Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
COIL WITH COVER STRIP MADE OF HIGH-PERFORMANCE MATERIAL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/015921
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a coil (13) of a stator winding (12) of an electric machine (2), which consists of a number of windings (14) that are wound together with a number of layers of a mica strip (15), onto which, in turn, a number of layers of a cover strip (16) are wound. The cover strip (16) has a sequence of two layers 17, 18. These two layers (17, 18) are a woven fabric (17) and a film (18). The fabric (17) consists of a glass fibre or of a first high-performance polymer. The film (18) consists of a second high-performance polymer.

Inventors:
SCHEMMEL, Florian (Albrecht-Achilles-Straße 26f, Nürnberg, 90455, DE)
Application Number:
EP2018/067038
Publication Date:
January 24, 2019
Filing Date:
June 26, 2018
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H02K3/30; H02K3/34; H02K15/10
Foreign References:
US3254150A1966-05-31
JPH02156605A1990-06-15
CH559451A51975-02-28
Other References:
None
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche

1. Spule einer Statorwicklung (12) einer elektrischen Maschine (4),

- wobei die Spule aus einer Anzahl von Windungen (14) besteht, die gemeinsam mit einer Anzahl von Schichten eines Glimmerbandes (15) bewickelt sind, auf die wiederum eine Anzahl von Schichten eines Deckbandes (16) gewickelt ist, - wobei das Deckband (16) eine Abfolge von zwei Schichten

(17, 18) aufweist, wobei die eine dieser beiden Schichten

(17, 18) ein Gewebe (17) und eine Folie (18) ist,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

dass das Gewebe (17) aus einer Glasfaser oder aus einem ersten Hochleistungspolymer besteht und die Folie (18) aus einem zweiten Hochleistungspolymer besteht.

2. Spule nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

dass das erste Hochleistungspolymer ein Aramid ist.

3. Spule nach Anspruch 1 oder 2,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

dass das zweite Hochleistungspolymer ein Polyimid ist. 4. Spule nach Anspruch 1, 2 oder 3,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

dass das Gewebe (17) von den Schichten des Glimmerbandes (15) abgewandt ist und die Folie (18) den Schichten des Glimmer¬ bandes (15) zugewandt ist.

5. Spule nach einem der obigen Ansprüche,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

dass die Spule als dreidimensionale Formspule ausgebildet ist .

6. Spule nach Anspruch 5,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

dass die Schichten des Glimmerbandes (15) untereinander und/oder die Schichten des Deckbandes (16) untereinander Verschiebungen gegeneinander aufweisen, wie sie dadurch entstehen, wenn die Spule zunächst als plane Spule gewickelt wird, dann mit den Schichten des Glimmerbandes (15) und den Schich- ten des Deckbandes (16) bewickelt wird und erst danach zur dreidimensionalen Formspule geformt wird.

7. Elektrische Maschine, wobei die elektrische Maschine einen Stator (8) und einen Rotor (9) aufweist, wobei der Stator (8) Statornuten (11) aufweist, in die eine Statorwicklung (12) eingebracht ist, wobei die Statorwicklung (12) Spulen (13) aufweist, wobei mindestens eine der Spulen (13) als Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist. 8. Elektrischer Antrieb, wobei der elektrische Antrieb eine elektrische Maschine (4) nach Anspruch 7, einen Umrichter (5) und eine Steuereinrichtung (6) für den Umrichter (5) aufweist, wobei die elektrische Maschine (4) von der Steuerein¬ richtung (6) über den Umrichter (5) an eine Versorgungsspan- nung (U) anschaltbar ist, die größer als 1 kV ist, insbesondere größer als 1,5 kV, beispielsweise bis zu 4,5 kV.

9. Schienenfahrzeug, wobei das Schienenfahrzeug als Trak¬ tionsantrieb (2) einen elektrischen Antrieb nach Anspruch 8 aufweist.

Description:
Beschreibung

Spule mit Deckband aus Hochleistungsmaterial Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Spule einer Statorwicklung einer elektrischen Maschine,

- wobei die Spule aus einer Anzahl von Windungen besteht, die gemeinsam mit einer Anzahl von Schichten eines Glimmerbandes bewickelt sind, auf die wiederum eine Anzahl von

Schichten eines Deckbandes gewickelt ist,

- wobei das Deckband eine Abfolge von zwei Schichten auf ¬ weist, wobei je eine dieser beiden Schichten ein Gewebe und eine Folie ist. Die vorliegende Erfindung geht weiterhin aus von einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine einen

Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Stator Statornuten aufweist, in die eine Statorwicklung eingebracht ist, wobei die Statorwicklung Spulen aufweist, wobei mindestens eine der Spulen als Spule wie obenstehend beschrieben ausgebildet ist.

Die vorliegende Erfindung geht weiterhin aus von einem elektrischen Antrieb, wobei der Antrieb eine derartige elektri ¬ sche Maschine, einen Umrichter und eine Steuereinrichtung für den Umrichter aufweist, wobei die elektrische Maschine von der Steuereinrichtung über den Umrichter an eine Versorgungsspannung anschaltbar ist, die größer als 1 kV ist, insbesondere größer als 1,5 kV, beispielsweise bis zu 4,5 kV. Die vorliegende Erfindung geht weiterhin aus von einem Schie ¬ nenfahrzeug, wobei das Schienenfahrzeug als Traktionsantrieb einen derartigen elektrischen Antrieb aufweist.

Bei elektrischen Maschinen werden auf die Spulen der Stator- wicklung zur Hauptisolation eine oder mehrere Lagen an Glimmerband aufgebracht. Dies erfolgt unter anderem, um die Näs ¬ seresistenz und die Wärmeklasse der Spule zu steigern. Insbe ¬ sondere bei elektrischen Maschinen, die als Traktionsantrieb von Schienenfahrzeugen verwendet werden, wird dieser Aufbau zusätzlich durch eine Lage eines Gewebe-Deckbandes vor mecha ¬ nischen Einflüssen geschützt. Das Gewebe-Deckband weist aus ¬ schließlich eine mechanische Schutzfunktion auf. Die Nässere- sistenz und die Wärmeklasse der Hauptisolierung werden hingegen maßgeblich durch die Anzahl an Lagen an Glimmerband bestimmt. Wenn eine bestimmte Anzahl an Lagen des Glimmerbandes die erforderlichen Eigenschaften nicht aufweist, wird die Anzahl an Lagen des Glimmerbandes erhöht. Alternativ zu einer Erhöhung der Anzahl an Lagen von Glimmerband ist es weiterhin bekannt, zwischen die Lagen an Glimmerband zusätzlich isolie ¬ rende Folienbänder einzulegen. Die Folienbänder bestehen in manchen Fällen aus einem Polyimid. Bei den Folienbändern handelt es sich um reine Folien ohne Verstärkung durch ein Gewe- be .

In beiden Fällen - also sowohl bei der Erhöhung der Anzahl an Lagen an Glimmerband als auch bei der Verwendung von Folienbändern zwischen den Lagen an Glimmerband - erhöht sich der Fertigungsaufwand und erhöhen sich die Material- und Herstel ¬ lungskosten .

Bei normalen elektrischen Antrieben, die nicht zu Traktionszwecken verwendet werden, ist es weiterhin bekannt, auf die Lagen an Glimmerband zusätzlich eine Lage eines kombinierten Folie-Gewebe-Deckbandes aufzubringen. Sowohl die Folie als auch das Gewebe bestehen aus PET (Polyethylenterephthalat) . Mit derartigen Folie-Gewebe-Deckbändern lässt sich eine Wärmeklasse von maximal 180°C erreichen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Möglichkeiten zur Verfügung zu stellen, mittels derer auf einfache und kostengünstige Weise Spulen, elektrische Maschinen und Antriebe geschaffen werden können, die insbesondere für eine Verwendung bei Traktionsantrieben geeignet sind. Die Aufgabe wird durch eine Spule mit den Merkmalen des An ¬ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Spule sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 6. Erfindungsgemäß wird eine Spule der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet, dass das Gewebe aus einer Glasfaser oder aus einem ersten Hochleistungspolymer besteht und die Folie aus einem zweiten Hochleistungspolymer besteht. In der Regel ist bevorzugt, dass das Gewebe aus einer Glasfa ¬ ser besteht. Falls das Gewebe aus dem ersten Hochleistungs ¬ polymer besteht, ist das erste Hochleistungspolymer vorzugs ¬ weise ein Aramid. Das zweite Hochleistungspolymer ist hinge ¬ gen vorzugsweise ein Polyimid.

In der Regel ist das Gewebe von den Schichten des Glimmerbandes abgewandt und hiermit korrespondierend die Folie den Schichten des Glimmerbandes zugewandt. Prinzipiell ist aber auch die umgekehrte Schichtenfolge möglich.

Es ist möglich, dass die Spule als flache Spule ausgebildet ist. Alternativ kann die Spule als dreidimensionale Formspule ausgebildet sein. Im Falle einer dreidimensionalen Formspule ist es prinzipiell möglich, die Schichten (oder Lagen) an Glimmerband nach dem Formgebungsprozess der Spule aufzubringen. Aus fertigungs ¬ technischen Gründen ist es jedoch erheblich einfacher, wenn die Spule zunächst als plane Spule gewickelt wird, dann mit den Schichten des Glimmerbandes und den Schichten des Deckbandes bewickelt wird und erst danach zur dreidimensionalen Formspule geformt wird. In diesem Fall weisen die Schichten des Glimmerbandes untereinander und/oder die Schichten des Deckbandes untereinander Verschiebungen gegeneinander auf, wie sie durch einen derartigen Prozess (also eine Formgebung nach dem Bewickeln mit den Schichten an Glimmerband und

Deckband) entstehen. Die Aufgabe wird weiterhin durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Erfindungsgemäß ist bei einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art mindestens eine der Spulen erfindungsgemäß ausgebildet.

Die Aufgabe wird weiterhin durch einen elektrischen Antrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Erfindungsgemäß ist die elektrische Maschine des elektrischen Antriebs erfin ¬ dungsgemäß ausgebildet.

Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Schienenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Erfindungsgemäß weist das Schienenfahrzeug als Traktionsantrieb einen erfindungsgemäßen elektrischen Antrieb auf.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in schematischer Darstellung:

FIG 1 ein Schienenfahrzeug,

FIG 2 einen elektrischen Antrieb

FIG 3 eine elektrische Maschine,

FIG 4 einen Stator einer elektrischen Maschine

und eine Spule,

FIG 5 einen Querschnitt durch eine Spule,

FIG 6 eine Abfolge von Schichten von Bändern,

FIG 7 eine Draufsicht auf eine Oberseite eines

Deckbandes ,

FIG 8 eine Draufsicht auf eine Unterseite eines

Deckbandes ,

FIG 9 ein Ablaufdiagramm und

FIG 10 eine plane Spule.

Gemäß FIG 1 weist ein Schienenfahrzeug 1 (beispielsweise Elektrolok) mindestens einen Traktionsantrieb 2 auf. Der Traktionsantrieb 2 wird gemäß FIG 1 über eine Oberleitung 3 mit elektrischer Energie versorgt. Es ist jedoch auch eine andere Art der Versorgung denkbar, beispielsweise über einen Dieselantrieb, der einen elektrischen Generator antreibt.

Der Traktionsantrieb 2 ist ein Beispiel eines elektrischen Antriebs. In Verbindung mit dem Traktionsantrieb 2 wird die vorliegende Erfindung nachstehend erläutert. Der elektrische Antrieb könnte jedoch auch für andere Zwecke verwendet wer- den. Nachstehend werden daher nur allgemein die Bezeichnung

„Antrieb" verwendet und weiterhin das Bezugszeichen 2 verwendet .

Der elektrische Antrieb 2 weist gemäß FIG 2 eine elektrische Maschine 4, einen Umrichter 5 und eine Steuereinrichtung 6 für den Umrichter 5 auf. In vielen Fällen ist dem Umrichter 5 weiterhin ein Gleichrichter 7 vorgeordnet. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Von der Steuereinrichtung 6 ist die elektrische Maschine 4 über den Umrichter 5 an eine Ver- sorgungsspannung U anschaltbar. Falls der Gleichrichter 7 vorhanden ist und steuerbar ist, erfolgt die Steuerung des Gleichrichters 7 in der Regel ebenfalls durch die Steuerein ¬ richtung 6. Die Versorgungsspannung U - also diejenige Spannung, welche an die Motorklemmen der elektrischen Maschine 4 angelegt wird - ist oftmals größer als 1 kV. Sie kann sogar größer als 1,5 kV sein, beispielsweise zwischen 2 kV und 3 kV liegen. In manchen Fällen kann sie bis zu 4,5 kV betragen.

Die elektrische Maschine weist gemäß FIG 3 einen Stator 8 und einen Rotor 9 auf. Der Rotor 9 ist auf einer Rotorwelle 10 drehfest angeordnet, die ihrerseits um eine Rotationsachse rotierbar ist. Der Stator 8 weist gemäß den FIG 3 und 4

Statornuten 11 auf. In die Statornuten 11 ist eine Statorwicklung 12 (siehe FIG 3) eingebracht. Die Statorwicklung 12 weist Spulen 13 (siehe FIG 4) auf, wobei in FIG 4 der Über ¬ sichtlichkeit halber nur eine der Spulen 13 dargestellt ist. Die Ausgestaltung der Spule 13 ist der eigentliche Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Die Spule 13 besteht gemäß FIG 5 aus einer Anzahl von Windun- gen 14. Die Windungen 14 bestehen üblicherweise aus Kupfer. In jedem Fall aber sind die Windungen 14 mit einer nicht eigens dargestellten elektrischen Isolierung versehen, beispielsweise einem Schutzlack. Die Anzahl an Windungen 14 kann nach Bedarf sein. Die in FIG 5 dargestellte Anzahl von vier Windungen 14 ist rein beispielhaft.

Die Windungen 14 sind gemäß FIG 5 - und zwar nicht einzeln, sondern gemeinsam - mit einer Anzahl von Schichten eines Glimmerbandes 15 bewickelt. Die Anzahl an Schichten des Glim- merbandes 15 kann 1 sein. Oftmals ist sie größer als 1. Die in FIG 5 dargestellte Anzahl von zwei Schichten ist jedoch rein beispielhaft. Auf die Schichten an Glimmerband 15 - ge ¬ nau genommen auf die äußerste Schicht an Glimmerband 15 - ist eine Anzahl von Schichten eines Deckbandes 16 gewickelt. Die Anzahl an Schichten des Deckbandes 16 kann größer als 1 sein. In der Regel ist jedoch nur eine Schicht an Deckband 16 gewi ¬ ckelt. Das Deckband 16 ist in der Regel die äußerste Schicht der fertigen Spule 13. Nach dem Bewickeln der Spule 13 mit dem Deckband 16 wird also die fertige Spule 13 in den Stator 9 bzw. genauer in zwei der Statornuten 11 eingesetzt.

Im Falle der Ausgestaltung der Spule 13 als Formspule sollte das Glimmerband 15 eine möglichst hohe Biegsamkeit und einen möglichst geringen Haftreibungskoeffizienten zwischen Ober- seite und Unterseite aufweisen. Insbesondere sollte die Bie ¬ gesteifigkeit nach IEC EN ISO 8295 (Stand 2004) unter 50 N/m liegen. Der Haftreibungskoeffizient (definiert in derselben Norm) sollte unter 0,7 liegen. Beispiele geeigneter Glimmerbänder sind RikaFibrel E364N und RikaFibrel E464N der Nippon Rika Group.

Das Deckband 16 ist gemäß den FIG 6 bis 8 als Laminat ausge ¬ bildet, das eine Abfolge von zwei Schichten 17, 18 aufweist. Je eine dieser beiden Schichten 17, 18 ist ein Gewebe 17 und eine Folie 18. Weitere Bestandteile enthält das Deckband 16 nicht. Die Folie 18 grenzt also unmittelbar an das Gewebe 17 an. In der Regel ist das Gewebe 17 von den Schichten des Glimmerbandes 15 abgewandt und hiermit korrespondierend die Folie 18 den Schichten des Glimmerbandes 15 zugewandt. Prin ¬ zipiell ist jedoch auch die umgekehrte Abfolge von Gewebe 17 und Folie 18 möglich. Das Gewebe 17 besteht vorzugsweise aus einer Glasfaser. Al ¬ ternativ kann es aus einem ersten Hochleistungspolymer bestehen. Das erste Hochleistungspolymer kann ein Polyimid sein, ist aber vorzugsweise ein Aramid, insbesondere ein meta (m) - Aramid oder ein para (p) -Aramid . Die Folie 18 besteht aus ei- nem zweiten Hochleistungspolymer. Das zweite Hochleistungspolymer kann ein Aramid sein, insbesondere ein meta (m) -Aramid oder ein para (p) -Aramid . Vorzugsweise ist das zweite Hoch ¬ leistungspolymer jedoch ein Polyimid. Ein Beispiel eines geeigneten Deckbandes 16 ist Voltaflex GK2797 der Isovolta AG.

Es ist möglich, dass die Spule 13 eine im Wesentlichen flache Spule ist. Oftmals ist die Spule 13 jedoch, wie in FIG 4 er ¬ kennbar ist, als dreidimensionale Formspule ausgebildet. Im Falle der Ausbildung als Formspule ist es möglich, die

Schichten des Glimmerbandes 15 und die Schichten des Deckban ¬ des 16 nach dem Formen der Spule 13 zur Formspule aufzubringen. Vorzugsweise wird jedoch entsprechend der Darstellung in FIG 9 zunächst in einem Schritt Sl eine plane Spule gewi- ekelt. Dies ist im Schritt Sl durch die Angabe „2D" angedeu ¬ tet. Die plane Spule ist rein beispielhaft in FIG 10 darge ¬ stellt. Danach werden in einem Schritt S2 auf die plane Spu ¬ le, also vor dem Verformen zur Formspule, die Schichten an Glimmerband 15 und Deckband 16 aufgebracht. Dies ist im

Schritt S2 durch die Angabe „15, 16" angedeutet. Erst danach wird in einem Schritt S3 die bereits bewickelte flache Spule zur dreidimensionalen Formspule geformt. Dies ist im Schritt S3 durch die Angabe „3D" angedeutet. Bei dem Formgebungsprozess (Schritt S3) verschieben sich die Schichten des Glimmerbandes 15 untereinander und/oder die Schichten des Deckbandes 16 gegeneinander. In manchen Fällen verschieben sich auch die an die äußerste Schicht des Glim- merbandes 15 angrenzende innerste Schicht des Deckbandes 16 gegeneinander. Die Verschiebungen sind ein sich durch den Herstellungsprozess ergebendes konstruktives Merkmal der Spu ¬ len 13. Zusammengefasst betrifft die vorliegende Erfindung somit fol ¬ genden Sachverhalt:

Eine Spule 13 einer Statorwicklung 12 einer elektrischen Maschine 4 besteht aus einer Anzahl von Windungen 14, die ge- meinsam mit einer Anzahl von Schichten eines Glimmerbandes 15 bewickelt sind, auf die wiederum eine Anzahl von Schichten eines Deckbandes 16 gewickelt ist. Das Deckband 16 weist eine Abfolge von zwei Schichten 17, 18 auf. Je eine dieser beiden Schichten 17, 18 ist ein Gewebe 17 und eine Folie 18. Das Ge- webe 17 besteht aus einer Glasfaser oder aus einem ersten

Hochleistungspolymer. Die Folie 18 besteht aus einem zweiten Hochleistungspolymer .

Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbeson- dere werden aufgrund der Ausgestaltung des Deckbandes 16 als Kombination eines Gewebes 17 und einer Folie 18 die Nässere ¬ sistenz und der Temperaturindex verbessert, ohne eine zusätz ¬ liche Schicht an Glimmerband 15 zu benötigen. Weiterhin wird auch der mechanische Schutz verbessert. Aufgrund der verwen- deten Materialien lässt sich ferner eine Wärmeklasse von 200°C oder besser erreichen.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge ¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .