DE60027752T2

DE60027752T2 - Elektrische maschine mit einer wicklung

Info

Publication number: DE60027752T2
Application number: DE60027752T
Authority: DE
Inventors: Agne Thord NILSON
Original assignee: Atlas Copco Airpower NV
Current assignee: Atlas Copco Airpower NV
Priority date: 1999-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2020-11-10
Also published as: CZ20021600A3; CA2390335A1; WO2001035514A1; CN1387693A; AU1260001A; KR20020063568A; CN1178363C; CA2390335C; WO2001035514A9; EP1100179A1; EP1228559B1; DE60027752D1; ATE325457T1; DK1228559T3; JP2003514494A; EP1228559A1; US6798105B1; PL355497A1

Description

Diese Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, spezieller einen Motor oder einen Generator, mit einer Wicklung, welche einen Draht umfasst, der aus individuell isolierten Leitern besteht, wobei diese Leiter Drähte oder Litzen sind.
Diese Art von Drähten ist allgemein als Litzendraht bekannt.
Solche Wicklungen sind beispielsweise um die Zähne des Stators oder in Nuten in dem Stator plaziert, welche Zähne oder Nuten sich parallel zur Drehachse des Rotors erstrecken.
Bei bekannten Motoren oder Generatoren erstrecken die Leiter des Drahts der Wicklung sich parallel zueinander oder sind in kleinen Bündeln verdrillt, die sich parallel zueinander erstrecken. Diese kleinen Bündel können beispielsweise aus Litzendrähten bestehen, die verdrillte oder geflochtene Drähte aufweisen, wobei der Wicklungsdraht mehrere solcher Litzendrähte umfasst, die sich parallel zueinander erstrecken.
Die Wärmeleitung der Wicklung senkrecht zur Richtung der Wicklung ist im Vergleich zur Wärmeleitung von Kupfer sehr gering. Daher wird die Wicklung oft mit speziellen Materialien imprägniert, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen, jedoch selbst dann ist die Wärmeleitfähigkeit in Querrichtung der Wicklung relativ niedrig und ist die mögliche Kühlung der Wicklung begrenzt.
EP-A-0.519.679 offenbart eine röhrenförmige Dreiphasen-Ankerwicklung, wobei der für die Wicklung verwendete Draht parallele flache Leiter umfasst. Der Wicklungsdraht erstreckt sich im Zickzack zwischen den beiden Enden des Motors, jedoch sind in einem quergerichteten Abschnitt des Wicklungsdrahts die Leiter einander in der Querrichtung benachbart und erstrecken diese Leiter sich in der Längsrichtung des Wicklungsdrahts parallel zueinander. Dieses Dokument definiert eine sehr raumeffiziente Wicklungsanordnung, erwähnt jedoch keinerlei Kühlung, und die Wicklung hat dieselbe begrenzte Kühlmöglichkeit wie die oben erwähnten bekannten Motoren und Generatoren.
DE-C-496.884 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Wicklungsdrahts, wobei die Leiter sich von einer Kante des Drahts zur anderen erstrecken. Dieses Dokument offenbart jedoch nicht, wie solcher Draht in einer Wicklung verwendet wird. Es wird nicht suggeriert, dass die Kanten des Drahts auch die Kanten der Wicklung sind und in thermisch leitendem Kontakt mit einem Kühlmedium stehen. Vielmehr kann, zum Zweck der Kühlung, der Wicklungsdraht hohl gemacht werden, wobei er somit einen Kanal für Kühlluft umfasst.
Der Mangel an ausreichender Kühlung der Wicklung kann eine Begrenzung für die Geschwindigkeit des Motors oder Generators darstellen.
Die Erfindung strebt nach der Verschaffung einer elektrischen Maschine mit einer Wicklung, die eine erhöhte Kühlung aufweist.
Erfindungsgemäß wird dieser Gegenstand dadurch erzielt, dass die isolierten Leiter des Wicklungsdrahts sich innerhalb des Drahts in einem Zickzackmuster unter Winkeln in Bezug zur mittleren Längsrichtung des Wicklungsdrahts erstrecken, zwischen den Kanten des Wicklungsdrahts, wobei besagte Kanten in thermisch leitendem Kontakt mit einem Kühlmedium sind.
In einem Schnitt senkrecht zu der Wicklung und in Querrichtung gibt es nur einen Draht mit sich im Zickzack erstreckenden isolierten Leitern.
Durch das Zickzackmuster kann die Wärme entlang den Drähten zur Kante der Wicklung und somit zu dem Kühlmedium übertragen werden, statt durch die Isolierung von einem Draht zum anderen springen zu müssen, und kann die Wärme seitlich in einem viel größeren Umfang dissipiert werden, als wenn die Leiter parallel sind.
Erfindungsgemäß kann das Zickzackmuster unter Winkeln zwischen 5° und 45° und vorzugsweise zwischen 10° und 30° in Bezug zur mittleren Längsrichtung der Wicklung verlaufen.
Spezieller kann der Wicklungsdraht aus einem durch ein flaches und breites Paket isolierter Leiter gebildeten Draht bestehen, wobei jeder Leiter sich im Zickzack von einer Seite des Pakets zur anderen erstreckt.
Die Wicklung kann in wärmeleitender Verbindung mit einem festen wärmeleitenden Material sein, beispielsweise dem Eisen eines Stators, in welchem Fall das Kühlmedium aus diesem wärmeleitenden Material besteht.
Die Wicklung kann sich in einem Kanal in einem Stator befinden, wobei in einer Ausführungsform Raum in dem Kanal offengelassen wird, welcher Raum mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium, beispielsweise Transformatorenöl, gefüllt ist.
Der Wicklungsdraht kann mit einem geeigneten Klarlack überzogen sein, sodass die Wicklung selbsttragend wird. In diesem Fall kann die Wicklung in einem Luftspaltwicklungsmotor verwendet sein und kann das Kühlmedium gasförmig sein.
Die Erfindung wird nun als Beispiel und unter Verweis auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, worin:
1 eine Schnittansicht eines Teils eines Elektromotors mit einer Wicklung des Standes der Technik mit Litzendraht ist;
2 eine Schnittansicht gleichartig der von 1 ist, jedoch mit einer erfindungsgemäßen Wicklung;
3 einen Querschnitt entlang Linie III-III in 2 darstellt;
4 einen Querschnitt gleichartig dem von 3 darstellt, jedoch unter Bezug auf eine andere Ausführungsform des Wicklungsdrahts;
5 eine Schnittansicht gleichartig der von 2 ist, jedoch in Bezug auf eine andere Ausführungsform gemäß der Erfindung.
1 zeigt einen Teil eines Motors des Standes der Technik, der einen Stator 1 umfasst, welcher einen Rotor 2 umgibt.
Die Innenseite des Stators 1 ist mit Zähnen 3 versehen, zwischen denen Kanäle 4 gebildet sind. Eine Spule oder Wicklung 3 mit einem Litzendraht 6 ist in jedem dieser Kanäle vorhanden.
Der Litzendraht 6 besteht aus einer Anzahl individuell isolierter Leiter 7, die von einer isolierenden Umhüllung umgeben sind.
In einer anderen Ausführungsform kann der Litzendraht 6 aus einer Anzahl von Bündeln von Magnetdraht, umgeben von einer isolierenden Umhüllung, bestehen.
In beiden Ausführungen ist die isolierende Umhüllung nicht unbedingt notwendig.
In beiden Ausführungen ist der Draht 6 mehrere Male um den Stator 1 gewickelt, sodass mehrere Portionen besagten Drahts sowohl nebeneinander als auch übereinander liegen. In der Querrichtung der Wicklung sind mehrere Teile des Drahts benachbart und erstreckt sich keiner der Teile gleichzeitig zu beiden lateralen Seiten der Wicklung.
Dies bedeutet, dass Wärme sehr schwierig von den innerhalb des Litzendrahts 6 befindlichen Leitern 7 dissipiert werden kann. Die Wärme muss seitlich von Leiter zu Leiter springen und weiter von einem Litzendraht 6 zu einem anderen, um die Außenfläche oder Kante der Wicklung 5 und somit den Kanal 4 zu erreichen.
Der in 2 gezeigte Motor unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten nur durch eine Gestaltung der Wicklung 4, welche gemäß der Erfindung ist.
Die Wicklung 5 besteht auch aus einem Draht 8, der eine Anzahl individuell isolierter Leiter 9 umfasst, jedoch erstrecken diese Leiter 9 sich im Zickzack in ihrem Kanal 4, sodass jeder Leiter 9 regelmäßig die Außenfläche oder Kante der Wicklung erreicht. Die Leiter 9 können Einzeldrähte sein, wie in den 2 oder 3 dargestellt, oder können Litzen oder Bündel sein.
Das Zickzackmuster verläuft unter Winkeln α zwischen 5° und 45°, vorzugsweise zwischen 10° und 30° in Bezug zur mittleren Längsrichtung der Wicklung 5 und des Drahts 8.
Die Leiter 9 können in ein flaches und breites Paket mit nahezu rechteckigem Querschnitt aufgenommen sein, wie in den 2 und 3 dargestellt, wobei jeder der Leiter 9 von einer Seite des Pakets zur anderen reicht, z.B. in Form eines Zopfs.
Das den Draht 8 bildende Paket ist so groß wie der Kanal 4, und die Seitenkanten des Pakets berühren die Wand des Kanals 4, das heißt, das Eisen des Stators 1.
Es kann auch eine dünne elektrische Isolation zwischen der Wand des Kanals 4 und der Wicklung 5 vorhanden sein, wobei die Isolation so dünn ist, dass Wärmeleitung von den Leitern 9 zur Wand des Kanals 4, die in dem wärmeleitenden Material des Stators 1, meistens Eisen, sind, nicht verhindert wird.
Das Paket isolierter Leiter 9 kann beispielsweise von einer Umhüllung 8A aus elektrisch isolierendem Material umgeben sein, wie in den 2 und 3 gezeigt.
In der Tat kann der Draht 8 als abgeflachter Litzendraht betrachtet werden.
Tests haben gezeigt, dass die Wärmeleitfähigkeit der Wicklung 5 mit Wicklungsdraht 8 gemäß der Erfindung mit Leitern 9, die im Zickzack von einer Kante der Wicklung zur anderen verlaufen, mehr als zehn Mal diejenige der Wicklung 5 gemäß 1 mit parallelen Standard-Litzendrähten beträgt.
Thermische Paste kann verwendet werden, um die Kühlung der Wicklung 5 gegen das Eisen des Stators 1 oder eine andere kalte Wand zu verbessern.
In einer anderen Ausführung werden die Leiter 9 nicht von einer Umhüllung 9A zusammengehalten, sondern können in dem Paket zusammengehalten werden, indem sie einen Zopf oder eine Flechte bilden, in welchem Fall die Umhüllung weggelassen werden kann. Dies könnte die Wärmedissipation noch verbessern. 4 zeigt eine solche Ausführung.
Eine andere Ausführung des erfindungsgemäßen Motors ist in 5 gezeigt. In diesem Fall berühren die Kanten der Wicklung 5 nicht mehr die Wände des Kanals 4 und das Eisen des Stators 1. Ein Raum 10 ist in dem Kanal 4 an beiden Seiten der Wicklung 5 belassen. Dieser Raum 10 ist mit einem flüssigen Kühlmedium, wie etwa Transformatorenöl, gefüllt.
Abstandhalter 11 sind in dem Kanal 4 vorgesehen, um die Wicklung 5 in der korrekten Position zu halten.
Dies kann auch vollzogen werden, indem der Wicklungsdraht 8 mit einem geeigneten Klarlack imprägniert wird, wodurch die Wicklung 5 selbsttragend und somit für Luftspaltwicklungsmotoren geeignet wird.
In diesem Fall kann das Kühlmedium gasförmig sein, beispielsweise zwischen die Wicklungen 5 geblasene Luft.
In der Ausführung von 5 ist die Wärmeleitfähigkeit sogar noch höher als in der Ausführung von 2 und 3.
Das Zickzackmuster der Leiter 9 der Ausführungen von 2 bis 5 gemäß der Erfindung gestattet das Übertragen der Wärme entlang der Kupferleiter zur Kante der Wicklung 5 und von dort zu dem festen, flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium.
Die elektrische Maschine muss nicht unbedingt ein Motor sein. Sie kann beispielsweise ein Generator sein.

Claims

Elektrische Maschine mit einer Wicklung (5), die einen Draht (8) umfasst, der aus individuell isolierten Leitern (9) besteht, wobei diese Leiter Drähte oder Litzen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierten Leiter (9) sich innerhalb des Wicklungsdrahts in einem Zickzackmuster in Bezug auf die mittlere Längsrichtung des Wicklungsdrahts erstrecken, zwischen den Kanten des Wicklungsdrahts (8), wobei besagte Kanten in thermisch leitendem Kontakt mit einem Kühlmedium stehen.
Elektrische Maschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zickzackmuster unter Winkeln (α) zwischen 5° und 45° in Bezug auf die mittlere Längsrichtung der Wicklung (5) verläuft.
Elektrische Maschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zickzackmuster unter Winkeln (α) zwischen 10° und 30° in Bezug auf die mittlere Längsrichtung der Wicklung (5) verläuft.
Elektrische Maschine gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (8) ein Litzendraht ist.
Elektrische Maschine gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (5) aus einem von einem flachen und breiten Paket isolierter Leiter (9) gebildeten Draht (8) besteht, wobei jeder Leiter (9) sich im Zickzack von einer Seite des Pakets zur anderen erstreckt.
Elektrische Maschine gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (5) aus einem Draht (8) in Form eines Pakets isolierter Leiter (9) besteht, die sich im Zickzack in Form eines Zopfs oder einer Flechte erstrecken.
Elektrische Maschine gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (5) sich in einem Kanal (4) befindet.
Elektrische Maschine gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (5) in wärmeleitender Verbindung mit einem festen wärmeleitenden Material steht, beispielsweise dem Eisen eines Stators, in welchem Fall das Kühlmedium aus diesem wärmeleitenden Material besteht.
Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (5) sich in einem Kanal (4) befindet, wobei ein Raum (10) in dem Kanal (4) offengelassen ist, welcher Raum (10) mit einem gasförmigen oder flüssigen Kühlmedium, wie etwa Transformatorenöl, gefüllt ist.
Elektrische Maschine gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung mit einem geeigneten Klarlack imprägniert ist, sodass sie selbsttragend wird.
Elektrische Maschine gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Luftspaltwicklungsmotor ist und das Kühlmedium gasförmig oder flüssig ist.