzen haben alle die gleiche Phase. Haarnadeln mit Beinen ungleicher Länge werden verwendet, um die erste Ausführungsform zu implementieren. Gemäß einer zweiten Ausführungsform weisen Leiterschichten in alternierenden Schlitzen eine Phase für den ersten Wicklungssatz und eine andere Phase für den zweiten Wicklungssatz auf. Die Leiterschichten in den verbleibenden Schlitzen haben alle die gleiche Phase. Haarnadeln mit Beinen gleicher Länge werden verwendet, um die zweite Ausführungsform zu implementieren.
Um eine elektrische Maschine mit Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen herzustellen, werden rechtwinklige Kupferdrähte auf erforderliche Längen geschnitten und als ”U-förmige” Haarnadeln mit dem/der geeigneten Wicklungsschritt/Spanne vorgeformt. Die U-förmigen Haarnadelleiter werden in rechtwinklige Schlitze des Schichtungsstapels der elektrischen Maschine eingesetzt. Nach Einsetzen der Haarnadeln eines kompletten Wicklungssatzes werden die offenen Schluß- bzw. Endwindungen in Vorbereitung auf eine Wellenwicklungsverbindung gebogen. Die gleiche Prozedur wird wiederholt, bis alle Wicklungssätze installiert sind. Schließlich werden die Verbindungspunkte zwischen ”Haarnadeln” in Wellenwicklungen mit einem der zwei parallelen Wegen pro Phase je nach dem Wicklungsentwurf geschweißt.
Demgemäß werden Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen geschaffen, die das Schlitzfüllverhältnis auf bis zu 75% oder mehr in der elektrischen Maschine mit halbgeschlossenen oder geschlossenen Schlitzen erhöhen. Dies ist für Anwendungen bei Hybridfahrzeugen besonders nützlich. Kombinieren von halbgeschlossenen Schlitzen mit geringer Dicke rechtwinkliger Drähte (aufgrund eines Einführens von Wicklungen mehrerer Sätze) reduziert den Skineffekt, was einen Betrieb mit hohem Wirkungsgrad sogar bei hoher Geschwindigkeit erlaubt. Überdies schaffen die Wicklungen aus rechtwinkligen Haarnadeln in mehreren Sätzen eine elektrische Maschine mit nebeneinanderliegenden Wicklungen, die für geringe Herstellungskosten und geringe Wartungskosten sorgen. Die nebeneinanderliegenden Wicklungssätze sorgen auch für Wicklungsanordnungen, die Skineffekte weiter reduzieren. Diese Technologie kann erweitert und für andere elektrische Maschinen im Wechselstrombetrieb mit mehreren Phasen (z. B. drei Phasen) verwendet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1(a) und 1(b) zeigen einen Vergleich rechtwinkliger Drähte (1(a)) und runder Drähte (1(b)) im Schlitz einer elektrischen Maschine ist;
2 zeigt mit Übergängen versehene Wicklungsstäbe, wie sie in den Schlitzen großer elektrischer Maschinen verwendet werden;
3(a) zeigt den Dreh- bzw. Verwindungsübergang einer Endwicklung, die in gewissen großen elektrischen Maschinen genutzt wird;
3(b) zeigt den Stator einer elektrischen Maschine, die eine ”Haarnadel”-Wicklungstechnologie mit Doppelschichtwicklungen und einer Ader pro Leiter/Schicht nutzt;
4(a) zeigt eine Haarnadelwicklung mit mehreren Adern, die in einigen elektrischen Maschinen verwendet wird;
4(b) zeigt einen Prototyp einer elektrischen Maschine, die die Wicklung von 4(a) nutzt;
5(a) zeigt eine überlappende Haarnadelwicklungsanordnung mit zwei Sätzen Wicklungen;
5(b) zeigt einen Stator, der mit der überlappenden Wicklungsanordnung von 5(a) gewickelt ist;
6(a), 6(b) und 6(c) zeigen die Skineffektsequenz von hoch (6(a)) nach niedrig ((6(c)), in Abhängigkeit von Leiteranordnungen in einem Schlitz;
7(a), 7(b) und 7(c) zeigen die Abfolge eines einzelnen Elements einer Wicklung aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln von ihrer Gestalt vor einem Einsatz in einen Schlitz (7(a)) zu ihrer Gestalt nach einem Einsatz in einen Schlitz (7(c));
8(a) zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stators, der mit Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln gewickelt ist, die aus zwei Wicklungssätzen bestehen, wie man vom Einsatzende des Stators aus erkennt;
8(b) zeigt eine perspektivische Ansicht des Stators von 8(a), vom Verbindungsende des Stators aus betrachtet;
9 zeigt die Endwindungsverbindungen einer Wicklungsphase für einen Doppelwicklungssatz mit Haarnadelbeinen ungleicher Länge;
10 zeigt eine verteilte graphische Darstellung zweier Sätze Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln für den Doppelwicklungssatz von 9;
11 zeigt die Schluß- bzw. Endwindungsverbindungen einer Wicklungsphase für einen Doppelwicklungssatz mit Haarnadelbeinen gleicher Länge;
12 zeigt eine verteilte graphische Darstellung zweier Sätze Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln für den Doppelwicklungssatz von 11;
13 zeigt die Haarnadelverbindungspunkte und Phasenklemmanordnungen der 11 und 12;
14 zeigt einen Vergleich von Erzeugungskennlinien zwischen elektrischen Maschinen, die Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen nutzen, und einer elektrischen Maschine, die herkömmliche Wicklungen aus runden Drähten nutzt;
15 zeigt einen Vergleich von Wechselstrom-Phasenwiderständen zwischen elektrischen Maschinen, die Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen nutzen, und einer elektrischen Maschine, die herkömmliche Wicklungen aus runden Drähten nutzt;
16 zeigt einen Vergleich von Motorwirkungsgraden zwischen elektrischen Maschinen, die Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen nutzen, und einer elektrischen Maschine, die herkömmliche Wicklungen aus runden Drähten nutzt;
17 zeigt eine vergrößerte Ansicht benachbarter Beinenden, vom Verbindungsende des Stators aus betrachtet;
18(a) zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht der U-förmigen Endwindungen nebeneinanderliegender Wicklungssätze, vom Einsatzende des Stators aus betrachtet;
18(b) zeigt eine vergrößerte Draufsicht der U-förmigen Endwindungen von 18(a);
19(a)–19(c) zeigen ein Wicklungsschema für eine elektrische Maschine mit Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen mit Beinen ungleicher Längen; und
20(a)–20(c) zeigen ein Wicklungsschema für eine elektrische Maschine mit Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen mit Beinen gleicher Längen.
BESCHREIBUNG
Wicklungsübersicht
In 8(a) und 8(b) ist eine elektrische Maschine mit darauf ausgebildeten Wicklungen aus rechtwinkligen Haarnadeln in mehreren Sätzen dargestellt. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator mit mehreren zum Teil geschlossenen Schlitzen. Innerhalb der Schlitze des Stators sind mehrere Leitersegmente angeordnet und bilden eine Mehrzahl Wicklungssätze auf dem Stator. Jeder der Wicklungssätze enthält eine Wicklung für Phase A, eine Wicklung für Phase B, und eine Wicklung für Phase C. Die Wicklungssätze sind auf dem Stator jeweils einander benachbart, wobei einer der Wicklungssätze einen inneren Wicklungssatz 50 bildet und der andere der Wicklungssätze einen äußeren Wicklungssatz 52 bildet.
Jeder Wicklungssatz besteht aus mehreren, hierin auch als ”Haarnadeln” bezeichneten Leitersegmenten, die innerhalb der Schlitze des Stators angeordnet sind. Mit Verweis auf 7 umfasst jede der mehreren Haarnadeln 30 eine ”U”-förmige Schluß- bzw. Endwindung 32 und zwei Beine 34. Jede der mehreren Haarnadeln hat eine rechtwinkligen Querschnittform. Die Beine der Haarnadeln werden in den Schlitzen des Stators mit je einem Bein der Haarnadel in einem verschiedenen Statorschlitz angeordnet, so dass die U-förmige Schluß- bzw. Endwindung der Haarnadel sich über mehrere Statorschlitze erstreckt (z. B. jede U-förmige Endwindung kann sich über sechs Statorschlitze erstrecken). Jede in einen Statorschlitz eingesetzte Haarnadel ist bezüglich benachbarter Haarnadeln versetzt oder ”verschachtelt”. Wenn eine Haarnadel vollständig in die Schlitze des Stators eingesetzt ist, erstreckt sich die U-förmige Endwindung 32 aus einem Ende des Stators (dem Einsatzende), und die Beine erstrecken sich aus dem gegenüberliegenden Ende des Stators (d. h. dem Verbindungsende). Jeder gegebene Statorschlitz enthält mehrere Haarnadelbeine (z. B. 4), und jedes Haarnadelbein wird als eine ”Lage bzw. Schicht” innerhalb des Statorschlitzes verwiesen. 6(a) zeigt einen Querschnitt eines Statorschlitzes mit vier Schichten von Leitern (d. h. Beinen), welche denselben Phasenstrom führen, im Statorschlitz. Auf die Schichten wird hierin als die innerste Schicht (d. h. die dem Hals des Schlitzes nächstgelegene Schicht) verwiesen, die Schicht 1 ist, und die äußerste Schicht (d. h. die vom Hals des Schlitzes am weitesten entfernte Schicht), die Schicht 4 ist. Auf dem Abschnitt jedes innerhalb eines Statorschlitzes befindlichen Beines ist eine Isolierung 38 vorgesehen, um eine elektrische Verbindung zwischen den Beinen in verschiedenen Schichten des gleichen Statorschlitzes zu verhindern. Die Isolierung 38 kann alternativ dazu die Form einer Schlitzisolierung aufweisen, die innerhalb jedes Schlitzes und zwischen Leitern vorgesehen ist.
Der Abschnitt der Haarnadelbeine, der sich aus den Statorschlitzen erstreckt, wird in eine gewünschte Konfiguration gebogen. Um eine Wicklungshöhe zu reduzieren, werden die Beine auf alternierenden Schichten in entgegengesetzte Richtungen gebogen (d. h. die Beine auf Schicht Eins werden in der gleichen Richtung im Gegenuhrzeigersinn gebogen, und die Beine auf Schicht Zwei werden in der entgegengesetzten Richtung im Uhrzeigersinn gebogen). Die Anzahl Statorschlitze, über die jedes Bein gebogen ist, wird von der Konstruktion der elektrischen Maschine bestimmt (z. B. kann jedes Bein über drei Schlitze gebogen sein, so dass die Haarnadel von Ende zu Ende in Wellenwicklungen über insgesamt zwölf Schlitze verläuft, falls die Endwindung jeder Seite sich über sechs Schlitze erstreckt). 17 zeigt eine Nahaufnahme einer typischen Anordnung der Enden der Haarnadelbeine, die sich aus den Statorschlitzen erstrecken. Wie in 17 gezeigt ist, sind die Beine so gebogen, dass jedes Beinende 36 einem anderen Beinende benachbart angeordnet ist. Dies erlaubt, dass eine elektrische Verbindung zwischen jedem benachbarten Haarnadelbein einfach eingerichtet wird. Insbesondere wird, wenn alle Haarnadelbeine einmal in den Stator eingesetzt und gebogen sind, eine automatisierte Verbindungsvorrichtung genutzt, um Beine zusammenzuschweißen. Zum Beispiel können benachbarte Beine 36(a) und 36(b) zusammengeschweißt werden, und benachbarte Beine 36(c) und 36(d) können zusammengeschweißt werden. Ähnliche Schweißungen können für andere benachbarte Beine um den Stator herum vorgenommen werden. Die automatische Verbindungsvorrichtung kann auch eine Isolierung liefern, die die Enden der Beine bedeckt, um elektrische Kurzschlüsse zwischen zwei nahegelegenen Beinen zu verhindern, die nicht verbunden werden sollen. Der Ausdruck ”benachbarte Beinenden” wird hierin verwendet, um auf zwei Haarnadelbeinenden von verschiedenen Haarnadeln zu verweisen, die einander unmittelbar benachbart sind (wie z. B. die Beinenden 36(a) und 36(b) und die Beinenden 36(c) und 36(d) von 17), wenn die Beine in die korrekte Anordnung im Statorkern gebogen sind. Nicht benachbarte Beinenden sind alle Beinenden, die nicht benachbarte Beinenden sind (z. B. Beinenden, die einander diagonal gegenüberliegen, wie z. B. die Beinenden 37(c) und 36(d) von 17, und Beinenden, die mehrere Positionen entfernt sind, wie z. B. Beinenden 36(d) und 39(d) von 17). Dieser Abschnitt der Statorwicklung, der sich über den Statorkern erstreckt, bildet den Wicklungskopf 44.
Auf der gegenüberliegenden Seite des Stators von den Beinenden der Haarnadeln erstrecken sich die U-förmigen Endwindungen der Haarnadeln aus den Statorschlitzen. 18 zeigt eine Nahaufnahme der U-förmigen Endwindungen der Haarnadeln, die sich aus den Statorschlitzen erstrecken. Wie in 18 gezeigt ist, bilden die U-förmigen Endwindungen (i) einen inneren Wicklungssatz 50, der eine erste Gruppe Endwindungen umfasst, und (ii) einen äußeren zweiten Wicklungssatz 52, der eine zweite Gruppe Endwindungen umfasst, die auf der Außenseite der Statorschlitze angeordnet ist. Die Wicklungssätze überlappen einander nicht (d. h. die U-förmigen Endwindungen von verschiedenen Wicklungssätzen überlappen einander nicht), aber stattdessen liegen die Wicklungssätze ”nebeneinander” (d. h. sind konzentrisch zueinander so angeordnet, dass die U-förmigen Endwindungen nicht überlappen). Die nicht überlappenden U-förmigen Endwindungen des inneren Wicklungssatzes und des äußeren Wicklungssatzes ermöglichen, dass die in 19 und 20 dargestellten Wicklungsschemata realisiert werden. Wie im folgenden ausführlicher beschrieben wird, sorgt jedes dieser Wicklungsschemata für Wicklungen der elektrischen Maschine mit hohem Schlitzfüllverhältnis, geringen Skineffekten, geringen Herstellungskosten und geringen Wartungskosten.
Wicklungsentwurf zum Berücksichtigen des Skineffekts
Wie oben beschrieben wurde, sind zwei oder mehr doppellagige Wicklungssätze nebeneinander in Ankerschlitzen eingebettet (was zumindest einen inneren und einen äußeren Wicklungssatz erzeugt). Die Wicklungsspulen sind mit rechtwinkligen Kupferhaarnadelleitern hergestellt. Die Anzahl Wicklungssätze hängt von der erforderlichen Dicke des rechtwinkligen Leiters ab, um den Anforderungen der Systemspannung und des geringen Skineffekts zu genügen. Eine konservative Daumenregel, um die Dicke h jedes Leiters in einem Schlitz zu bestimmen, ist:
wo m die Anzahl Leiter in der Richtung der Schlitzhöhe ist (d. h. Distanz vom äußeren Umfang eines Schlitzes zum inneren Umfang eines Schlitzes, wo die Öffnung beginnt); d die Eindringtiefe einer elektromagnetischen Welle ist, gegeben in Gleichung (1); und die anderen Variablen und Konstanten die gleichen wie oben für Gleichung (1) vorgesehen sind. Betrachtet man die Herstellungskosten und Komplexität sind 2 bis 3 Sätze Wicklungen (mit einem Maximum von 4 Wicklungssätzen trotz einer theoretisch unbegrenzten Anzahl Wicklungssätze) bei der Herstellung von Wechselstromwicklungen praktischer.
Es wurde bestimmt, dass Leiter in einem verschiedene Phasenströme führenden Schlitz geringere Skineffekte in doppellagigen Wicklungen als diejenigen Leiter in einem Schlitz erzeugen, die alle die gleichen Phasenströme führen. 6 zeigt mehrere verschiedene Konfigurationen von Leiteranordnungen/Phasenströmen für einen zwei Wicklungssätze aufnehmenden Schlitz. Die Sequenz von Skineffekten in der Reihenfolge von Hoch nach Niedrig in 6 verläuft von 6(a) nach 6(c). Mit anderen Worten erzeugt die in 6(a) dargestellte Anordnung stärkere Skineffekte als die Anordnung von 6(b), und die Anordnung von 6(b) erzeugt stärkere Skineffekte als 6(c). Folglich ist es vorteilhaft, eine Wicklungskonfiguration herzustellen, bei der möglichst viele Schlitze der Anordnung von 6(b) oder 6(c) ähneln, wobei 6(c) die vorteilhafteste Anordnung ist.
Basierend auf 6 läge der Wicklungsschritt Y₁ in der Wechselspannungswicklung mit drei Phasen besser innerhalb von (1/3)τ < Y₁ ≤ (2/3)τ, wo τ der Polabstand in den Schlitzen ist. Unglücklicherweise ist die Kupferausnutzung von Wechselstromwicklungen bei einem Wicklungsschritt wie z. B. Y₁ < (2/3)τ sehr niedrig. Aus praktischen Gründen wird der Wicklungsschritt (2/3)τ < Y₁ < 1 in den meisten hocheffizienten elektrischen Maschinen genutzt. Wie in 19 und 20 gezeigt ist, wird hierin ein Wicklungsschritt von Y₁ > (2/3)τ verwendet, um die beispielhaften Wicklungskonfigurationen zu beschreiben, die Wicklungen aus rechtwinkligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen nutzen, während für einen geringeren Skineffekt gesorgt wird.
Verfahren zum Herstellen von Wicklungen
Die folgenden Verfahrensschritte werden bei der Herstellung von in 19 und 20 dargestellten Wicklungen genutzt, die Wicklungen aus rechtwinkeligen Kupferhaarnadeln in mehreren Sätzen mit geringeren Skineffekten liefern.

(A) Zunächst wird der rechtwinklige Kupferdraht in Elemente geschnitten. Es sollte besonders erwähnt werden, dass aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser der Anordnungen von Wicklungssätzen die Länge von Elementen des inneren Wicklungssatzes von der Länge der Elemente des äußeren Wicklungssatzes geringfügig verschieden ist. Es gibt auch zwei Elemente mit kürzeren Wickelschritten (ein Schlitz kürzer, verglichen mit den anderen) pro Phase pro Wicklungssatz, falls die Wicklungen in Wellenwicklungen verbunden werden.
(B) Je nach den Wickelschrittanforderungen werden die rechtwinkeligen Drähte in U-Formen gebogen, wie in 7(a) dargestellt ist. Da die Dicke jedes Drahtes in Richtung der Schlitzhöhe durch Erhöhen der Anzahl von Wicklungssätzen reduziert ist, kann die verdrehte Schluß- bzw. Endwindung 32 in 7(a) durch eine flache gebogene Endwindung ersetzt werden, was die Fertigungskomplexität reduzieren kann. Tatsächlich kann, wie unten beschrieben wird, die Länge der U-förmigen Haarnadelbeine je nach praktischen Anforderungen gleich oder ungleich sein.
(C) Der U-förmige rechtwinklige Draht ist durch ein rechtwinkliges Isolierungsrohr oder einhüllende Isolierung (engl. bounding insulation) isoliert, wie in 7(b) dargestellt ist. Die Rohrisolierung kann jedoch eliminiert werden, falls eine herkömmliche Schlitzisolierung genutzt wird (z. B. Schlitzverkleidungen und/oder ein vorhandenes Drahtemaille, das die geeignete Isolierung für den Spannungskennwert der elektrischen Maschine schafft).
(D) Alle Leiterelemente eines kompletten Wicklungssatzes werden in die Statorschlitze eingesetzt. Im allgemeinen wird der innere Satz oder oberste Satz (d. h. ein Satz am oberen Ende des Schlitzes) zuerst eingesetzt.
(E) Die Beine aller U-förmigen Haarnadeln werden mit einer automatischen Biegemaschine in eine ”Froschform” (engl. frog-shape) gebogen. Typischerweise werden die Beine einer Schicht in Richtung des Uhrzeigersinns gebogen, und die Beine der benachbarten Schicht werden in Richtung des Gegenuhrzeigersinns gebogen. Ein aus den Schlitzen entferntes gebogenes Haarnadelelement ist in 7(c) dargestellt.
(F) Die obigen Verfahren (D) und (E) werden für den Rest der Sätze wiederholt, bis die Wicklungssätze alle auf dem Stator angeordnet sind. In 8 ist eine Haarnadelwicklung mit zwei Sätzen dargestellt.
(G) Schließlich werden Verbindungen zwischen den Beinenden hergestellt, um die Endwindungen der Wicklungen zu vervollständigen und die Verbindungen gemäß dem Wicklungsschema herzustellen. Die meisten der erforderlichen Verbindungen liegen zwischen benachbarten Beinenden vor. Einige der Verbindungen erfordern jedoch Jumper.

Verbindungen von Endwindungen
Schluß- bzw. Endwindungen werden genutzt, um die effektiven Segmente von Elementen in Schlitzen zu verbinden. Um Widerstandsverluste und Streuverlust zu reduzieren, ist es erforderlich, dass die Endwindungen möglichst kurz gehalten werden. Der verfügbare Montagerahmen am Fahrzeug begrenzt ebenfalls die Gesamtlänge der elektrischen Maschine, so dass kürzere Endwindungen bevorzugt werden. Verglichen mit einem aus Adern bestehenden Leiter, wie z. B. dem in 4 dargestellten, ist die Wicklung aus rechtwinkeligen Haarnadeln in mehreren Sätzen beim Verkürzen der Endwindungen vorteilhaft. Ein zusätzlicher Vorteil ist die Wärmeableitung durch den Statorstapel (z. B. geschlossene Luftkühlung, indirekte Flüssigkeitskühlung etc.). Umgekehrt werden Schluß- bzw. Endwindungen verwendet, um Wärme in der Wicklung abzuführen, falls eine direkte Ölkühlung oder ein offen zirkulierendes Luftkühlungssystem verwendet wird. Die Endwindungen müssen für die erwünschte Wärmeabführung genug Oberfläche und Zwischenraum zwischen Leitern haben. Eine vernünftige Länge einer Endwindung wird gemäß elektrischen und thermischen Anforderungen sowie physikalischen Beschränkungen der Endwindungslänge gewählt.
Im Gegensatz zur Endwindungslänge tragen die Jumper oder Verbindungen zwischen Polen, Wicklungssätzen, Phasen, Wegen etc. nicht viel zur Maschinenkühlung bei, so dass die Länge möglichst kurz gehalten wird. Um die Anzahl derartiger Verbindungen zu reduzieren, ist eine wellenförmige Wicklung besser als eine schleifenförmige. Die folgenden Verfahren zur Verbindung von Endwindungen liefern signifikante Vorteile.
(i) Rechtwinkelige Haarnadeln mit ungleichen Beinen
Gemäß der Wechselstrom-Wicklungstheorie sollte, um MMF-Harmonische mit niedriger Ordnung (hauptsächlich 5. und 7.) zu reduzieren, der ”erste Wickelschritt” der Wicklungen (z. B. Y₁, die Anzahl Schlitze zwischen Beinen, die durch die U-förmige Schluß- bzw. Endwindung verbunden sind, der ”Wicklungsschritt”) möglichst nahe bei (5/6)τ liegen (wobei τ der Polschritt in Schlitzen ist). Dies bewirkt, dass der Abstand bzw. Schritt von Verbindungen zwischen Wicklungssätzen nahe bei (4/3)τ liegt, während der ”zweite Wickelschritt” (d. h. Y₂, der zweite Schritt von Wicklungen und insbesondere die Anzahl Schlitze zwischen Leitern, die an ihren Beinenden verbunden sind, der ”Verbindungsschritt”) innerhalb eines Wicklungssatzes nahe bei (7/6)τ liegt. Um die obige Wickelschrittanordnung unter Verwendung von Haarnadeln mit Beinen gleicher Länge zu erreichen, müssen die Verbindungen zwischen Wicklungssätzen in einer axialen Richtung erweitert werden, wodurch die Gesamtlänge der Maschine vergrößert wird. Mit anderen Worten erfordern die Verbindungen zwischen Wicklungssätzen eine Verbindung zwischen nicht benachbarten Beinenden, und solche Verbindungen erfordern ein Verbinden mit Jumper, das die Höhe des Wicklungskopfes erhöht. Die Verwendung von Haarnadeln mit Beinen ungleicher Länge kann jedoch vermeiden, daß die Verbindungen zwischen Wicklungssätzen in der axialen Richtung verlängert werden müssen.
Als ein Beispiel des obigen Sachverhaltes betrachte man eine Dreiphasen-Wechselstromwicklung mit zwei Sätzen mit 10 Polen und 60 Schlitzen, wie z. B. die in 19 dargestellte. Ein detaillierter Blick auf die Jumper der Schlußwindungen und einige Verbindungen, die für Phase A dieser Anordnung erforderlich sind, sind in 9 gezeigt. In diesem Beispiel sind die Schichten vom oberen Ende zum Boden eines Schlitzes als die 1. bis 4. definiert. Die 1. und 2. Schichten bestehen aus einem Wicklungssatz 1, während die 3. und 4. Schichten aus einem Wicklungssatz 2 bestehen. Die über den Leiterschichten übereinander gelegten Linien zeigen die Verbindungen zwischen Beinenden von Haarnadeln auf dem Verbindungsende des Stators. Die leeren Rechtecke repräsentieren Phase A, die geschwärzten Rechtecke repräsentieren Phase B, und die gestreiften Rechtecke repräsentieren Phase C. Natürlich werden auch die Leiterschichten durch die U-förmigen Schlußwindungen am Einsatzende des Stators verbunden, aber diese Verbindungen sind der Klarheit halber in 9 nicht vorgesehen. Der erste Schritt Y₁ der Wicklungen (Haarnadelschritt) beträgt 5 (dies ist die Anzahl Schlitze, die die U-förmigen Schlußwindungen überspannen). Beispielsweise bei Schicht 4 in Schlitz 4 beginnend und der gepunkteten Referenzlinie 100 zur Schicht 3 von Schlitz 9 folgend kann man erkennen, dass sich diese Verbindung über 5 Schlitze erstreckt. Der zweite Schritt Y₂ der Wicklungen (Haarnadelverbindung innerhalb eines Satzes) beträgt 7. Beginnend bei Schicht 3 in Schlitz 9 beispielsweise und der Referenzlinie 102 zur Schicht 4 von Schlitz 16 folgend kann man erkennen, dass diese Verbindung sich über 7 Schlitze erstreckt. Es sollte auch besonders erwähnt werden, dass es 2 Verbindungen pro Satz pro Phase gibt, die einen um einen Schlitz kürzeren Y₂ aufweisen (z. B. beginnend bei Schicht 3 in Schlitz 57 und endend bei Schicht 4 in Schlitz 3, wie durch Referenzlinie 104 dargestellt ist, beträgt der zweite Wicklungsschritt statt 7 nur 6). Der Verbindungsschritt zwischen Wicklungssätzen 1 & 2 beträgt 8 (z. B. wie durch Referenzlinie 108 dargestellt ist, beginnend bei Schicht 3 in Schlitz 4 und endend bei Schicht 2 in Schlitz 10).
Um alle rechtwinkeligen Haarnadeln in einer Ebene der axialen Länge zu verbinden, müssen die Enden von zwischen Wicklungssätzen zu verbindenden Haarnadelbeinen miteinander ausgerichtet werden (d. h. benachbarte Beinenden). Um benachbarte Beinenden gemäß dem Wicklungsschema der 9 und 19 zu erreichen, sind Haarnadelbeine mit ungleicher Länge erforderlich. Demgemäß werden alle Beine in der 1. Schicht in 9 und 19 (d. h. die innerste Schicht bezüglich 8(b)) über 3 Schlitze im Gegenuhrzeigersinn gebogen, während Beine bei der 2. Schicht (Ausnahme eines kürzeren Y₂ zwischen Haarnadeln) im Uhrzeigersinn über 4 Schlitze gebogen werden. Für den Wicklungssatz 2 werden Beine bei Schicht 3 (außer kürzerer Y₂ zwischen Haarnadeln) über 4 Schlitze im Gegenuhrzeigersinn gebogen, während alle Beine bei Schicht 4 über 3 Schlitze im Uhrzeigersinn gebogen werden. Auf diese Weise liegen alle wie in 19 dargestellt herzustellenden Verbindungen von Schlußwindungen zwischen benachbarten Beinenden (mit Ausnahme der einen Jumper-Verbindung zwischen F_A3 und F_A4), einschließlich der Verbindungen zwischen Wicklungssätzen von Schicht 2 zu Schicht 3 (d. h. der Verbindungen zwischen F_A2 und S_A4, bezeichnet durch Referenzlinie 106, und der Verbindung F_A1 und S_A3, bezeichnet durch die Referenzlinie 108). Da die Verbindungen zwischen benachbarten Beinenden durch eine automatische Verbindungsmaschine hergestellt werden können und Jumper oder andere verlängerte Verbindungen nicht erforderlich sind, können die erforderlichen Verbindungen zwischen den Haarnadeln ohne Vergrößern der Gesamtlänge der elektrischen Maschine hergestellt werden.
Das Biegen und Verbinden ist als verteilte graphische Darstellung in 10 gezeigt, die das Wicklungsschema für Phase A für die Schlitze 52–16 zeigt. Wie oben bemerkt wurde, entspricht ein Verbinden von F_A2 mit S_A4 in 10 der Verbindung zwischen Wicklungssätzen, die bei Schicht 3 in Schicht 56 beginnen und bei Schicht 2 in Schlitz 4 enden. Ein Verbinden von F_A1 mit S_A3 in 10 entspricht der Verbindung zwischen Wicklungssätzen, die bei Schicht 3 in Schlitz 2 beginnen und bei Schicht 2 in Schlitz 10 enden. Um den Wicklungssatz zu vervollständigen, wird die gleiche Prozedur zum Verbinden von Haarnadeln in Phasen B und C wie in Phase A wiederholt. Die beiden Sätze von Wicklungen aus rechtwinkeligen Haarnadeln werden schließlich in einen Weg pro Phase durch Verbinden von F_A4 und F_A3 und eine Y-Verbindung von drei Phasen verbunden. Die in 19 gezeigte Wicklungsanordnung liefert nicht nur die Vorteile reduzierter Harmonischer, die mit der Wicklung mit kurzem Wickelschritt verbunden sind, sondern sorgt auch für eine Verbindung zwischen nebeneinanderliegenden Wicklungssätzen unter Verwendung benachbarter Beinenden. Indem für eine einfache Verbindung zwischen Haarnadeln einschließlich einer einfachen Verbindung zwischen Wicklungssätzen über benachbarte Beinenden gesorgt wird, muß die Gesamtlänge der elektrischen Maschine nicht vergrößert werden. Außerdem sind nur drei Jumper für den kompletten, in 19 dargestellten Wicklungssatz erforderlich.
Ein anderer signifikanter Vorteil der in 19 gezeigten Wicklungsanordnung (Haarnadelverbindungen unter Verwendung von Haarnadeln mit ungleichen Beinen) ist eine Anzahl Schlitze mit unterschiedlichen Phasenströmen. Wie vorher diskutiert wurde, wird aufgrund der Anordnung der Phasenleiter ein geringer Skineffekt in Schlitzen mit unterschiedlichen Phasenströmen verwirklicht. Zum Beispiel reduzieren die Leiter, die Ströme der Phasen A, B, A, B in Schlitz 8 von 9 führen, die Skineffekte, wie oben mit Verweis auf 6(c) erläutert wurde. Wie am besten in 9 dargestellt ist, liefert die Wicklungsanordnung von 19 reduzierte Skineffekte, da die Leiteranordnungen in allen geradzahligen Schlitzen diejeinige von 6(c) ist. Insbesondere die erste und zweite Schicht (d. h. die im ersten Wicklungssatz enthaltenen Leiter) in allen geradzahligen Schlitzen führen unterschiedliche Phasenströme, und die dritte und vierte Schicht (d. h. die im zweiten Wicklungssatz enthaltenen Leiter) in allen geradzahligen Schlitzen führen ebenfalls unterschiedliche Phasenströme, wobei das Muster der Phasenströme in den Schichten Eins und Zwei das gleiche wie das Muster von Phasenströmen in den Schichten Drei und Vier ist. Gleichzeitig führen alle Schichten in den ungeradzahligen Schlitzen den gleichen Phasenstrom (die Ausdrücke ”geradzahlige Schlitze” und ”ungeradzahlige Schlitze” werden hierin verwendet, um auf alternierende Schlitze zu verweisen. Die Wahl der Schlitznummerierung ist eine Konstruktionswahl, und die Ausdrücke ”geradzahlige Schlitze” und ”ungeradzahlige Schlitze” sollen keinen anderen beschränkenden Zweck haben, als auf alternierende Schlitze zu verweisen). Demgemäß wechselt die Leiteranordnung in jedem Schlitz des in 19 gezeigten Wicklungsschemas zwischen der in 6(a) gezeigten Konfiguration und der in 6(c) gezeigten Konfiguration. Der verbesserte Skineffekt in den geradzahligen Schlitzen minimiert den Skineffekt in den Wicklungen, wie vorher bezüglich 6(c) beschrieben wurde.
(ii) Haarnadeln mit gleichen Beinen für eine gerade Anzahl Wicklungssätze
Falls die Anzahl von Wicklungssätzen gerade ist, wie z. B. 2 oder 4 etc. (und besonders für 2 Sätze), kann eine alternative Ausführungsform der Erfindung implementiert werden, bei der der kurze Wickelschritt zur Reduzierung von Harmonischen umgesetzt wird, indem die geeignete Anzahl Schlitze zwischen Sätzen der Wicklungen mit vollem Wickelschritt verschoben bzw. geshifted wird. Dies bietet eine Möglichkeit, Haarnadeln mit gleichen Beinen herzustellen, während die Harmonischen noch unterdrückt werden. In dieser Ausführungsform sind alle rechtwinkeligen Haarnadeln mit Beinen gleicher Länge und vollen Wickelschritten bzw. Durchmesserwicklungen (engl. full pitches) innerhalb jedes Wicklungssatzes, außer 2 Haarnadeln/Spulen pro Phase, mit einem kurzen Wickelschritt (d. h. τ – 1) in jedem Wicklungssatz aufgrund der Merkmale einer Wellenwicklung ausgebildet. Die Verschiebung bzw. der Shift der Ausrichtungslage zwischen Wicklungssätzen wird als etwa (1/6)τ genommen, um die 5. und 7. Harmonischen zu unterdrücken, oder (1/ν)τ, um die ν-te Harmonische zu eliminieren.
Als ein Beispiel betrachtet man wieder eine Dreiphasen-Wechselstromwicklung in zwei Sätzen mit 10 Polen und 60 Schlitzen, wie z. B. die in 20 gezeigte. Ein detaillierter Blick auf die Jumper der Schlußwindungen und einige Verbindungen, die für Phase A dieser Anordnung erforderlich sind, ist in 11 und 12 dargestellt. In diesem Beispiel sind die Schichten vom oberen Ende bis zum Boden eines Schlitzes als die 1. bis 4. definiert. Die 1. und 2. Schicht bestehen aus einem Wicklungssatz 1, während die 3. und 4. Schicht aus einem Wicklungssatz 2 bestehen. Alle Haarnadeln haben gleiche Beinlängen (mit Ausnahme der Beine von zwei Haarnadeln pro Phase pro Satz, wie oben erwähnt wurde), und jedes Bein ist über drei Schlitze gebogen. Der zweite Schritt Y₂ (Verbindungsschritt innerhalb eines Satzes) beträgt sechs Schlitze, wie mit Schicht 1 von Schlitz 9 beginnend und Referenznummer 114 zu Schicht 2 von Schlitz 15 folgend dargestellt ist. Der erste Schritt (Haarnadelschritt) beträgt ebenfalls 6 Schlitze. Es sollte auch besonders erwähnt werden, dass es 2 Verbindungen pro Phase pro Satz gibt, die einen um einen Schlitz kürzeren Y₂ aufweisen (z. B. beginnend bei Schicht 3 in Schlitz 58 und endend bei Schicht 4 in Schlitz 3, wie durch eine Referenzlinie 116 dargestellt ist, beträgt der zweite Wicklungsschritt statt 6 nur 5). Der Verbindungsschritt bzw. -abstand zwischen Wicklungssätzen 1 & 2 beträgt 6 (z. B. wie durch Referenzlinie 110 dargestellt ist, beginnend bei Schicht 3 in Schlitz 57 und endend bei Schicht 2 im Schlitz 3). Verbindungen zwischen F_A2 & S_A4 110 und F_A1 & S_A3 112 in 12 und 20 werden einfach hergestellt, weil die Verbindung zwischen benachbarten Beinenden zwischen der zweiten und dritten Schicht hergestellt wird. Der Reihenweg unter Nordpolen und der Weg unter Südpolen sind je nach Entwurf in einem oder zwei Wegen verbunden. In diesem Beispiel ergibt eine Verbindung von F_A4 & F_A3 unter Verwendung von Jumpern einen Reihenweg pro Phase.
Vergleicht man 11 und 12 mit 9 und 10, zeigt die Kombination von zwei Wicklungssätzen mit Haarnadelspulen mit vollem Wickelschritt bzw. Durchmesserwicklung in 11 und 12 die gleichen Wicklungsfaktoren für sowohl Grund- als auch Oberschwingungen wie die Kombination von zwei Wicklungssätzen mit Haarnadelspulen mit kurzem Wickelschritt in 9 und 10. Bezüglich entweder MFF oder einer Haupt-EMF sind die Haarnadelwicklungen mit vollem Wickelschritt und gleichen Beinen nahezu äquivalent den Haarnadelwicklungen mit kurzem Wickelschritt und ungleichen Beinen. Die Haarnadeln mit gleichen Beinen haben die kürzere Länge von Schlußwindungen als Haarnadeln mit ungleichen Beinen. Es sollte jedoch besonders erwähnt werden, dass dieser Vorteil einen Kompromiß mit einem geringfügig höheren Skineffekt in Träger unterschiedlicher Phasenströme enthaltenden Schlitzen darstellt, da die Kombination von Phasenleitern für die Haarnadeln mit gleichen Beinen in Schlitzen mit Trägern unterschiedlicher Phasenströme zu dem in 6(b) gezeigten Typ gehört. Insbesondere tragen die ersten zwei Schichten (d. h. die im ersten Wicklungssatz enthaltenen Leiter) in allen geradzahligen Schlitzen einen ersten Phasenstrom, der von einem in den Schichten Drei und Vier (d. h. den im zweiten Wicklungssatz enthaltenen Leitern) getragenen zweiten Phasenstrom verschieden ist. Gleichzeitig tragen alle Schichten in den ungeradzahligen Schlitzen den gleichen Phasenstrom. Demgemäß alterniert die Leiteranordnung zwischen der in 6(a) gezeigten Konfiguration und der in 6(b) gezeigten Konfiguration. Der verbesserte Skineffekt in den geradzahligen Schlitzen ist nahezu gleich demjenigen, der in der obigen Ausführungsform mit ungleichen Beinlängen realisiert wird.
Da kleine und mittelgroße elektrische Maschinen typischerweise halb geschlossene Schlitze nutzen, werden Haarnadelwicklungen verwendet, um die oben beschriebenen Wicklungskonfigurationen zu erreichen (halb geschlossene Schlitze sind auch vorteilhaft, wie vorher erwähnt wurde). Der Einfachheit halber ist in 9–12 nur ein Abschnitt des Wicklungssatzes für Phase A dargestellt, aber die vollständige Wicklungsanordnung für Phasen A, B und C wird in 19 und 20 geliefert.
Die Verwendung einer Kombination eines Verschiebungs- bzw. Shift-Winkels/Schlitzes zwischen Paaren von Wicklungssätzen kann verschiedene äquivalente kurze Wickelschritte erzeugen. Als ein Beispiel können 4 Sätze mit Wicklungen mit vollen Wickelschritt bzw. Durchmesserwicklung in zwei Gruppen Wicklungen mit zwei Sätzen zerlegt werden. Falls der Shift-Winkel zwischen den beiden Sätzen in der ersten Gruppe (1/9)τ beträgt, während der Shift-Winkel zwischen zwei Sätzen in der zweiten Gruppe (2/9)τ beträgt, beträgt der äquivalente Wicklungsschritt der Wicklungen mit 4 Sätzen (7,5/9)τ, was eine Unterdrückung sowohl der 5. als auch 7. Harmonischen bzw. Oberschwingungen liefert, was besser ist als die Verwendung eines Wicklungsschrittes von (7/9)τ oder (8/9)τ. Dieses Verfahren liefert mehr Flexibilität beim Wählen von Wicklungsschritten, was bei traditionellen doppellagigen Wicklungen nicht erreichen werden kann.
Die obigen Beschreibungen mit Verweis auf 9–12 und 19 und 20 haben nur zwei Sätze von Wicklungen aus rechtwinkeligen Kupferhaarnadeln einbezogen, um die Beschreibung zu vereinfachen. Alternative Ausführungsformen können jedoch natürlich mehr als zwei Sätze von Wicklungen enthalten.
(iii) Trennung von Haarnadelverbindungen mit Phasenklemmverbindungen
Die Phasenklemmverbindungen und die Haarnadelverbindungen liegen herkömmlicherweise am gleiche Ende des Ankerstapels, wie in 3(b) und 8(b) dargestellt ist. Diese Anordnungen beeinflussen nicht die Herstellungsprozeduren beim Herstellen manueller Schweißverbindungen. Es ist jedoch schwierig, alle Verbindungspunkte bei einem automatischen Schweißen durch mechanische Arme zu schweißen, weil die längeren Phasenklemmdrähte im Weg sind. Folglich ist es hilfreich, die Haarnadelverbindungen von Phasenklemmverbindungen zu trennen, d. h. die Haarnadelverbindungen sind an einem Ende des Ankerstapels angeordnet, und alle Phasenklemmverbindungen befinden sich auf dem anderen Ende des Ankerstapels. Als Folge werden alle Verbindungspunkte gleichmäßig und geschickt bei der gleichen axialen Ebene auf dem Haarnadelverbindungsende des Ankers platziert, was den Schweißprozeß durch mechanische Arme automatisch einfacher durchführen lässt. Gleichzeitig sind die Verbindungspunkte in der radialen Richtung auf dem anderen Ende des Ankers nicht übereinander ausgerichtet bzw. justiert, so dass die möglichen Kurzschlüsse zwischen Schweißpunkten vermieden werden. Im Gegensatz zu den Phasenklemmanschlüssen, die zwischen Haarnadeln wie in 5(b) gezeigt herauskommen, kommen die Phasenklemmanschlüsse entweder aus dem Innendurchmesser oder dem Außendurchmesser der gesamten Schlußwindungen heraus.

Um die Anordnung von Haarnadelverbindungen und Phasenklemmanschlüssen deutlicher zu zeigen, sind die Wicklungen in den Beispielen der 11 und 12 in 13 erneut gezeichnet, wobei alle Phasen dargestellt sind. Die rechtwinkeligen Kupferhaarnadeln sind von einem Ende des Ankers aus in den Schlitz eingesetzt, während die Verbindungspunkte, die aus gebogenen rechtwinkeligen Haarnadelbeinen bestehen, an der Oberseite der geteilten Wicklungszeichnung jedes Satzes in 13 liegen. Die Phasenklemmanschlüsse und Verbindungen der beiden Sätze (4 Schichten Spulenseiten auf jedem Schlitz) in den Wicklungen aus rechtwinkeligen Kupferhaarnadeln werden wie folgt beschrieben:

Phase A:	(I) Verbinde F_A1 der Schicht 3 mit S_A3 der Schicht 2
	(II) Verbinde F_A2 der Schicht 3 mit S_A4 der Schicht 2
Phase B:	(I) Verbinde F_B1 der Schicht 3 mit S_B3 der Schicht 2
	(II) Verbinde F_B2 der Schicht 3 mit S_B4 der Schicht 2
Phase C:	(I) Verbinde F_C1 der Schicht 3 mit S_C3 der Schicht 2
	(II) Verbinde F_C2 der Schicht 3 mit S_C4 der Schicht 2

In diesem Beispiel sind drei Phasenwicklungen in einem Reihenweg pro Phase mit einer Y-Verbindung der drei Phasen verbunden. F_A3 & F_A4 von Phase A, F_B3 & F_B4 von Phase 4 und F_C2 & F_C4 von Phase C sind jeweils in Reihe geschaltet. S_A1, S_B2 und S_C2 sind mit dem Mittelleiter verbunden. S_A2, S_B1 und S_C1 sind für drei Phasenklemmanschlüsse A, B und C übrig.
Ergebnisse von Beispielsimulationen
Die folgenden Daten sind eine Beispielsimulation, um die Verbesserung der Leistung und Maschinengröße mit der offenbarten Wicklungstechnologie zu zeigen.
Eine Dreiphasen-Induktionsmaschine (Maschine I) ist wie folgt vorgesehen: 2P = 10 Pole; Stator/Rotorschlitze Z₁/Z₂ = 90/112; q = 3 Schlitze pro Phase pro Pol; Spulen- bzw. Wicklungsschritt Y₁ = 8 Schlitze; N_c = 13 Windungen pro Spule bzw. Wicklung; a = 10 parallele Wege; Drahtgröße 2 × AWG^# 18½; Schlitzfüllverhältnis = 42%; Doppelschicht-Schleifenwicklungen; Y-Verbindung; Stator ID/OD = 293,52/369,56 mm; Statorlänge L = 127,5 mm, Schlußwindungslänge (zwei Seiten) Le = 58 + 34 = 92.
Eine Wicklung aus rechtwinkeligen Kupferhaarnadeln (Maschine II) ist wie folgt vorgesehen: Wicklungen S = 2 Sätze; 2p = 10 Pole; Stator/Rotor Schlitze Z₁/Z₂ = 60/64; q = 2 Schlitze pro Phase pro Pol; Spulen bzw. Wicklungsschritt Y₁ = 5 Schlitze; N_c = 1 Windung pro Spule bzw. Wicklung; a = 1 parallel Wege; Drahtgröße W 6,7 mm × H 3,35 mm; Schlitzfüllverhältnis 67%; pro Satz Doppelschicht-Wellenwicklungen; Y-Verbindung-Stator ID/OD = 293,52/369.56 mm; Statorlänge L = 127,5 mm; Schlußwindungslänge (zwei Seiten) Le = 40 + 32 = 72 mm.
Nachdem die Statorwicklungen von einem runden Draht zu Wicklungen mit rechtwinkeligen Haarnadeln in zwei Sätzen geändert wurden, nimmt die Ausgangsleistung der Maschine bei einem niedrigen Drehzahlbereich unter der gleichen Beschränkung des Wechselstroms oder dem gleichen Volt-Ampere-(VA)-Potential des elektronischen Leistungswandlers zu, was in 14 dargestellt ist. Falls die thermische Last oder der Gesamtverlust der Maschine als Kriterium genutzt wird, vergrößert sich der Unterschied der Ausgangsleistung zwischen der patentierten Maschine und der herkömmlichen Maschine mit runden Drähten wegen des hohen Schlitzfüllverhältnisses und des niedrigen Wechselspannungs-Phasenwiderstands im niedrigen Drehzahlbereich weiter. Die Verbesserung der Leistungserzeugung bei niedriger Drehzahl ist für HEVs sehr attraktiv.
Wie vorher diskutiert wurde, gehen die vorgesehenen Ausführungsformen der Wicklungen aus rechtwinkeligen Kupferhaarnadeln mit mehreren Sätzen den Skineffekt an oder erhöhen Wechselstromwiderstände in der elektrischen Maschine, falls die Leiterhöhe in Schlitzen nicht klein genug ist. Die Wechselstromwiderstände werden für den schlimmsten Fall berechnet (d. h. offene Schlitze, da der praktische Wechselstromwiderstand in Wicklungen mit halb geschlossenen Schlitzen niedriger sein sollte). Für zwei Wicklungssätze (4 Schichten eines rechtwinkeligen Leiters mit der Dicke von etwa 3,5 mm) zeigt 15, daß der Wechselstrom-Phasenwiderstand in der patentierten Wicklung bis ungefähr 3500 UpM niedriger als derjenige in herkömmlichen Wicklungen mit runden Drähten. Tatsächlich arbeitet die elektrische Maschine im allgemeinen unterhalb von 3500 UpM und läuft selten nahe der Linie für den roten Drehzahlbereich von 5500 UpM bei einer Konfiguration für Direktantriebe. Ein Erhöhen der Anzahl von Wicklungssätzen wird den Skineffekt und folglich den Wechselstromwiderstand verringern. Kombiniert man Herstellungskosten mit Maschinenleistung genügen jedoch Wicklungen aus rechtwinkeligen Kupferhaarnadeln in zwei Sätzen dieser Anwendung schon sehr gut. Die Kurve des Wirkungsgrades bei Vollast und Anlaufbetrieb der patentierten Maschine ist in 16 dargestellt, in der die Skineffekte enthalten sind. Die Leistungskurven zeigen eine große Verbesserung bei niedriger Drehzahl; im roten Drehzahlbereich Leistung geringfügig geopfert wird.
Der hierin offenbarte Wicklungsentwurf demonstriert Verbesserungen für direkte Oberflächenölkühlsysteme. Auf den Wicklungen ist wegen der Existenz eines Raums (Zwischenraums) zwischen Leitungen von Schlußwindungen keine zusätzliche Isolierung der Schlußwindungen erforderlich. Folglich werden das Wärmeübertragungsvermögen und die Herstellungskosten verbessert. Überdies liefert die Anordnung der Wicklungen nebeneinander mehr Ölfluß über die Schluß- bzw. Endwindungen als bei Entwürfen mit überlappenden Spulenwicklungen.
Zusätzlich zum obigen Sachverhalt sorgt der hierin offenbarte Wicklungsentwurf für eine reduzierte Gesamtlänge der elektrischen Maschine. Insbesondere werden die Schlußwindungslänge (und die Gesamtlänge der Maschine) verglichen mit Entwürfen mit überlappender Wicklung um etwa 20 mm reduziert. Dies wird wegen der kurzen Schlußwindungen und des Fehlens eines Wechselstrombusses beim Schlußwindungsbereich erreicht.
Zusätzlich zu den obigen Vorteilen sorgt der hierin offenbarte Wicklungsentwurf für eine elektrische Maschine mit einem hohen Schlitzfüllverhältnis (z. B. bis zu 75% des Flächenverhältnisses blanker Drähte zur gesamten Querschnittfläche eines Schlitzes), hohen Wirkungsgrad bei niedrigen UpM, niedrigeren Herstellungskosten, großer Wärmeabführfläche bei Schlußwindungen, hoher Wärmeleitfähigkeit in den Schlitzen und einfacher Wartung und Reparatur der Wicklung (verglichen mit Anordnungen mit überlappenden Wicklungen).
Die elektrische Maschine mit Haarnadelwicklungen in mehreren Sätzen, wie sie hierin beschrieben wurde, ist besonders für die Verwendung bei Hybridfahrzeugen in der Automobil- und Lastwagenindustrie anwendbar. Die haarnadelgewickelte elektrische Maschine mit Haarnadelwicklungen in mehreren Sätzen, die hierin beschrieben wurde, kann jedoch auch in jeder beliebigen elektrischen Wechselstrommaschine mit drei Phasen (oder einer beliebigen Phasenanzahl) (sowohl Motor als auch Generator) verwendet werden, die über einen weiten Drehzahlbereich effizient arbeiten soll. Wie oben beschrieben wurde, liefert die elektrische Maschine ein hohes Schlitzfüllverhältnis (bis zu 75% Verhältnis blankes Kupfer zu Schlitzfläche) und reduziert die negativen Skineffekte von Wechselstromwicklungen, was zu einem höheren Wirkungsgrad der elektrischen Maschine und niedrigeren Kraftstoffverbrauch (Energie einsparen) für umweltfreundliche Hybridelektrofahrzeuge oder reine Elektrofahrzeuge führt.
Obgleich die vorliegende Erfindung sehr ausführlich mit Verweis auf deren bestimmte bevorzugte Versionen beschrieben wurde, sind andere Versionen möglich. Zum Beispiel reduziert die oben beschriebene Verbindung mit Wellenwicklungen Jumper-Drähte zwischen Polen, so dass die Spulenwindungen pro Phase nicht flexibel gewählt werden können und die parallelen Wege pro Phase nur Eins oder Zwei betragen können, um die Verwendung eines Wechselstrombusses bei Schlußwindungen zu vermeiden. Um die Flexibilität bei der Auswahl der Reihenwindungen der Wicklung pro Phase zu erhöhen, können die Schlitzzahl und die Anzahl von Wicklungssätzen geändert werden. Zum Beispiel kann die Anzahl von Statorschlitzen 60, 90 und 120 für Wicklungen einer Dreiphasenmaschine mit 10 Polen betragen, und die Wicklungssätze können als 2, 3 oder mehr gewählt werden. Um die Flexibilität weiter zu erhöhen, können Schlitzwicklungen in gewissen Bruchteilen eingeführt werden. Diese liefern mehr Wahlmöglichkeiten für Wicklungswindungen. Gleichzeitig kann ein Andern der Länge des Schichtungsstapels den Entwurf bei gegebener Anzahl Windungen pro Phase an einen weiten Spannungsbereich anpassen. Dies wird möglich, weil eine kürzere Schlußwindung in den erfundenen Wicklungen mehr Flexibilität beim Auswählen der Stapellänge liefert, um die Gesamtlänge der Maschine innerhalb des verfügbaren Raums zu halten. Ein Ändern der Polzahl im Maschinenentwurf kann sich überdies auch nach gewissen verfügbaren Wicklungswindungen richten, die durch die offenbarte Wicklungstechnologie geliefert werden. Außerdem kann eine Erhöhung der Herstellungskosten aufgrund der Anzahl von Schweißpunkten durch die Einführung eines automatischen Schweißverfahrens reduziert werden, da die benachbarten Schluß- bzw. Endwindungen für eine automatische Fertigungsstraße geeignet sind. Überdies sollen der Geist und Umfang der beiliegenden Ansprüche nicht auf die hierin enthaltene Beschreibung der bevorzugten Versionen beschränkt sein.

Claims

Haarnadelgewickelter Stator für eine elektrische Maschine, wobei der Stator umfasst: a. mehrere zum Teil geschlossene Statorschlitze, einschließlich einer Mehrzahl geradzahliger Schlitze und einer Mehrzahl ungeradzahliger Schlitze; b. einen ersten Wicklungssatz, der in den Statorschlitzen angeordnet ist und Wicklungen für Phase A für den ersten Wicklungssatz, Wicklungen für Phase B für den ersten Wicklungssatz und Wicklungen für Phase C für den ersten Wicklungssatz aufweist, wobei der erste Wicklungssatz eine erste Mehrzahl Haarnadeln umfasst, die eine erste Schicht Leiter in den Statorschlitzen und eine zweite Schicht Leiter in den Statorschlitzen bilden, wobei die erste Mehrzahl Haarnadeln jeweils zwei Beine mit Beinenden aufweist und jedes Beinende in eine gewünschte Konfiguration gebogen ist, um benachbarte Beinenden zwischen der ersten Schicht Leiter und der zweiten Schicht Leiter zu bilden; c. einen zweiten Wicklungssatz, der in den Statorschlitzen angeordnet ist und Wicklungen für Phase A für den zweiten Wicklungssatz, Wicklungen für Phase B für den zweiten Wicklungssatz und Wicklungen für Phase C für den zweiten Wicklungssatz aufweist, wobei der zweite Wicklungssatz eine zweite Mehrzahl Haarnadeln aufweist, die eine dritte Schicht Leiter in den Statorschlitzen und eine vierte Schicht Leiter in den Statorschlitzen bilden, wobei die dritte Schicht Leiter in jedem der ganzzahligen Schlitze einen Strom mit anderer Phase führt als die zweite Schicht Leiter, wobei die zweite Mehrzahl Haarnadeln jeweils zwei Beine mit Beinenden aufweist und jedes Beinende in eine gewünschte Konfiguration gebogen ist, um benachbarte Beinenden zwischen (i) der zweiten Schicht Leiter und der dritten Schicht Leiter und (ii) der dritten Schicht Leiter und der vierten Schicht Leiter zu bilden; worin der zweite Wicklungssatz mit dem ersten Wicklungssatz durch Verbinden zumindest eines der benachbarten Beinenden zwischen der zweiten Schicht Leiter und der dritten Schicht Leiter zusammengefügt ist; wobei (i) die Wicklungen für Phase A für den ersten Wicklungssatz um einen Statorschlitz gegen die Wicklungen für Phase A für den zweiten Wicklungssatz versetzt sind, (ii) die Wicklungen für Phase B für den ersten Wicklungssatz um einen Statorschlitz gegen die Wicklungen für Phase B für den zweiten Wicklungssatz versetzt sind, und (iii) die Wicklungen für Phase C für den ersten Wicklungssatz um einen Statorschlitz gegen die Wicklungen für Phase C für den zweiten Wicklungssatz versetzt sind.
Stator nach Anspruch 1, worin eine Mehrheit der benachbarten Beinenden zwischen der ersten Schicht Leiter und der zweiten Schicht Leiter verbunden ist.
Stator nach Anspruch 1, worin eine Mehrheit der benachbarten Beinenden zwischen der dritten Schicht Leiter und der vierten Schicht Leiter verbunden ist.
Stator nach Anspruch 1, worin eine Mehrheit der ersten Mehrzahl Haarnadeln Beine ungleicher Länge aufweist.
Stator nach Anspruch 4, worin eine Mehrheit der zweiten Mehrzahl Haarnadeln Beine ungleicher Länge aufweist.
Stator nach Anspruch 5, worin jede der ersten Mehrzahl Haarnadeln eine Schlußwindung aufweist und jede der zweiten Mehrzahl Haarnadeln eine Schlußwindung aufweist.
Stator nach Anspruch 1, worin eine Mehrheit der ersten Mehrzahl Haarnadeln Beine gleicher Länge aufweist.
Stator nach Anspruch 7, worin eine Mehrheit der zweiten Mehrzahl Haarnadeln Beine gleicher Länge aufweist.
Stator nach Anspruch 8, worin jede der ersten Mehrzahl Haarnadeln eine Schlußwindung aufweist und jede der zweiten Mehrzahl Haarnadeln eine Schlußwindung aufweist.
Stator nach Anspruch 1, mit einem dritten Wicklungssatz.
Stator nach Anspruch 1, mit einem vierten Wicklungssatz.
Elektrische Maschine, umfassend: einen Stator mit einem im Wesentlichen zylindrischen Innenraum, wobei der Stator eine Mehrzahl Statorschlitze umfasst, einschließlich einer Mehrzahl geradzahliger Schlitze und einer Mehrzahl ungeradzahliger Schlitze; eine erste Mehrzahl Haarnadelleiter, die in den Statorschlitzen in einer Anordnung mit kurzem Wicklungsschritt angeordnet sind, um einen ersten Wicklungssatz zu bilden, welcher Wicklungen für Phase A für den ersten Wicklungssatz, Wicklungen für Phase B für den ersten Wicklungssatz und Wicklungen für Phase C für den ersten Wicklungssatz aufweist, wobei die erste Mehrzahl Haarnadelleiter eine erste Schicht Leiter und eine zweite Schicht Leiter in den Statorschlitzen bilden, und wobei die erste Mehrzahl Haarnadelleiter jeweils eine Endwindung und zwei Beine ungleicher Länge aufweist, wobei die Beine ungleicher Länge von jedem Haarnadelleiter der ersten Mehrzahl Haarnadelleiter nach außen gebogen sind, um im Allgemeinen dem Umfang des Stators zu folgen, wobei das längere der Beine ungleicher Länge von jedem Haarnadelleiter der ersten Mehrzahl Haarnadelleiter in eine erste Umfangsrichtung gebogen ist, und das kürzere der Beine ungleicher Länge von jedem Haarnadelleiter der ersten Mehrzahl Haarnadelleiter in eine zweite Umfangsrichtung gebogen ist; eine zweite Mehrzahl Haarnadelleiter, die in den Statorschlitzen in einer Anordnung mit kurzem Wicklungsschritt angeordnet sind, um einen zweiten Wicklungssatz zu bilden, welcher Wicklungen für Phase A für den zweiten Wicklungssatz, Wicklungen für Phase B für den zweiten Wicklungssatz und Wicklungen für Phase C für den zweiten Wicklungssatz aufweist, wobei der zweite Wicklungssatz im Wesentlichen konzentrisch mit dem ersten Wicklungssatz ist, wobei die zweite Mehrzahl Haarnadelleiter eine dritte Schicht Leiter und eine vierte Schicht Leiter in den Statorschlitzen bilden, wobei die dritte Schicht Leiter in jedem der ganzzahligen Schlitze einen Strom mit anderer Phase führt als die zweite Schicht Leiter, und wobei die zweite Mehrzahl Haarnadelleiter jeweils eine Endwindung und zwei Beine ungleicher Länge aufweist, wobei die Beine ungleicher Länge von jedem Haarnadelleiter der zweiten Mehrzahl Haarnadelleiter nach außen gebogen sind, um im Allgemeinen dem Umfang des Stators zu folgen, wobei das kürzere der Beine ungleicher Länge von jedem Haarnadelleiter der ersten Mehrzahl Haarnadelleiter in die erste Umfangsrichtung gebogen ist, und das längere der Beine ungleicher Länge von jedem Haarnadelleiter der zweiten Mehrzahl Haarnadelleiter in die zweite Umfangsrichtung gebogen ist; und mindestens eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Wicklungssatz und dem zweiten Wicklungssatz, wobei die mindestens eine elektrische Verbindung hergestellt ist, indem mindestens ein Bein der ersten Mehrzahl Haarnadelleiter mit mindestens einem benachbarten Bein der zweiten Mehrzahl Haarnadelleiter zusammengefügt ist; wobei (i) die Wicklungen für Phase A für den ersten Wicklungssatz um einen Statorschlitz gegen die Wicklungen für Phase A für den zweiten Wicklungssatz versetzt sind, (ii) die Wicklungen für Phase B für den ersten Wicklungssatz um einen Statorschlitz gegen die Wicklungen für Phase B für den zweiten Wicklungssatz versetzt sind, und (iii) die Wicklungen für Phase C für den ersten Wicklungssatz um einen Statorschlitz gegen die Wicklungen für Phase C für den zweiten Wicklungssatz versetzt sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 12, ferner umfassend: mindestens eine weitere Mehrzahl Haarnadelleiter, die in den Statorschlitzen in einer Anordnung mit kurzen Wicklungsschritt angeordnet sind, um mindestens einen weiteren Wicklungssatz zu bilden, wobei der mindestens eine weitere Wicklungssatz im Wesentlichen konzentrisch mit dem ersten Wicklungssatz ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 12, wobei die erste Mehrzahl Haarnadelleiter und die zweite Mehrzahl Haarnadelleiter derart in den Statorschlitzen angeordnet sind, dass die Endwindungen aus einem ersten axialen Ende des Stators herausragen und die Beine aus einem zweiten axialen Ende des Stators herausragen, wobei die elektrische Maschine ferner umfasst: mindestens einen Anschluss, wobei der mindestens eine Anschluss mit der mindestens einen Endwindung elektrisch verbunden ist.
Elektrische Maschine, umfassend: einen Stator mit einem im Wesentlichen zylindrischen Innenraum, wobei der Stator eine Mehrzahl Statorschlitze umfasst, einschließlich einer Mehrzahl geradzahliger Schlitze und einer Mehrzahl ungeradzahliger Schlitze; eine erste Mehrzahl Haarnadelleiter, die in den Statorschlitzen in einer Anordnung mit vollem Wicklungsschritt angeordnet sind, um einen ersten Wicklungssatz zu bilden, welcher Wicklungen für Phase A für den ersten Wicklungssatz, Wicklungen für Phase B für den ersten Wicklungssatz und Wicklungen für Phase C für den ersten Wicklungssatz aufweist, wobei die erste Mehrzahl Haarnadelleiter eine erste Schicht Leiter und eine zweite Schicht Leiter in den Statorschlitzen bilden, und wobei die erste Mehrzahl Haarnadelleiter jeweils eine Endwindung und zwei Beine gleicher Länge aufweist, wobei die Beine gleicher Länge von jedem Haarnadelleiter der ersten Mehrzahl Haarnadelleiter nach außen gebogen sind, um im Allgemeinen dem Umfang des Stators zu folgen; eine zweite Mehrzahl Haarnadelleiter, die in den Statorschlitzen in einer Anordnung mit vollem Wicklungsschritt angeordnet sind, um einen zweiten Wicklungssatz zu bilden, welcher Wicklungen für Phase A für den zweiten Wicklungssatz, Wicklungen für Phase B für den zweiten Wicklungssatz und Wicklungen für Phase C für den zweiten Wicklungssatz aufweist, wobei der zweite Wicklungssatz im Wesentlichen konzentrisch mit dem ersten Wicklungssatz ist und um mindestens einen Schlitz in Bezug auf den ersten Wicklungssatz versetzt ist, wobei die zweite Mehrzahl Haarnadelleiter eine dritte Schicht Leiter und eine vierte Schicht Leiter in den Statorschlitzen bilden, wobei die dritte Schicht Leiter in jedem der ganzzahligen Schlitze einen Strom mit anderer Phase führt als die zweite Schicht Leiter, und wobei die zweite Mehrzahl Haarnadelleiter jeweils eine Endwindung und zwei Beine gleicher Länge aufweist, wobei die Beine gleicher Länge von jedem Haarnadelleiter der zweiten Mehrzahl Haarnadelleiter nach außen gebogen sind, um im Allgemeinen dem Umfang des Stators zu folgen; und mindestens eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Wicklungssatz und dem zweiten Wicklungssatz, wobei die mindestens eine elektrische Verbindung hergestellt ist, indem mindestens ein Bein der ersten Mehrzahl Haarnadelleiter mit mindestens einem benachbarten Bein der zweiten Mehrzahl Haarnadelleiter zusammengefügt ist; wobei (I) die Wicklungen für Phase A für den ersten Wicklungssatz um einen Statorschlitz gegen die Wicklungen für Phase A für den zweiten Wicklungssatz versetzt sind, (ii) die Wicklungen für Phase B für den ersten Wicklungssatz um einen Statorschlitz gegen die Wicklungen für Phase B für den zweiten Wicklungssatz versetzt sind, und (iii) die Wicklungen für Phase C für den ersten Wicklungssatz um einen Statorschlitz gegen die Wicklungen für Phase C für den zweiten Wicklungssatz versetzt sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 15, ferner umfassend: mindestens eine weitere Mehrzahl Haarnadelleiter, die in den Statorschlitzen in einer Anordnung mit vollem Wicklungsschritt angeordnet sind, um mindestens einen weiteren Wicklungssatz zu bilden, wobei der mindestens eine weitere Wicklungssatz im Wesentlichen konzentrisch mit dem ersten Wicklungssatz ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 15, wobei die erste Mehrzahl Haarnadelleiter und die zweite Mehrzahl Haarnadelleiter derart in den Statorschlitzen angeordnet sind, dass die Endwindungen aus einem ersten axialen Ende des Stators herausragen und die Beine aus einem zweiten axialen Ende des Stators herausragen, wobei die elektrische Maschine ferner umfasst: mindestens einen Anschluss, wobei der mindestens eine Anschluss mit der mindestens einen Endwindung elektrisch verbunden ist.